矿用自动风门设计.doc

矿用自动风门设计1第1章 绪论21.1 矿井用风门的现状21.1.1 国内矿井风门的发展现状21.1.2通风系统概述31.2 本次设计的内容41.3 矿用自动风门系统的组成及工作原理41.3.1全自动远程风门控制系统的组成41.3.2全自动风门工作原理7第2章 矿用自动风门的门体及传动系统设计82.1 门体设计82.2 传动系统的设计102.2.1 驱动系统的设计计算102.2.2. 电动机的选型112.2.3. 减速机的选择122.2.4. 手摇机构的设计132.2.5.联轴器的选用142.3传动系统的设计计算15第3章 矿用自动风门控制柜的设计173.1 控制柜的主要功能和技术参数173.1.1 性能要求173.2 矿井隔爆概述173.2.1 耐爆性183.2.2 隔爆性193.2.3 外壳的强度203.2.4 法兰面强度203.2.5 表面温度213.2.6 耐湿热性能213.3 隔爆设备的隔爆原理213.3.1 间隙的熄火作用223.4 隔爆设备的参数选择依据223.4.1 隔爆的结构类型22第4章 自动风门的控制系统设计254.1 控制系统设计思路254.1.1 控制系统的组成254.1.2 国外PC及其发展概况254.1.3 国内PC及其发展概况274.1.4 PLC采用典型的计算机结构284.2 控制系统的工作过程及流程图314.2.1 控制系统的工作过程314.2.2 检测及控制系统框图324.2.3 控制系统工作流程图33第5章全自动风门控制系统的优点34参考文献35矿用自动风门设计第1章 绪论1.1 矿井用风门的现状1.1.1 国内矿井风门的发展现状煤炭是我国重要的能源资源，我国的煤炭工业长期停留在人工开采水平，生产效率低，安全隐患多，如瓦斯爆炸、地下渗水等事故经常发生。随着计算机通讯技术在各行各业的应用逐步普及，煤炭生产水平目前已逐步实现了自动化，矿井安全数字化，生产效率大大提高。 但是井下巷道纵横交错、相互贯通，为了保证风流沿着设计的方向流动，需在两联络巷中设置风门设施对风流进行控制，若风门设施出现问题，就会出现漏风和风流短路、紊乱及有害气体涌出等现象，而导致通风系统失控，诱发重大灾害事故发生。因此，风门设施在通风系统中起着重要作用，务必安全可靠。我国早期大多数煤矿使用木质单扇风门，后一些煤矿使用铁门，都为人力启闭，但由于井下负压大，造成开启风门时阻力大，关门时动量大，通过风门行人、行车困难，风门关闭速度快，易出现风门碰车碰人事故；风门闭锁不可靠，给通风系统造成极大隐患；风门自动化程度低，司机要下车开门及关闭风门，劳动强度大，运输效率低。针对诸多问题，我们在吸取众多矿用风门之优缺点后，研制成功了智能型全自动平衡风门，并利用远程监控系统，地面或中心监控人员可以直接对井下风门情况进行实时监控，不仅能直观地监视和记录井下风门工作现场的安全生产情况，并能通过在井下安装的传感器，可及时地观察风门的开闭情况，及时发现事故苗头，工作人员在井上监控室随时关闭和开启风门，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料，为将来的安全生产提供可靠的保证。因此，研发出全自动风门控制装置及全矿井风门远程视频监控系统，它是现代化矿井安全生产监控系统的重要组成部分。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1.52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56%的混和气体和温度为摄氏650750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 本次设计的内容本次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 * GB2 门体系统（包括门体、上下轨道、导向轮及张紧装置等）= 2 * GB2 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5600mm X 3200mm；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. A B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全自动远程风门控制系统的组成 矿用全自动智能风门控制装置及配套的远程控制系统是我公司自主设计的新一代全自动智能型风门系统。