矿用自动风门设计.doc
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矿用自动风门设计
矿用自动风门设计
第1章 绪论
1.1 国内外矿井用风门的发展现状
1.1.1 国内矿井风门的发展现状
风门是最主要的通风装置之一，风门安设在挡风墙上，为了能保持该巷道的通行与运输。
为了防止风流短路使矿井一部分的即定通风系统遭到破坏，风门的数目不应少于两个；各风门间的距离应大于列车的最大长度。
如果巷道放设有铁轨，则必须设法防止经过门坎漏风。
连接入风井与排风井的巷道，应设置两个混凝土挡风墙或砖挡风墙，每道挡风墙上应设两风门。
风门有木制的和铁制的。
铁风门在重要的地方采用，例如，在入风井排风井间的联络巷道里，该处空气压力很大，且有发生短路的危险。
门板一般是用厚不小于3mm的钢板覆盖作门面。
为了坚固门板上还要装置角铁。
门框处了严密，在门框边缘钉有毛毡或密封条。
目前我国矿井使用的木制风门的地点比较多。
这种风门的优点是：
1. 结构坚固、不易损坏、使用年限为1.5——2年。
2. 漏风少。
3. 规格统一，可以在地面上做成成品在井下安装，并可反复使用。
4. 经济，其制造与维修费的总和较一般形式的风门低。
井中，目前也常使用木材和铁板混合制成的风门。
这种风门的使用年限更长，其构造更加严密。
由于矿井通风管理，向自动化方向发展，要求风门能自动关闭。
尤其是在井下运输频繁的地方，风门的自动化更显得重要。
下面介绍几种典型的自动风门：
1. 矿车撞杆式自动风门。
种自动风门一面是靠拉杆连动装置打开风门的，另一面，则靠矿车撞击缓冲器而打开风门。
此风门多用于轨道上山和轨道下山中。
2. 气阀式自动风门。
这种风门是靠压缩空气（或压力水）推动汽缸活塞，活塞带动连杆；活塞的往复运动使风门开关，压缩空气（或压力水）是靠矿车触动开关控制的。
3. 电动自动风门。
这种自动风门的关闭是靠电动机传动件速装置来完成的。
电动机的启动和停止由设在轨道下面或巷道两侧的接触点来控制。
某些矿井利用光电继电器自动控制电动机开闭风门。
当矿车（或电机车）到达时，由于光电的作用，打开风门使矿车通过。
矿车过后风门自动关闭。
1.1.2 国外矿井风门的发展现状
国外的风门系统较我国起步早，发展成熟。
早在八十年代，国外就开始尝试了矿井风门的自动化研制。
到九十年代，新型风门理论已相当完备，其相应的风门产品已广泛的投入到了市场中。
下面介绍几种典型的自动风门：
1. 矿车撞杆式自动风门。
种自动风门一面是靠拉杆连动装置打开风门的，另一面，则靠矿车撞击缓冲器而打开风门。
此风门多用于轨道上山和轨道下山中。
2. 气阀式自动风门。
这种风门是靠压缩空气（或压力水）推动汽缸活塞，活塞带动连杆；活塞的往复运动使风门开关，压缩空气（或压力水）是靠矿车触动开关控制的。
3. 电动自动风门。
这种自动风门的关闭是靠电动机传动件速装置来完成的。
电动机的启动和停止由设在轨道下面或巷道两侧的接触点来控制。
某些矿井利用光电继电器自动控制电动机开闭风门。
当矿车（或电机车）到达时，由于光电的作用，打开风门使矿车通过。
矿车过后风门自动关闭。
4. 新兴的“PLC风门”。
进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展。
与此同时，矿用风门系统也成此东风，展开了长足的发展。
直至目前而言，由于其出色的性假比及稳定的工作性能，“PLC风门”仍引领着国外矿用风门的潮流。
1.1.3 通风系统概述
而根据矿井安全规程，可知矿井通风是必要的。
地面的大气进入矿井以后，在成分上会发生一系列的变化。
这是因为煤和其它物质的氧化、人的呼吸会使氧气减少和二洋化碳增加；井下煤和岩层中不断放出沼气（CH4）、二氧化碳等有害气体在生产过程中也要生成岩尘，煤尘和炮烟等。
