矿压水自排系统自动换向阀的设计.docx

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矿压水自排系统自动换向阀的设计

摘要

在煤矿生产中，突水是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故。

因此防治突水灾害的意义重大。

而井下预先排水则是防治突水事故的主要措施之一。

本设计涉及一种换向阀，尤其涉及一种新型的矿井承压水自排系统中的二位四通自动换向阀，它是该系统的重要组成部分。

目前排水设备以离心泵和潜水泵为主，但用泵排水耗电量大，成本很高，且需要专人值班，手动启、停设备，安全性较差。

针对这样的技术条件，此二位四通换向阀就发挥了很大的作用，它可以用来传输三种不同压力的矿井承压水，并且有阀片耐磨耐腐蚀，抗冲击能力高并且采用三级平面密封，实现严格的无泄漏等优点，它能适应水质不同、压力不同的矿井承压水的自动传输，且传输过程中承压水的能量损失小，与系统完美配合，实现井下承压水的绿色排放。

它设计的目的是将已探查清楚的地下含水层突水，经自排系统工作后排到地面。

大大的减少了突水事故发生的可能性。

关键词：

二位四通自动换向阀矿井承压水排放低能耗自排系统

Abstract

Incoalproduction，Waterinrushisaseriousaccidentonlythesecondtocoalminegasoutburst.Sothepreventionofsuddenwater-relateddisastersissignificantful,andtheundergroundpre-drainageisoneofthemainmeasuresofpreventionandcontrolofwaterinrushaccident.

Thedesignrelatestoavalve,inparticular,involvinganewtypeofminepressurizedwaterfromthedrainagesysteminthetwofour-wayautomaticvalve,anditisanimportantpartofthesystem.Nowcentrifugalpumpsandsubmersiblepumpsisuseful,butpumpswatersystemispowerconsumptionandhighcost，andneedsomeoneonduty、manualstartandstopequipment.Forthisspecification,thetwofour-waydirectionalcontrolvalveplaysaveryimportantrole，itcanbeusedtotransferthreedifferentmineconfinedwaterpressureandvalveplatewear-resistant,corrosionresistant,highshockresistanceandathree-levelflatsealing,realizetheadvantagesofstrictlyleakage.Itcanadapttodifferentwaterqualityandpressureofautomatictransmissionofconfinedwaterinmineandconfinedwaterofsmallenergylossduringtransmission,andperfectcoordination,implementationofartesianwaterinundergroundgreenemission.Itisdesignedtobetheexplorationofundergroundwaterburstingclear,throughtheexhaustsystembacktotheground.Significantlyreducethepossibilityofwaterinrushaccidentoccurred.

Keywords:

twofour-wayautomaticvalvemineconfinedwateremissionslowenergyconsumptiongreenemission

前言

毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程，是对大学期间所学专业知识的全面总结。

本人毕业设计题目为《二位四通换向阀的设计》。

在毕业设计前期，我温习了很多的专业知识，并查阅了关于阀体和矿井承压水的很多资料；在毕业设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行阀体各个部分的进行了原理的疏通、结构的设计和尺寸的确定等；在毕业设计后期，主要进行设计手稿的电子排版整理，并得到老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢。

毕业设计的两个月里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、论文撰写以及外文的翻译，使我加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解，巩固了专业知识，提高了综合分析、解决问题的能力。

在绘图时熟练掌握了CAXA、CAD等制图软件，以及多种结构设计软件。

以下所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。

由于自己水平有限，难免有不妥和疏漏之处，敬请各位老师批评指正。

1绪论

1.1毕设的目的和意义

毕业设计是对大学期间所学知识的一次总的检验和巩固，是一次很好的理论联系实际的锻炼，是大学教学的重要实践性环节，相比以前的几次课程设计，毕业设计对所学基础知识和专业知识的涉及面更加广泛，是知识与实践的有机结合，也是对四年大学生活和学习的一个总结。

