0引言 礦用防爆電動(dòng)閥門(mén)由于操作簡(jiǎn)單方便、控制精度高、故障率低等特點(diǎn),在煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)及低濃度瓦斯輸送系統的管理及控制過(guò)程中應用越來(lái)越廣泛。國內電動(dòng)調節閥普遍具有結構不合理,控制精度低,安全性能差,不能很好地進(jìn)行人機通話(huà)、難于現場(chǎng)標定和維修等缺陷。結合存在的問(wèn)題,為此設計一款操作方便、結構簡(jiǎn)單、功能齊全和集中控制的電動(dòng)調節閥門(mén)[Czl。防爆電動(dòng)調節閥主要由閥門(mén)和閥門(mén)電動(dòng)裝置組成;由于閥門(mén)技術(shù)在我國技術(shù)己成熟,本文主要為閥門(mén)電動(dòng)裝置的研究,閥門(mén)選用現有成熟產(chǎn)品。主要從閥門(mén)電動(dòng)裝置的電機動(dòng)力參數的選擇、傳遞機構的速比確定以及減速機構的研制、控制器控制電路的設計、控制器軟件的設計、電動(dòng)執 行機構與閥門(mén)的過(guò)渡機構及隔爆面結構設計方面進(jìn)行改進(jìn)設計。 1閥門(mén)電動(dòng)調節裝置的設計原理 閥門(mén)電動(dòng)裝置是閥門(mén)的驅動(dòng)裝置,用以驅動(dòng)和控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。閥門(mén)電動(dòng)裝置的工作原理是通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現的,是三級減速。即先由電機齒輪帶動(dòng)蝸桿齒輪,帶動(dòng)蝸桿,再由蝸桿帶動(dòng)蝸輪,帶動(dòng)一級輸出軸,一級輸出軸帶動(dòng)三級傳動(dòng)蝸桿,再帶動(dòng)三級蝸輪,最終將力矩傳遞給輸出軸,輸出軸與蝶閥同步轉向。而一級輸出軸的轉動(dòng)帶動(dòng)了軸上的大錐齒輪,再由大錐齒輪帶動(dòng)小錐齒輪(即中轉齒輪),再帶動(dòng)電器部分的行程開(kāi)關(guān)上的小齒輪,經(jīng)電器部分來(lái)完成控制工作。閥門(mén)電動(dòng)裝置由6個(gè)部分組成,即電機、傳動(dòng)機構、控制機構、手動(dòng)-電動(dòng)切換機構、手動(dòng)機構及電氣部分組成。其傳動(dòng)結構示意圖如圖1所示。
圖1 電動(dòng)調節裝置工作原理
2 閥門(mén)電動(dòng)調節裝置機械部分 2. 1電動(dòng)機的選擇 操作力矩是選擇閥門(mén)電動(dòng)裝置的最主要參數,2通過(guò)操作力矩反算出電機的功率。通過(guò)閥門(mén)設計手冊查詢(xún),查得三偏心蝶閥的力矩值,對于DN500的蝶閥工作壓力0. 6MPa時(shí)所需力矩為2043 Nm。電動(dòng)裝置的輸出力矩應大于閥門(mén)操作過(guò)程中所需要的最大力矩,一般情況下輸出力矩是最大力矩的墓1 .2倍。 即有 T操作力矩=T最大力矩x1.2
一級減速為圓柱齒輪傳動(dòng)(8級精度的一般齒輪傳動(dòng))其傳動(dòng)比i1為2. 3889,傳遞效率η1,為0. 97; 二級減速為雙頭蝸輪蝸桿傳動(dòng),其傳動(dòng)比i2為32,傳遞效率η2為0. 75~0. 82 ; 三級減速為單頭蝸輪蝸桿傳動(dòng),其傳動(dòng)比i3為48,傳遞效率η3為0. 7~0. 75。
則電機輸出扭矩須滿(mǎn)足
閥門(mén)專(zhuān)用電動(dòng)機的特點(diǎn)是高啟動(dòng)轉矩、低慣量、短時(shí)工作制。啟動(dòng)轉矩和最大轉矩對額定轉矩之比不低于2. 5 ;轉動(dòng)慣量比一般電動(dòng)機約小1/3;額定時(shí)間10 min,15 min和30 min。閥門(mén)專(zhuān)用電動(dòng)機能夠起到自身熱保護,當電動(dòng)機過(guò)載時(shí),能夠對電動(dòng)閥門(mén)起到保護作用。 電機功率與電動(dòng)裝置輸出轉矩公式