其中瓦斯（沼气）和煤尘达到一定浓度遇火时就会引起爆炸。
此外，井下空气由于地热作用、人体和机械的散热，水分的蒸发等原因，温度和湿度都会显著增加，造成不良的气候条件。
因此，对矿井必须进行通风。
矿井通风的任务：
1. 供给井下人员足够的新鲜空气。
2. 把有害的气体和矿尘稀释到安全浓度以下，并排出矿外。
3. 保证井下有适宜的气候条件，以利于工人劳动和机器运转。
矿井通风工作，对于保证矿井安全生产，创造良好的气候条件，提高劳动生产率，具有十分重要的意义。
此外，危及矿井安全的重要一项就是瓦斯爆炸。
因此，必须采取必要的措施来防止矿井中的瓦斯爆炸。
而瓦斯爆炸必须具备两个条件。
瓦斯浓度为5~~6%的混和气体和温度为摄氏650~~750°的火源来引爆。
为此，预防瓦斯爆炸必须从两个方面考虑。
其中防止瓦斯积聚的措施之一有加强通风。
用足够的风量把瓦斯稀释到无害的程度。
例如：
1. 采用机械通风（在瓦斯矿井应采用抽出式通风）。
2. 正确合理地计算与分配风量，使各采掘工作面，各巷道，各峒室都供给足够的风量，既不使瓦斯超限又能创造良好的气候条件。
3. 加强风扇管理和风筒的维护，防止漏风，避免循环风流。
保证掘进工作面有足够的新鲜风流，严禁用扩散通风。
4. 正确的选择通风构筑物的位置，加强其维护与管理，防止矿内大量漏风
5. 在瓦斯矿井中，回采工作面，回风巷道都要采用上行通风。
为此，矿井中必须建立比较完善的通风系统。
其中矿井用风门就是矿井通风系统中的一个重要组成部分。
它属于通风构筑物（通风构筑物包括风门、密封闭墙、主风井巷口的密闭装置及其它的通风构筑物）。
由于风门有以上的作用和意义，实现矿用风门的自动化也就显得势在必行。
1.2 本次毕业设计的主要内容
本次毕业设计的对象就是矿用自动风门系统。
主要的设计内容包括：
1. 自动控制风门系统总体方案的设计
2. PLC程序框图设计
3. 风门结构及机械传动系统设计
=1\*GB2⑴门体系统（包括门体、上下轨道、导向轮及张紧装置等）
=2\*GB2⑵传动系统（电机选型、减速器选型、摩擦传动及手摇机构）
4. 电器控制箱设计
5. 自动风门系统电气设计
设计的重点是第三部分的内容。
以下是设计对象的有关描述：
主要技术参数及技术要求
1. 风门有效断面5600mmX3200mm；
2. 风门承受压差1200mm水柱；
3. 风门采用钢丝绳牵引，摩擦驱动水平对拉式开关门方式；
4. 来车检测信号采用灯光脉冲照射检测装置；
5. 风门要实现自动控制、手动控制且要相互自锁；
6. AB两道门实现相互闭锁；
7. 电器要满足防爆、隔爆等安全要求。
1.3 矿用自动风门系统的组成及工作原理
1.3.1 系统组成
如图1-1所示，该系统主要由两道门，来车识别装置，状态检测装置，电控，PLC控制箱等部分组成
图1-1自动控制风门系统组成图
图1-2 自动控制风门结构图
而每道门又如图1-2所示，由两扇门体、道轨组合、滑轮组合、驱动装置、牵引钢丝绳、张紧装置等组成。
1.3.2 工作原理
风门系统为两道门，每道门采用水平对拉式开闭，风门的开闭由驱动装置通过钢丝绳牵引两扇门体实现。
门扇通过滚轮吊装在上轨道中，上轨道固定在巷道顶板上。
门扇的下端处在下轨道槽内。
门体的开闭状态采用行程开关检测，两道风门相互闭锁。
风门可实现自动控制，手动按钮开闭及人工通过手摇机构开闭。
每道门在其中的一扇门体上装有人行便门，以便单人行走通过。
风门开闭驱动是由防爆电动机、蜗轮蜗杆减速器、摩擦轮来实现。
驱动钢丝绳牵引门扇运动。
通过电动机正反转实现风门的开闭。
如图1-3所示：
1– 驱动电机2–减速器3–摩擦轮4–导向轮