做好本次毕业设计可以为以后的工作打下坚实的基础和积累丰富的经验因此本次毕业设计具有很重要的意义。

1、毕业设计的目的

通过本次毕业设计，使达到以下几个效果：

（1）巩固、扩大、深化学生以前所学的基础和专业知识；

（2）培养学生综合分析、理论联系实际的能力；

（3）培养学生调查研究、正确熟练运用国家标准、规范、手册等工具书的能力；

（4）锻炼进行设计计算、数据处理、编写技术文件、绘图等独立工作能力。

总之，通过毕业设计使学生建立正确的设计思想，初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而使学生受到一次工程师的基本训练。

2、毕业设计的主要内容和要求

本次毕业设计的题目是比较新型的题目，但又同液压缸的工作原理很像，因此本次设计主要是依据液压缸来设计的。

具体设计内容和要求如下：

（1）调查和查阅现在煤矿的防治突水的方法，收集并分析各种防治措施的先进技术、发展趋势以及有关的科技动向；

（2）查阅资料并进行本毕业设计的原理分析；

（3）进行总装配图的设计和计算；

（4）进行零部件的设计和计算；

（5）编制设计技术说明书一份和图纸若干。

3、本次毕业设计的程序和时间安排

毕业设计是实践性的教学环节，由于时间的限制，本次毕业设计不可能按工厂的设计程序来进行，具体的说，可以分以下几个阶段：

（1）实习阶段，通过毕业实习实地调查、研究、收集有关资料，掌握数控电火花线切割加工技术，了解机床的结构、工作原理和设计的基本要求，花两周时间；

（2）制定方案、总体设计阶段，花两周时间；

（3）计算和技术设计阶段，绘制图纸，整理设计说明书，花三周时间；

（4）答辩阶段，自述设计内容，回答问题。

最后，由于专业知识的有限,实际生产经验不足,所以在设计中难免出现了错误与不足。

1.2选题背景及意义

中国大部分矿区复杂的水文地质和构造地质中比较严重的突水事故，在煤矿的生产中，突水是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故。

而我国煤矿突水灾害的基本特点是：

分布广、发生频次高、破坏损失严重。

据初步调查统计，全国统配煤矿的624对矿井中，有272对矿井受水灾威胁。

突水灾害广泛发生在十几个省（市、自治区）的70多个煤矿。

1955～2000年，全国煤矿发生较严重的突水灾害约1500次，造成淹井事故260多次，至少造成4600多人死亡，减少出煤约1．8亿t。

而且还早成了很多的人员伤亡，严重的突水灾害，除造成人员伤亡和经济损失外，还破坏矿区地下水、地表系统，甚至引起地面塌陷，影响矿区及周围生态坏境，因此要高度重视突水的防治。