式中:P一電動(dòng)裝置所需輸入功率,kW;M一電動(dòng)裝置的最大輸出扭矩,N " m;n一電動(dòng)裝置的輸出轉速,取0. 5 r/min; }一電動(dòng)裝置的整機效率K-閥門(mén)專(zhuān)用電動(dòng)機的利用系數,一般取K=1. 5。 通過(guò)計算,取安全系數2,通過(guò)調研發(fā)現,國內有專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)類(lèi)似閥門(mén)電動(dòng)裝置電機的廠(chǎng)家,功率為0.17 kW,0.25 kW,0.37 kW的防爆電動(dòng)機分別滿(mǎn)足要求,不同管徑的閥門(mén)參數見(jiàn)表1。
表1 不同管徑閥門(mén)參數
2. 2傳動(dòng)機構設計 閥門(mén)電動(dòng)裝置的傳動(dòng)機構起到減速器的作用,它將專(zhuān)用電動(dòng)機的高速度低扭矩轉換成低轉速高扭矩。傳動(dòng)部分均采用齒輪傳動(dòng)機構,所選用的有以下2種:一是圓柱齒輪傳動(dòng);二是蝸桿蝸輪傳動(dòng)。一級減速為圓柱齒輪傳動(dòng),二三級減速為蝸桿蝸輪傳動(dòng)。 一級減速:一級減速采用圓柱齒輪傳動(dòng)(8級精度的一般齒輪傳動(dòng))其傳動(dòng)比i、為2. 388 9,見(jiàn)表2。
表2 一級齒輪傳動(dòng)參數表
二級減速:二級減速采用雙頭蝸輪蝸桿傳動(dòng),其傳動(dòng)比i2為32,見(jiàn)表3。
表3 二級減速雙頭蝸輪蝸桿傳動(dòng)參數
三級減速:三級減速為單頭蝸輪蝸桿傳動(dòng),其傳動(dòng)比i3為48。
表4 單頭蝸輪蝸桿傳動(dòng)參數
2. 3行程控制機構設計 閥門(mén)電動(dòng)裝置行程控制機構的作用是控制閥門(mén)的終端位置,即開(kāi)啟和關(guān)閉位置。另外,它還可以提供觸點(diǎn)信號顯示閥門(mén)的某一中間位置或終端位置。由十進(jìn)位齒輪組、頂桿、凸輪和微動(dòng)開(kāi)關(guān)組成,簡(jiǎn)稱(chēng)計數器,如圖2所示。其工作原理是由減速箱內的一主動(dòng)小齒輪帶動(dòng)計數器工作。如果計數器按閥門(mén)開(kāi)或關(guān)的位置己調好,當計數器隨輸出軸轉到預先調整好的位置時(shí),則凸輪將被轉動(dòng)90°,迫使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,切斷電源,電機停轉,以實(shí)現對電動(dòng)裝置行程的控制。
圖2 計數器結構示意圖
2. 4 力矩控制機構設計 力矩控制機構的作用是用于強制密封式閥門(mén),控制閥門(mén)的關(guān)閉位置;在電動(dòng)裝置出現過(guò)力矩故障時(shí),及時(shí)切斷電源,對裝置起到保護作用。力矩控制機構是電動(dòng)裝置內部的一個(gè)零部件,由曲拐、碰塊、凸輪、分度盤(pán)、支板和微動(dòng)開(kāi)關(guān)組成。當輸出軸上受到一定阻轉轉矩后,蝸桿除旋轉外還產(chǎn)生軸向位移,帶動(dòng)曲拐,曲拐直接帶動(dòng)支架產(chǎn)生角位移,從而壓迫凸輪,使支板上抬。當輸出軸上的轉矩增大到整定轉矩時(shí),則支架產(chǎn)生的位移量使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,從而切斷電機電源,電動(dòng)機停轉。以此實(shí)現對電動(dòng)裝置輸出轉矩的控制,達到保護電動(dòng)閥門(mén)的目的,如圖3所示。
圖3 力矩控制器機構圖