5–门体一6-门体二7–张紧重锤
图1-3风门驱动装置原理图
控制系统由PLC控制器，各种传感器，检测装置等组成。
风门的开启操作申请信号来自光敏传感装置，每道门设有两套光敏传感装置。
一套供头灯照射申请开门，传感装置安装在巷道侧壁上；另一套供车灯脉冲照射申请开门，传感装置安装在门体上。
采用脉冲照射是为了避免其它非开门光源造成系统误动作，并且通过PLC控制器编程实现。
风门的关闭靠PLC定时控制，即风门开启后延时一段时间自动关闭。
两道风门相互闭锁，也就是说同一时刻只允许一道风门处于打开状态，而另一道风门无论是否有开门申请信号都处于关闭状态。
风门的开闭状态采用接近开关检测，信号传输给PLC控制器。
在一些特殊情况下，如自动控制系统出现故障；风门安装调试过程中；检修维护时等，也可以通过手动按钮操作风门的开闭，或用人工开闭风门。
每道风门的两侧还设有光电开关，其作用是在风门关闭过程中有人、车辆或其它物体时，由于产生了有障碍物信号，通过PLC控制使风门再次打开。
这样可防止风门夹住处于中间的行人、车辆或其它物体。
具体的风门系统的工作过程如下：
1. 当上行或下行车辆通过车灯脉冲照射申请开门时，系统均产生申请信号，A、B门申请开门信号以先得到者有效，后得到者保持。
2. A门（或B门）申请开门信号有效时，执行开门操作，同时有灯光指示，门开后延时15–30秒，此期间若还有申请信号，再延时15秒，在检测无障碍情况下，执行关门操作。
A（或B）门关闭后，延时2秒，B门（或A门）执行开门操作，同时有灯光显示，开门后延时30秒，在检测无障碍情况下执行关门操作。
3. 当下行车辆通过B门（或上行车辆通过A门）期间，若有上行车辆申请B门开门信号（或下行车辆申请A门开门信号）则B门（或A门）继续延时30秒，上行（或下行）车辆可进入B门（或A门），然后再执行后续程序。
第2章 矿用自动风门的门体及传动系统设计
2.1 门体设计
风门门体及上下导轨的组成如图2–1所示。
两扇风门通过滚轮组件吊装在上导轨组合中，上导轨对门体起导向和承重作用，门体通过槽轮与下导轨结合，下导轨通过槽轮承受风压作用在门体上的侧向力。
2-1风门门体及导轨简图
风门门体要求整体刚度好，不易变形，适合井下环境和条件。
风门门体采用轻型槽钢焊接成骨架。
其结构为：
先将槽钢互相焊接如图2-2所示的门架，用3mm厚的钢板覆盖作门面，骨架及门面板在制造时做防锈处理。
在其中的一扇门上设有行人便门，因此其中一扇门在焊接过程中应当注意留有小门。
在门体上、下及侧面应安装有密封压板与密封条，门扇周边采用橡胶带密封，以防发生漏风现象。
图2-2
在左门门体上装有光电开关固定板，用来固定光电开关。
其左门结构形式如图2-3所示。
在右门门体上留有一小门，便于人行。
其右门结构形式如图2-4。
1-门体2－上密封条 3－侧密封条 4－光电开关 5－下密封条
图2-3 左门体结构示意图
图？
？
？
？
？
？
1－小门 2－门体 3－门架
图2-4 右门体结构示意图
2.2 上下导轨设计
风门的上下轨道由工字钢与连接板及端板焊接而成。
工字钢的材料使用Q235-A，其硬度、强度、钢度均能满足使用要求。
上轨道采用20号槽钢，并通过工字钢固定在巷道顶板上。
下道轨采用18公斤道轨。
门扇的下端处在下轨道槽内，通过滑轮与轨道槽钢接触限位，防止门体与轨道接触而增加阻力，且滑轮又能起到导向的作用。
风门的这种结构形式可以使门体在受风压时，通过侧轮在上、下轨道侧壁滚动接触，因而减少了运行阻力，使风门开闭自如，不易卡死。
图2－5工字钢的简图
2.3 传动系统的设计
2.3.1 驱动系统的设计计算
风门开闭驱动装置是由防爆电动机、蜗轮蜗杆减速器、摩擦轮组成，驱动钢丝绳牵引门扇作往复运动。
1. 驱动方式
采用摩擦驱动方式控制风门的动作。