导致我国煤矿突水事故的原因非常复杂，除自然条件、管理水平比较低外，还有与生产技术和防治能力比较差有密切的关系。

此题目的设计就是针对这一现状，充分利用地下含水层的压力，然后利用本身水压力将突水排到地面，因此此自排系统可在一定程度减少煤矿的开采成本。

而主要部件之一的换向阀也是很重要的一部分。

1.3井下防治突水事故的技术现状

目前国内防治突水的技术措施主要有以下几种：

1、地面防水，包括修筑防洪沟、河流改道或河流防渗、封填老窿井口。

2、井下防水治水，包括采掘前钻孔探水、阻断水路隔绝水源（主要采用水闸门阻绝水源、采用水闸墙阻断水源、采用注浆堵水、采用封闭水泵房）。

3、预先排水、疏干降压，包括地面钻孔疏干降压、井下钻孔疏干降压、利用巷道疏干。

限于技术条件，目前还无法辨识突水前兆信息进而进行预警；因此，预先排水、疏干降压仍是矿井防治水灾害的主要方法。

目前排水设备以离心泵和潜水泵为主，但用泵排水耗电量大，成本很高，且需专人值班，手动起、停设备，安全性较差。

而在预先排水中利用水泵排水又占有主导地位。

现在的水泵排水技术已有很大的进步，如在国外潜水泵的扬程可达35—1000m，排水量达126—5000m3/h。

值得称道的是，国外矿井疏干工作正在逐渐采用计算机自动控制，这使疏干技术的水平大大提高了一步。

但是，由于矿井排水成本越来越高，更进一步加剧了能源紧张问题。

另一方面，矿井排水一直以来都是煤矿用电的大户。

据统计，在我国的煤炭行业中，矿井排水用电量占原煤生产总耗电量的18%—41%，一般为20%左右。

如永荣矿务局1996年矿井原煤生产用电共5230万KWh，其中主排水泵用电986万KWh，占矿井原煤生产用电的18.85%。

又如华丰煤矿属大水矿井，矿井正常涌水量13m3／min。

排水电耗居高不下，2006年矿井全年生产实耗电量4264．7124万kwh，其中排水耗电量为2200万kWh，占总耗电量的45％，吨煤排水电费7．5元左右，年排水电费1000万元以上。

在我国的煤矿生产中，排水装置的运行效率很低。

因此，探讨矿井新的排水技术，对于节约能源用电，节约煤矿开采成本具有重大的意义。

1.4矿井承压水形成的原因

矿井水源分为地面水和地下水：

（1）地面水引起的矿井水灾。

矿井附近有江河、湖泊、池塘、水库、沟渠等积水，以及季节性雨水时，当水位暴涨，超过矿井井口标高而涌入井下，或由裂隙、断层或塌陷区渗入井下造成水灾，这种水源叫地表水。

受这种水危害的情况，一般有以下几种：

1）位于低洼地带的矿井，由地表水冲破矿井周围围堤而流入井口，或由于歼石山、炉灰等推积位置选择不当，被洪水或雨水长年冲刷到附近的江河当中，使河床增高或造成河水超过堤或拦洪坝直接进入井口。

这种地表水来势凶猛，而且伴随许多泥沙、砾石。

如防备不当，常造成淹井事故；

2）地表水与松软的沙砾岩层相通，当井筒掘进穿透冲积层含水层时，地表水将顺着砂砾岩层的裂隙涌入井下造成淹井；

3）地表水与煤层顶底板的含水层相连通或由断层沟通，地表水通过含水层或断层进入井巷，致使发生水灾事故；

4）煤层采掘以后，冒落带一旦进入老窑或与地表水系沟通，也会发生地表水涌入矿井，造成水灾事故。

（2）地下水引起的矿井水灾。

地下水包括地下含水层水、溶洞、断层水、老空水等。

地下水造成水灾的情况，一般有以下几种：

1）地下的砾岩层，流沙层和具有岩溶的石灰岩层，都含有大量积水，称为含水层。

当采掘工作接近或穿透这种积水区时，就会造成透水事故；

2）断层及其附近的岩层均比较破碎，在这种破碎带内有时含水或与地表水、含水层沟通，掘进时，碰到这种情况容易造成突水事故。

3）已采掘的旧巷及空洞内，常有大量积水，称为老空水。

老空水常为矿井水灾事故的主要原因。

老空水特点是水压大，一旦掘透，来势凶猛，具有很大破坏性。

1.5排水装置的发展方向

虽然预先排水中利用水泵排水现在占有主导地位，而且水泵排水技术已有很大的进步，但是水泵在井下并不能像我们想象的那样完美，它耗能大、有污染，而且在井下复杂的情况下需要电力的支持才能正常的工作，并不能很好的与现在所提倡的绿色环保的理念完美的结合，这就需要一个更好的方法去完成井下承压水的排放，也就揭示了未来井下排水系统应该努力的方向。