系统采用智能化、控制功能超强的日本产PLC控制器，先进的行人车辆位置检测、中文语音提示、红绿灯信号指示及电子闭锁控制技术，配置我公司生产的平衡式透视无压风门，有效防止因风流短路对煤矿安全生产带来的危害，实现了风门的自动启动、关闭，减小了操作人员的强度，矿用自动风门远程监控系统由地面部分和井下部分组成：地面监控部分包含：风门监控主机（光端机、信息传输接口等），上位机监控软件， 控制软件。井下监控部分包含：矿用隔爆兼本安型可编程控制器（PLC、光端机、信息传输接口、远程数据传输器等），隔爆型摄像头，矿用隔爆兼本安型自动风门电控装置，矿用本安型声光报警器，矿用本安型红外传感器，矿用本安型磁控传感器，矿用本安型电磁锁，电液执行机构系统。 图1.为风门远程监控系统控制图，图2.为风门控制系统流程图。图1图21.3.2全自动风门工作原理装置组成如图3所示，自动风门控制装置安装在需要进行风量控制的巷道中，装置有两个风门A、B, A风门装有：红外光电停车线TA1，红外光电停车线TA2，红外光电警戒线JA1, 红外光电警戒线JA2, 触控传感器AK1, 触控传感器AK2,开门传感器KM1,关门传感器KM2, 声光报警箱SA1, 声光报警箱SA2,电磁锁DS1, 电液执行机构A。B风门装有：红外光电停车线TB1，红外光电停车线TB2，红外光电警戒线JB1, 红外光电警戒线JB2, 触控传感器AK3, 触控传感器AK4,开门传感器KM3,关门传感器KM4, 声光报警箱SB1, 声光报警箱SB2,电磁锁DS2，电液执行机构B。工作时风门A、B处于关闭状态，当机车、人员需要通过巷道中风门A时，停（遮挡）在红外光电停车线TA1，电控器检测到车、人通过信号后，首先关闭电磁锁DS2,使B门闭锁，同时控制报警箱SB1、SB2点亮红灯，禁止B门通行，以及声音报警“前方风门已开，请耐心等待”，然后控制风门A电液执行机构自动打开风门，检测到开门传感器KM1信号后，停止打开动作，人、车进入风门A，同时控制报警箱SA1、SA2点亮绿灯，以及声音报警“风门已开，快速通过，注意安全”， 当机车、人员通过风门A，停（遮挡）在红外光电停车线TA2，电控器检测到车、人通过信号后，自动控制关闭风门A，等待风门A可靠关闭，即检测到关门传感器KM2信号后，停止关闭动作, 报警箱SA1、SA2点亮黄灯，打开电磁锁DS2,A风门和B风门进入待机状态；当机车、人行到B风门时，过程同前。反向通过时控制过程同样进行控制，以保证同一时间内最少有一个风门处于关闭状态。手动操作情况下，人、矿车需要通过风门时，从A门进入，将按AK1触控传感器（开），A门自动打开，开门到位后，自动停止位置，通过风门A后，通过操作AK2触控传感器（关），关闭风门,到位后，自动停止，如不按AK2,延迟一段时间后，自动关门。到达风门B后，按动AK3（开），B门自动打开，开门到位后，自动停止，按动AK4（关），关闭风门B，到位后自动停止位置，如不按AK4（关），延迟一段时间自动关闭。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21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25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/s2.3.2. 电动机的选型电动机选择时应综合考虑的问题。