其主要的技术参数：
功率：
4KW
拉力：
8KN
速度：
210mm/s
2. 电动机的选型
电动机选择时应综合考虑的问题。
=1\*GB2⑴根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的起动、制动、反转、调速等要求来选择。
=2\*GB2⑵根据负载转矩、速度变化范围和起动频繁程度等要求，考虑根据负载转矩、速度变化范围和起动的温升限制、过载能力和起动转矩选择电动机的容量。
=3\*GB2⑶根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。
=4\*GB2⑷根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定的电压等级和类型。
=5\*GB2⑸根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过滤过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度选择电机的额定转速。
此外，选择电动机还必须符合节能的要求。
考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易程度，以及产品价格、建设费用及生产过程中前后期电动机容量变化等因素。
由于是在矿井下工作的电机，故除了能达到传动的功率要求之外，还应该作到符合矿山安全规则中的防爆要求。
为此，选用YBK系列隔爆型三相异步电动机。
该系列电动机是轴向全封闭自扇冷鼠笼型隔爆型三相异步电动机，具有效率高，起动转矩大，噪声低，振动小，温升幅度大，性能优良，隔爆结构先进合理，使用安全可靠，体积小，重量轻，外形美观等特点。
一般制成隔爆型“Di”，适用于有甲烷或煤尘爆炸性混和气物的矿井中。
（其中各符号的含义为：
K——矿用；d——隔爆型电气设备；I——煤矿井下用。
）表2-1、表2-2为所选电机的基本尺寸及基本技术参数。
表2-1 YBK132M-6的外形尺寸
机座号
级数
A
A/2
B
C
D
E
F
G
H
K
M
N
132M
2
216
108
178
89
38
80
10
33
132
12
265
230
表2-2YBK系列隔爆型三相异步电动机技术数据
型号
功率
（KW）
电流
（A）
转速
（r/min）
效率
（%）
功率因数
（Cosφ）
转动惯量
（Kg·m2）
YBK132M-6
4
9.4
960
84
0.77
0.203
型号
噪声
Db（A）
外形尺寸
长x宽x高
（mm）
重量
（Kg）
YBK132M-6
71
550x380x470
90
+
3. 减速机的选择
考虑到速度比较大（ ，减速器使用单级轴向剖面圆弧齿圆柱蜗杆减速器。
这种减速器适用于矿山、冶金、起重、化工及建筑等机械的各种减速装置。
输入轴转速一般不大于1500rpm，工作环境温度为−40~45℃，高速轴可正反转。
根据《机械传动设计手册》，这种减速器的装配型式有四种：
通用型、蜗杆下置型、蜗杆上置型、蜗杆侧置型。
为便于与电机的安装和考虑到减速器的输出轴又要与附带着的摩擦轮相连接，选用了蜗杆下置型（代号为WHX）又因为是不经常工作或间歇性工作，可选用不带风扇型式。
最后选用了型号为−160−9−Ⅰ中心距为160mm，公称传动比为50。
如图2-5所示为减速器的外形及安装图。
图2-5
表2-3减速器的外形基本尺寸
4. 手摇机构的设计
=1\*GB2⑴手摇机构的基本结构
手摇机构主要由绳轮、轴套、外铜套、内铜套、油杯、挡圈通过销、与螺纹联接。
在设计结构时应考虑到部件需要油润滑，便于安装、使用与维护等因素。
如图2-6所示。