本系统就提供了一个很好的方向，此次设计的承压水自排系统就是在这个基础上构思的，它与现在煤矿所用的排水泵有着很大的区别。

它不是利用电能带动水泵将地下含水层排出水面，而是利用地下含水层本身的压力经自排泵工作后自行排出水面。

它的工作原理类似于液压缸的工作原理。

据初步计算自排泵排出的突水可占总突水总量的2/3左右，因此这对煤矿用电量的减少也是十分可观的。

我想这是未来这方面发展的重要方向之一。

1.6换向阀在装置中的应用

所谓的换向阀是为了改变活塞的运动方向的，使活塞能自行的往返运动。

此换向装置既不采用利用油泵控制油压来实现换向，也不采用电磁结构实现换向，而是利用自排泵活塞杆自身的动力来实现换向的。

因此此换向装置的设计对节省能源，节约成本有着重要的意义,这也是此自排水系统的亮点之一，巧妙的把承压水的压力转化为自身换向的动力，在节能方面起到了很大的作用。

2基本原理简述

2.1矿井承压水自排水系统的工作原理

矿井承压水自排系统总体图如图2-1所示：

图2-1矿井承压水自排系统总体图

由图可知，矿井承压水自排系统的工作原理如下：

本设计的矿井承压水自排系统的工作原理为：

打开总开关26，矿井承压水通过低压水管22及其上的第一单向阀18、第二单向阀19进入左缸体1和右缸体2，然后打开工作开关25，矿压水通过低压水管22、换向阀套13上的进水口8并经换向阀套13上的进出水口9、水管23进入环形空腔4，推动增压装置活动块3往右运动，使环形空腔5内的水经水管24、换向阀套13上的进出水口10和排水口12流入水仓；增压装置活动块3向右运动使右缸体2里面的水压力升高，迫使第二单向阀19关闭、第四单向阀21打开，高压水经过第四单向阀21流入高压水管道27，再经高压水管道27送到地面。

同时第一单向阀18处于打开状态，第三单向阀20处于关闭状态。

增压装置活动块3运动到右端，其端部的凹槽推动右液压油油缸的小柱塞7向右运动，通过右输油管17使换向阀套13右端压力升高，由右蓄能器16蓄能，达到一定压力后，换向阀芯14克服限位钢球的阻力向左移动，实现换向。

矿井承压水经过换向阀套13上的进水口8和进出水口10、水管24进入环形空腔5，压力推动增压装置活动块3往左运动，环形空腔4内的水经换向阀套13上的水管23、进出水口9、排水口11流入水仓；增压装置活动块3向左运动使左缸体1里面的水压力升高，第一单向阀18关闭，第三单向阀20打开，高压水经过第三单向阀20流入高压水管道27，再经高压水管道27送到地面。

同时，第二单向阀19处于打开状态，第四单向阀21处于关闭状态。

增压装置活动块3运动到左端，推动左液压油油缸的小柱塞6向左运动使换向阀套13左端压力升高，由左蓄能器15蓄能，达到一定压力后，换向阀套13里的换向阀芯14向右移动，实现换向。

工作过程如此反复，达到不间断自动排水作业。

2.2二位四通自动换向阀的工作原理

2.2.1二位四通换向阀基本结构简图

二位四通换向阀基本结构简图如图2-2所示：

1-蓄能器，2-换向阀，3-油路管道，4-水路管道

图中①、②、③、④、⑤分别为换向阀的五个进出水口

图2-2换向阀

2.2.2二位四通换向阀的基本工作原理

此换向阀为三位四通阀，在阀体上还设计有一个钢球、两个钢球槽和密封圈，如图2-1所示当活塞杆5运动到与小活塞杆3接触时，小活塞杆就会向左运动迫使小液压缸缸腔内的油液压力增加，如图2-2所示由于缸腔内的油液压力的增加，油路管道中压力在一定的时间内储存到蓄能器中，当压力增加到足够克服钢球对换向阀阀体的阻力时，就会推动换向阀的阀体向右运动，使阀体堵住出口①、④、⑤，而使②出口与进口相通，从而使水经水路管道进入自排泵的缸筒内推动活塞向相反的方向运动，实现换向作用。