= 1 * GB2 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 * GB2 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 * GB2 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 * GB2 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 * GB2 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AA/2BCDEFGHKMN132M2216108178893880103313212265230表2-2 YBK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(Cos)转动惯量(Kgm2)YBK132M-649.4960840.770.203型号噪声Db(A)外形尺寸长x宽x高(mm)重量(Kg)YBK132M-671550x380x47090+2.3.3. 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4045，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1609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2.3.4. 手摇机构的设计= 1 * GB2 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 * GB2 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：200mm2.3.5.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 * GB2 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 * GB2 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 * GB2 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 * GB2 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=KTTn式中 T理论转矩 Nm； Tn额定转矩 Nm，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2.4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;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：660V2. 额定频率：50HZ3. 控制总功率： 4KW4. 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 * Arabic 1.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8.38.5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34毫米，铸铁的应为6毫米。图3-1爆炸压力与间隙的关系= 2 * Arabic 2.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C0.05； 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。至于油中分解出的氢、乙炔与空气混和物，所产生的爆炸压力比甲烷爆炸压力略高一些。3.多空腔的过压现象。当瓦斯起始压力为1大气压时，如果发生爆炸，产生8大气压；若起始压力为2大气压，则爆炸压力将是原来爆炸压力的2倍，为16大气压，所以爆炸压力与起始压力成正比。 