图2-6摩擦轮简图
=2\*GB2⑵结构设计计算
钢丝绳的速度：
电动机的转速：
经过一系列的试选，确定减速机的转速比为：
由
式中 ——减速机的输出转速 ;
得
式中 ——摩擦轮的直径 m;
所以选摩擦轮的直径为：
200mm
5.联轴器的选用
在本设计的传动系统中，电动机与减速器需要用联轴器实现连接
在某一特定条件下的传动，如何选择比较恰当的联轴器，不仅影响联轴器本身的性能和寿命，也关系到整个机械的工作性能、使用寿命、维护和经济性能等。
当选择联轴器类型时应考虑以下因素：
=1\*GB2⑴联轴器传递的载荷和性质 不同结构和材料的联轴器的承载能力差别很大。
通常弹性联轴器都具有缓和冲击的作用并且金属弹性元件的联轴器的承载能力要高于非金属弹性元件的联轴器
=2\*GB2⑵联轴器的工作转速 不同类型的联轴器适应的转速范围也不一样。
尤其是在变速下工作是，应选用能适应速度突变引起的惯性冲击和振动的联轴器。
=3\*GB2⑶联轴器联结两轴的相对位移 这是由于种种原因，联轴器所联结的两轴是难免要发生相对位移的。
=4\*GB2⑷联轴器工作环境 在选择类型时，必须考虑工作环境的影响。
例如温度、湿度、油、溶剂、阳光等对含有橡胶弹性元件的联轴器的影响较大，易引起橡胶老化而改变其物理性能和机械性能。
有上述因素并考虑到联轴器需承受一定的冲击，及井下安装条件的复杂。
故而选用弹性联轴器。
弹性联轴器除了能够补偿两轴的相对位移，降低对联轴器安装的精确对中要求外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自振频率，避免发生严重的危险性振动。
此外，这种联轴器还具有结构紧凑，装配方便，减振吸振等的特点。
由于比较常用的联轴器已经系列化和标准化。
因此，在选用标准的联轴器类型后要确定联轴器的基本尺寸（型号）
在选用联轴器型号时，一般都是以联轴器所传递的计算转矩Tc小于或等于所选联轴器的额定转矩Tn为准则。
联轴器实际需要传递的转矩常用计算转矩Tc表示，它等于联轴器的理论转矩乘以大于1的工作情况系数K，即
Tc=KT≤Tn
式中T——理论转矩N•m；
Tn——额定转矩N•m，在手册中可查得；
K——工作情况系数，其值与动力机和工作机的类型、工作条件、传动轴系的转动惯量有关。
表2-2列出了几种常用情况下的K值
表2-2常用情况下的K值
2.3.2 传动系统的设计计算
在风门的开闭过程之中，风门的受力情况如图2-6所示
图2-6
式中 ——上导轨摩擦力 N;
——门体质量
——钢与铸铁间的摩擦系数
式中 P——门体所受的压差（由120mm水柱换算而来） Pa;
S——门体的面积 ;
式中
式中 ——门体所受的总的摩擦力 N;
式中 ——拖动门所需的最小功率 w;
——门体运动的速度 ;
参见带传动中张紧力的计算方法来计算钢丝绳的张紧力
式中 ——名义传动功率 ;
——工作情况系数（交流异步电动机,工作平稳,根据<<机械设计>>表11.5选得）
式中 ——钢丝绳受的张紧力 N;
——钢丝绳根数;
——包角系数;
——单位长度钢丝绳的质量 ;
2.4 张紧装置的设计
张紧装置用来绷紧钢丝绳，避免钢丝绳与绳轮之间打滑。
钢丝绳的张紧是通过在钢丝绳的一端悬挂水泥重锤利用重力的作用来实现。
在设计结构时考虑到需用一个重锤来张紧两端的钢丝绳，故需通过一个张紧组件来实现，这一张紧组件结构如图2-7所示：
1-支架组件 2-张紧轮框架 3-轴、卡板 4-滑轮
图2-7张紧组件结构图
第3章 矿用自动风门控制柜的设计
3.1 控制柜的主要功能和技术参数
3.1.1 性能要求
1. 具有正反控制的两个660V输出回路；
2. 要求正反控制具有机械联锁；
3. 具有漏电闭锁、过载、短路、缺相跳闸保护功能；