2. 5開(kāi)度指示機構設計 電動(dòng)裝置的開(kāi)度指示機構分裝置本體上的現場(chǎng)開(kāi)度指示和遙控時(shí)電氣控制箱面板上的開(kāi)度指示。在現場(chǎng)調試時(shí),可根據所配閥門(mén)開(kāi)關(guān)的圈數,將調節齒輪調整到所需位置,并與減速齒輪嚙合。當閥門(mén)在開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程中,開(kāi)度盤(pán)經(jīng)減速后轉動(dòng),指示閥門(mén)的開(kāi)關(guān)量,開(kāi)度盤(pán)上最大角度可以調整,達到指示角度與閥門(mén)開(kāi)關(guān)量同步。電位器的動(dòng)片與開(kāi)度盤(pán)同步,供遠傳指示閥門(mén)位置用。位置指示器內設一微動(dòng)開(kāi)關(guān)和一凸輪。當電動(dòng)裝置運轉時(shí),凸輪轉動(dòng)使微動(dòng)開(kāi)關(guān)周期性動(dòng)作,可使控制室操作指示燈閃爍,以示電動(dòng)裝置的工作狀態(tài)。 2. 6手動(dòng)一電動(dòng)切換結構設計 停電時(shí),需開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)時(shí),需要手動(dòng)結構。本機構由手柄、凸輪、框架、直立桿、中間離合器、壓簧等組成。由電動(dòng)變手動(dòng)時(shí),人工把切換手柄向手動(dòng)方向推動(dòng),凸輪隨手柄軸一起轉動(dòng),使支撐在凸輪面上的框架抬起,同時(shí)使支撐在框架上的可在輸出軸上作軸向移動(dòng)的中間離合器向上移動(dòng),壓迫彈簧。當手柄推到一定位置時(shí),中間離合器脫離蝸輪與手動(dòng)軸爪嚙合,則可使手輪上的作用力通過(guò)中間離合 器傳到輸出軸上,即成為手動(dòng)狀態(tài)。當框架抬高到最高點(diǎn)時(shí),安裝在框架上的直立桿在扭簧作用下直立于蝸輪端面,支撐住框架使中間離合器迅速向蝸輪方向移動(dòng),與手輪軸脫開(kāi),與蝸輪嚙合,成為電動(dòng)狀態(tài),如圖4所示。
圖4 手電動(dòng)切換機構示意圖
3閥門(mén)電動(dòng)裝置控制器設計 3.1閥門(mén)電動(dòng)裝置控制器的原理 以單片機為核心,選擇直接位置控制,并能接受遠程的4 ~ 20 mA或200~1 000 Hz的閥位給定信號,用于驅動(dòng)和控制閥門(mén)裝置。圖5為控制器裝置的總體框圖。
圖5 閥門(mén)電動(dòng)裝置控制器總體框圖
3. 2 電源 電源部分用于向控制器提供穩定的電源。電源為額定電壓(127 /380 /660 V) o
3. 3 閥門(mén)電動(dòng)裝置控制器
內部基本工作流程如圖6所示。
圖6 控制系統工作流程
根據設計要求及礦井實(shí)際情況對主要技術(shù)指標進(jìn)行設計。電源為額定電壓(127 /380 /660 V ),控制電壓18 VDC ;精確度為11.0%FS;輸出信號為1~5 mA電流信號,200~1 000 Hz頻率信號;手動(dòng)傳動(dòng)比為48;防爆電動(dòng)調節閥閥門(mén)系列化為DN100~500 mm。
4結論 (1)根據常見(jiàn)的閥門(mén)電動(dòng)機構存在問(wèn)題設計了新型的閥門(mén)電動(dòng)裝置,并聯(lián)合科研單位在山西某礦地面試驗取得良好的結果,實(shí)現煤礦瓦斯抽放與輸送管道的快速啟閉以及與負壓調節器實(shí)現開(kāi)度自動(dòng)調節,試驗結果符合設計的要求。 (2)閥門(mén)控制器能夠與蝶閥進(jìn)行配套試驗,能夠滿(mǎn)足蝶閥的正常啟閉。 (3)閥門(mén)控制器能夠對蝶閥實(shí)現現場(chǎng)手動(dòng)控制、遠程手動(dòng)控制。 (4)控制器與閥門(mén)的過(guò)渡機構及隔爆面結構設計,滿(mǎn)足可靠密封和防隔爆要求。
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