防爆电气设备，往往有两个或两个以上的空腔所组成，如磁力起动器及其接线盒、电动机定子与端盖间两端空腔等，其中用连通孔贯通。当某一空腔里的瓦斯发生爆炸时，会使另一空腔的气体压缩，而使压力增高，如果此空腔再发生爆炸时，由于压力的叠加关系而出现过压现象。对于较多空腔组成的防爆电气设备，则在其最后一个空腔内，由于过压现象而产生较大的破坏性，造成空腔的损坏，失去其隔爆性能。 如果空腔A内瓦斯发生爆炸，压力波以声速通过连通孔涌向B空腔，使其中瓦斯气体压缩，压力可能增高至34大气压，而甲烷爆炸的火焰速度一般为34厘米/秒，远比声速小，所以当B空腔再次发生爆炸时，则爆炸压力为本身初压时爆炸压力的34倍，甚至可达40大气压，这是极其危险的。在细而长的管道中过压现象更为严重。 根据试验，其过压的大小与两空腔的净容积之比和连通孔的断面积大小有关，一般两空腔净容积相差很大。为了克服过压现象，我们设计隔爆外壳时，其空腔间净容积之差别尽量缩小，一般应小于4：1。另外连通孔截面积应大于750平方毫米，一般要求越大越好。连通孔是指隔爆外壳内放置电气设备的空腔之间通道或接线空腔之间通道，而不是指外壳与接线盒之间的通道，因为接线盒要作成独立的隔爆空腔，不允许有不隔爆的连通孔，且其净容积与外壳净容积之差也应尽量缩小。3.2.2 隔爆性 外壳的隔爆性，又称不传爆性。它是隔爆型电气设备的另一个重要因素。所谓隔爆型就是要求外壳各个部件的连接要符合一定的隔爆构造参数，而使其在下列情况下不能点燃周围爆炸性介质： 当电气过载或短路，引起壳内的油或有机绝缘物分解生成的可燃性气体爆炸，其火焰传出外壳时。由于隔爆构造参数对弧光短路目前还无法达到隔爆要求，因此只能在电气方面加强绝缘，保证质量，或采用迷宫式结构。如电缆用电子管式的保护方法来达到防爆目的或严格控制瓦斯的浓度。 这些都是外壳内可能出现的最危险情况，如果把它限制在外壳内部，不让它波及到壳外，或者虽然冲出了火焰和灼热的金属颗粒，但已被冷却，就能有效地防止周围的瓦斯爆炸。 隔爆外壳的隔爆性，一般只能用试验得出，理论上是比较复杂的。 所谓不传爆性，就是甲烷空气混合物在外壳内部爆炸时，向外喷出的火焰，不会引起壳外可燃性气体的爆炸。它是由外壳的结构，即通过外壳装配结合面的宽度、间隙和表面加工光洁度来实现的。这种结合面可以是法兰盘对口式，也可以是圆筒式，或活动式的装配。隔爆电气设备不仅要有耐爆性和防爆性，而且还要有与其他矿用设备不同的特殊基本要求。如对外壳材质强度的要求以及进行水压试验都是为了达到耐爆性，而它的特殊结构及其参数乃是为了保证隔爆的可靠性。如电缆接线盒必须作成独立的隔爆空腔，因为它是一个薄弱环节，与主空腔有所不同，在设计制造和修理时应加以考虑。更主要的是为了消除和减少外壳内部不必要的电气火花产生，对空气间隙和漏电路以及电气和机械闭锁都有与其它矿用电气设备不同的技术要求。从而达到隔爆安全的目的。隔爆型电气设备主要是由隔爆外壳和法兰面所组成，在瓦斯爆炸的情况下，外壳内部和法兰面要受到危险的压力和温度的冲击作用，为了安全，它应有足够的机械强度来保证外壳的耐爆性和法兰面的隔爆性，一般情况下，它是用钢板铸钢或抗拉强度和韧性较高的铸铁制成。3.2.3 外壳的强度1. 钢板焊接的外壳：对于净容积大于2升、易移动的、且有可能受外力冲击的隔爆外壳均应采用A3的低碳钢板焊接而成，它的极限厚度是根据外壳的形状及净容积的大小，通过力学分析和试验来确定的，一般不得低于34毫米。焊条也应采用低碳钢的，焊后要进行回火处理，以消除焊接产生的内应力。2.铸钢外壳：在容易受到外力冲击的采掘机械设备上，如截煤机、联合采煤机、装岩机等设备上的隔爆型电气设备的外壳一般采用铸钢制成，其材质也是选用低碳钢的，因为铸钢强度比钢板低，所以外壳的厚度要比钢板制成的大的多，其极限厚度不应小于6毫米才有足够的机械强度，但它还是要由外壳的机械形状及净容积的大小来决定的。3. 铸铁外壳：对于净容积小于2升且不易受到外力冲击的隔爆外壳，可用高强度的孕育铸铁制成，其抗拉强度应大于28千克/平方毫米的HT28-48的孕育铸铁。