2.2.3换向阀的种类

换向阀的操纵方式有机动换向、电磁换向、液动换向、电液换向、电液手动换向、手动换向等。

1、机动换向阀有称行程换向阀，它依靠安装在运动部件上的挡块或凸轮来迫使阀芯移动，从而控制油液的流动方向，实现换向。

2、电磁换向阀简称电磁阀，它利用电磁铁的吸力控制阀芯动作。

3、液动换向阀是利用控制油路的压力油推动阀芯实现换向，由于控制压力可以较高，因此它可以制成流量较大的换向阀。

4、电液换向阀是由电磁滑阀和液动滑阀组合而成。

电磁换向阀起先导作用，它可以改变控制液流的方向，从而改变液动滑阀阀芯的位置。

由于矿压水自排系统中可以提供不同压力的承压水来控制换向阀中的压力油的压力方便换向，故换向阀选用液动两位四通换向阀。

3承压水自排系统的简要设计

3.1增压装置的简要设计

增压装置主要由端部缸筒、中间缸筒、端盖、活塞杆、活塞、和隔离装置组成。

3.1.1活塞杆的简要设计

材料

活塞杆采用的材料为45钢。

活塞杆的尺寸

由于此自排泵的内径较大，考虑为减轻自排泵的重量，故选择活塞杆为空心结构，其端盖结构则采用焊接的方式连接，在其端盖处开槽用于推动换向装置。

参考液压缸活塞杆的选择依据，自定活塞杆的内径d=280mm。

其结构简图如图3-1所示：

1-活塞杆端盖，2-活塞杆；

图3-1活塞杆结构图

对于活塞杆端盖的焊缝采用V形焊缝，一般焊接即可满足要求。

3.1.2缸筒活塞的简要设计

活塞材料的选取

活塞材料的选择要考虑其耐磨性所以选择灰铸铁（HT500—7）,并且不与缸筒的材料一样，其力学性能主要数据如表3-1所示：

表3-1灰铸铁的力学性能

类别

牌号

屈服强度

（MPa）

抗拉强度

（MPa）

硬度

HBS

灰铸铁

HT500-7

320

500

170-230

活塞的结构及尺寸

活塞的结构形式有整体式和分体式两类，此活塞装置选择分体式活塞。

活塞的宽度一般有密封件、导向环（支撑环）的安装沟槽尺寸来决定。

活塞密封件的选择：

在液压系统及其元件中，设计、安装密封件的作用，在于防止工作介质的泄露及外界尘埃和异物的浸入。

在液压元件中，对液压缸的密封要求是比较高的，液压缸中不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围广，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装卸，能随压力的升高而提高密封能力和利于自补偿损失。

3.1.3活塞与活塞杆连接结构型式

活塞与活塞杆之间的连接型式有很多种，但所有的连接结构型式均需有锁紧装置，以防止活塞在作往返运动时有松动。

在这里活塞与活塞杆的连接选用螺钉连接，其主要特点是加工、装拆方便，也是最常用的联接方式。

其结构图如图3-2所示：

1-Y形密封圈，2-支承环，3-缸筒壁厚，4-O形密封圈，5-活塞本体，6-活塞杆壁厚

图3-2活塞与活塞杆连接形式

3.1.4隔离装置的简要设计

隔离装置在两缸筒之间，其两缸筒之间的的连接也采用螺栓连接，在两缸筒之间还采用了一个隔离圈，它的主要作用是隔离两缸筒筒腔和对活塞杆的导向作用，其结构如图3-3所示：

1-Ⅱ缸筒，2-Ⅰ缸筒，3-螺栓，4-隔离圈，5-活塞杆，6-O形密封圈，7-Y形密封圈

图3-3隔离装置

隔离圈所用的密封圈为Y形密封圈和O形密封圈

3.2缓冲装置的简要设计

自排泵的行程终端缓冲装置可使带着负载的活塞在到达行程终端是减速到零，目的是消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞杆与端盖之间的机械撞击，同时也为了降低活塞在改变运动方向是液体发出的噪声。