可编程控制器输入输出信号采用九芯接线柱引入接线腔，交流110V与660V采用接线柱引入接线腔；
4. 保护装置除控制跳闸外，再为可编程控制器提供一对触点；
5. 具有观察可编程控制器显示状态的观察窗；
6. 门体结构为快速开门机构；
7. 控制柜的设计要满足煤矿安全规程的要求，尤其是要隔爆。
3.1.2 主要技术参数
1. 额定电压：
660V
2. 额定频率：
50HZ
3. 控制总功率：
4KW
4. 工作制：
交替运行。
3.2 矿井隔爆概述
在有瓦斯矿井中的动力设备，如电动机、开关等，由于火花或其他事故会引起瓦斯的爆炸，为了克服这种危险，就将设备作成有隔爆结构参数的特制外壳，使其具有耐爆性和不传爆性，我们称这样的外壳叫隔爆外壳。
隔爆外壳是由具有一定强度的钢板或铸钢、铸铁制成的机械结构，并具有一定的抗爆能力。
隔爆外壳具有两个作用。
一是要有耐爆性，即内部瓦斯爆炸的压力、温度不使外壳损坏，也不变形，它是由材质的强度和外壳本身机械结构强度来保证的。
二是要有不传爆性，即内部爆炸后，传出的火焰不使外部瓦斯发生爆炸，它是由隔爆面的间隙和宽度来达到的。
根据试验，隔爆面加工光洁度对于隔爆性能并不要求很高。
世界各国也不统一，有的达到▽4的光洁度已足够了，但间隙和宽度是极其重要的，隔爆面加工不平度一定要严格控制。
3.2.1 耐爆性
隔爆型电气设备的要求之一，是设备外壳必须具有耐爆性，实际就是外壳的强度问题。
当隔爆外壳内部发生爆炸时，应使其不发生变形和损坏，不致使爆炸火焰直接点燃矿井中的瓦斯混合物，从而达到耐爆要求，它是由外壳的强度和机械结构来保证的。
因此，外壳应有足够的坚固性，以及外壳在热源的作用下，经烧灼及过热不会受到损伤。
要保证外壳的耐爆性，必须对不同条件下，作用于外壳上的压力进行研究，并从外壳的材质强度以及其它方面来保证，分述如下。
=1\*Arabic1.外壳内部爆炸压力和温度。
由前所述，瓦斯爆炸时理论计算最大压力为8.3～8.5大气压，而实际为7.4大气压。
由于隔爆外壳并不是完全密闭的，它由两个或几个外壳零件所组成，其结合面之间存在间隙，所测得的爆炸压力将随其间隙、外壳形状及容积等因素的变化而改变，可从图3-2看出，压力随间隙的增加而降低。
在间隙相同的情况下，容积增大则爆炸压力也有增大的趋势。
爆炸压力同前所述为2200℃。
所以，一般矿井防爆电气设备均按8大气压和2200℃加一安全系数来设计的，根据材料力学及试验结果，对于钢板外壳，理论上最小厚度为3～4毫米，铸铁的应为6毫米。
图3-1爆炸压力与间隙的关系
=2\*Arabic2.外壳内绝缘油及有机绝缘物分解产生的压力。
外壳内之油类或有机绝缘物，在电弧作用下，要引起分解，而产生氢、一氧化碳和其它气体，使壳内气体压力增加，这种气体所产生的爆炸压力由式3.1算出。
P=（CAgtg/Vc）+Po （3.1）
式中 P——外壳的终压力，大气压；
C——常数，它是单位弧光能量，单位时间内所分解生成气体的容积（升/千瓦*秒）；它与材质有关。
如：
油类C=0.06，有机塑料C≈0.05；
Ag——弧光短路容量，千瓦；
Tg——弧光持续时间，秒；
Vc——外壳净容积，升；
Po——外壳内混合物之初压力，大气压。
有机绝缘物分解可能发生在高压开关油箱内，也有可能发生在切断配电电缆的短路电流时，或外壳内导体间弧光短路时，它的爆炸压力要比甲烷的爆炸压力大。
如塑料K-21-22上发生短路弧光，持续时间为1秒，则压力可达11大气压，能将外壳炸坏或变形。
若高压开关油箱内发生短路而产生电弧，短路容量为1兆伏安，则油箱要产生20大气压。
为此，油箱应坚固可靠，并要承受20大气压的水压试验。
至于
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