对于特别不易受到外力冲击的设备，其外壳可采用抗拉强度不小于15千克/平方毫米的铸铁制成，如固定安装在井底车场、中央变电所、中央水泵房等类似场所使用的电气设备外壳。外壳的厚度最低不小于6毫米。 4.铝合金外壳：手持式或支架式电钻及附属插销、携带式仪器的外壳，必须用非磁性材料制成的电气设备的外壳，可用抗拉强度不小于12千克/平方毫米的铝合金制成，但它不应含有镁的成分。3.2.4 法兰面强度外壳的类型是由法兰面的结构加以区分的，它的强度也直接关系到外壳的隔爆性，因为外壳内部瓦斯爆炸的高压高温火焰要迅速的通过法兰结合间隙喷向壳外，同时受到高压和高温的作用，使外壳和法兰要变形，从而改变了法兰结合面的间隙，这对外壳的隔爆性是极其危险的，为了克服间隙可能增大的现象，一定要增加法兰面的强度，一般它是由机械结构和材料强度来保证的，尤其是法兰面的厚度应选大些，以免爆炸后的变形。但法兰的厚度不是一个孤立的数，而是与外壳空腔的净容积外壳形状尤其是法兰的形状，以及结合方式有关。如电力装岩机操作箱是长方的隔爆法兰结合面，就应厚些，它是用螺钉连接结合面的，因此要考虑螺钉的大小螺距尺寸以及螺钉锥入深度，同时法兰面材质也是一个因素。这些不仅要通过力学分析，选择一个适当的安全系数（通常为2.5倍左右），这要经过多次试验和反复实践，才能获得一个适用于一定外壳结构的法兰面厚度。3.2.5 表面温度矿用电气设备表面可能堆积尘粉，其允许最高表面温度为150；采取措施防止堆积时，则为450。限制电气设备的表面温度是为了保证设备运行中不致出现能够点燃周围可燃性混合物的危险温度，防爆电气设备的表面温度允许值取决于周围环境中的爆炸性混合物的自燃温度。井下的爆炸性气体主要是甲烷，它的温度组别为T1，允许电气设备表面的最高温度为450，但井下电气设备的表面易堆积煤粉岩粒等物。当煤粉堆积到一定厚度，设备表面温度超过200时很易发生自燃。所以，对表面可能堆积粉尘的电气设备，在留有20%的裕量后，规定起最高表面温度为150。3.2.6 耐湿热性能绝大多数矿井井下环境的温度在2030之间，最高温度可达32.8；相对湿度在92%98%之间，最高相对湿度可达凝露点。矿用电气设备使用的场所大体上等于或劣于湿热环境。为了保证防爆电气设备在井下环境中长期使用，它们必须具有耐湿热性能。3.3 隔爆设备的隔爆原理所谓隔爆，就是当电气设备外壳内部发生爆炸时，火焰经各接合面喷出，而不使外面的爆炸性混合物爆炸。隔爆的间隙隔爆机理与金属网对火焰的熄灭作用相仿。法兰间隙能起隔爆作用的机理现仍有两种观点：一种观点认为隔爆是由于法兰间隙的熄火作用；另一种观点认为隔爆是由于法兰间隙的熄火作用和法兰间隙对爆炸产物的冷却共同作用的结果。从一些试验来看，后一种观点的理由更充分些。3.3.1 间隙的熄火作用爆炸性气体混合物火焰在狭小间隙中熄灭的理论是建立在管道中火焰传播界限的实验研究基础上的。对于不同的爆炸性气体混合物，都有一个对应的临界熄火直径值dk。当管子的直径超过临界值时，这种爆炸性气体混合物的火焰即可沿着这个管道传播，否则火焰熄灭。3.3.2 间隙的冷却作用 当接合面间隙小于临界间隙时，壳内的爆炸火焰经过间隙即被熄灭，但是如果传出间隙的爆炸产物的温度达到引燃爆炸性气体混合物所需要的高温时，仍然能够引起外壳周围的爆炸性气体混合物爆炸。例如一氧化氮的临界熄火直径是15mm，试验容器的间隙为0.8mm，当容器内的一氧化氮爆炸时，其火焰不可能穿过0.8mm的间隙，但它却使容器外的沼气-空气混合物引爆。这说明，间隙对爆炸产物的冷却作用与外壳的隔爆性能有直接的关系。关于隔爆间隙的理论目前还不完善，从理论上得到的数据与实际试验得到的还有些差异。因此目前生产的隔爆型电气设备所采用的结构参数仍然是以试验得到的数据为依据。最大试验安全间隙是制定隔爆外壳中隔爆结合面安全间隙的基础，明了其影响因素对隔爆外壳的安全使用尤为重要。影响最大试验安全间隙的主要因素有：隔爆法兰的长度和爆炸性气体混合物的浓度等。此外爆炸性气体混合物的初始压力、初始温度和试验外壳的容积对最大试验安全间隙也有影响。