一般缓冲装置的工作原理，是当活塞杆在到达行程终端之前的一定距离内，设法把液体腔内之液体的一部分或全部封闭起来，使其通过缝隙排出，从而使被封闭的液体产生适当的缓冲压力作用在活塞杆上，与活塞杆的惯性力相对抗，以达到减速制动的目的。

而此系统的缓冲装置则是在缸筒的端盖部位安装一个小液压缸装置来实现缓冲的。

1-小端盖，2-缸筒缸盖，3-小活塞杆，4-管路，5-活塞杆，6-进、出水口

图3-4缓冲装置

如图3-4所示，此缓冲装置是利用小液压缸中的小活塞杆对活塞杆的反作用力来实现的，3所处的小液压缸腔内充有一定的压力油，图中起缓冲作用是当活塞杆5与3小活塞杆接触时，3对5的反作用力，从而使活塞杆的速度从一定的速度减到为0m/s。

此时小活塞杆由于受力而向左移动使3所处的小液压缸腔内压力升高，为下面的换向工作提供动力。

3.2.1小液压缸的设计

此自排泵的换向动力都是有小液压缸提供，因此液压缸的设计也十分重要。

如图3-5所示为小液压缸的设计结构简图。

1-小活塞杆，2-缸筒，3-油口，4-螺钉孔，5-密封圈

图3-5小液压缸的结构图

3.2.2油管的选择

在设计和选用管系元件时，应保证由足够的强度、连接可靠、密封性能好、压力损失小及拆装方便等。

液压系统常用的油管有钢管、紫铜管、橡胶软管、尼龙管及塑料管等。

中高压系统多采用无缝钢管，黄铜管可承受较高的压力（p≤25MPa），中低压系统可采用焊接钢管（p≤1.6MPa）或紫铜管（p≤6.5~10MPa）.液压系统常用的管道有钢管、铜管、胶管、尼龙管及塑料管等。

它们可以承受的油液压力范围，如表3-2所示：

表3-2常用材料的承油压力

材料

铜管

尼龙管

塑料管

橡胶软管

有缝钢管

无缝钢管

压力（

）

≤5

高达8

≤0.5

≤1.5

≤1.6

中高压

液压系统工作时的最高压力为6MPa左右。

故本设计中液压系统的管道选用10号冷拔无缝钢管。

这种钢管耐高压，变形小，耐油、抗腐蚀，可焊性好，虽然装配时不易弯曲，但装配后能长期保持原形。

并且需要根据手册选择管子的弯曲半径。

根据系统的正常工作压力本设计液压系统的油管选用无缝钢管。

4二位四通换向阀的设计

二位四通换向阀的结构简图如图4-1所示：

1—端盖2—阀体3—右密封垫4—陶瓷右阀片5—陶瓷左阀片6—左密封垫7—推力轴承

8—密封垫9—挡销10—换向轴11—左壳体12—密封圈13—拨叉14—盖板15—螺母

16—螺钉17—定位套18—螺栓19—螺栓20—承压水常进水管接头21—承压水出水管接头

图4-1换向装置总体图

如图4-1所示：

换向阀的结构包括阀体2、与阀体2一端可拆卸连接的端盖1、与阀体2另一端可拆卸连接的左壳体11、与左壳体11可拆卸连接的盖板14，阀体2内设有阀芯，所述阀芯包括通过右密封垫3与端盖1固定连接的陶瓷右阀片4、与陶瓷右阀片4端面转动配合的陶瓷左阀片5，陶瓷左阀片5通过换向轴10和拨叉13与自动换向增压装置传动连接；而自动换向增压装置由于进出油管压力大小的变换而左右运动，从而代替拨叉和阀片正反的转动，实现不同孔径的流通。

二位四通换向阀的设计主要包括两个部分：

转向装置的设计和二位四通增压换向装置的设计，现在此分开设计。

5二位四通自动