需要说明的是，隔爆接合面加工的粗糙度，对于隔爆性能的影响不大。3.4 隔爆设备的参数选择依据3.4.1 隔爆的结构类型隔爆外壳是由外壳和结合面组成，并由后者来区分隔爆外壳的结构类型。1.静止结合面：它是用螺钉或其他方法将外壳的隔爆接合面固定住或在隔爆型电气设备运行状态下不动的接合面称为静止结合面。它又可分为以下几种：= 1 * GB2 平面对口结合面：主要是螺钉固定的法兰盘式结构。如电力装岩机隔爆操纵箱与箱盖；低压防爆开关的接线箱与箱盖；防爆电动机的接线盒和中间隔板以及机座平面的装配等都属于平面对口接合面。= 2 * GB2 转盖式或插盖式接合面：此种结构是采用转盖止口式配合。结构简单、装卸方便、不同于其它结构类型、并有它的特殊要求，如低压防爆开关的外壳法兰面与壳盖的配合就是属于此类。= 3 * GB2 圆柱式接合面：适用于一切设备不动部分的圆柱形接合面。如防爆电动机的端盖与机座外壳止口接合部分，防爆控制器的基座与圆筒形外壳的配合等都属于此类。2.活动接合面：设备在运行状态下接合面是可以转动或移动的称为活动接合面。它可分为：= 1 * GB2 电动机轴与轴孔的隔爆接合面。= 2 * GB2 操纵杆与杆孔的隔爆接合面。= 3 * GB2 插销与插销套的隔爆接合面。以上三种统称为活动接合面。3.螺纹式接合面：为了增加隔爆接合面长度，在检修时不经常拆卸的部分才允许用此结构（但紧固螺钉不允许作成隔爆结构），如图3-1所示。图3-1螺纹隔爆结构采用螺纹隔爆结构时，必须保证同种零件间的互换性，还必须符合下列规定：= 1 * GB2 螺纹精度须不低于3级，螺距须不小于0.7毫米；= 2 * GB2 螺纹的最小啮合扣数、最小拧入深度，须符合表3-3的规定；= 3 * GB2 螺纹结构须有防止自行脱落的措施。4.迷宫式接合面：这种结构是为了增加隔爆接合面长度，使外壳内部瓦斯爆炸的高温生成物，通过迷宫式通道向外喷出时温度降低到安全点，如图3-2所示。图3-2迷宫式隔爆5.叠片隔爆结构：叠片应用耐腐蚀材料制成的通气部件组成并须有防止偶然机械损伤的措施。叠片小箱阻止火焰传播的作用和法兰隔爆作用大体上是一样的，可以使火焰在狭窄的缝隙处熄灭并得到冷却，从而消除点燃周围可燃性混合物的危险。这种隔爆结构多用在隔爆蓄电池箱上。它不仅能对沼气-空气混合物的爆炸起隔爆作用，对于箱内的氢起爆炸也能起到预防作用。这是因为氢气的爆炸下限是4.0%。在叠片箱中，蓄电池正常运行中产生的氢气可以通过叠片间间隙逸出，氢气要积聚到这个浓度是很困难的。另一方面氢气的最大实验安全间隙与氢气浓度的关系为U型曲线，4.0%氢气-空气混和物的最大实验安全间隙大于0.5毫米。所以，在氢气下限浓度发生爆炸时仍能保证实现隔爆。第4章 自动风门的控制系统设计4.1 控制系统设计思路4.1.1 控制系统的组成控制系统由PLC控制器，各种传感器，检测装置等组成。4.1.2 国外PC及其发展概况1. 国外PC产业发展概况PC自问世以来，经过20多年的发展，在美国、德国、日本等工业发达国家已形成为重要产业。据不完全统计，世界PC的总销售额，1987年为25亿美圆，1988年为31亿美美圆，比前意念增大24%。1989年为35亿美圆，比上一年增长16%。在一些工业发达国家，新的PC生产厂家不断涌现，品种几年翻一番，产量产值大幅度增长，价格普遍下降。以美国为例，1988年有70多个PC生产厂，共有300多个品种，与1983年的37个生产厂和100多个品种相比，六年厂家增加了一倍，品种增加了两倍。PC的销售额，1987年为10.2亿美圆，1988年为13.9亿美圆，增长了36.2%。美国在19821986年间，小型PC（I/O点128）每年降价30%左右，19891990两年，每年降低10%；中型PC（I/O点128896）每年降低10%13%；大型PC（I/O点896以上）每年降价10%。据美国控制工程杂志统计，1984年美国注册生产PC的厂家48家，其中著名的有AB(Allen Bradly)公司、 GM（General Electric）公司、西屋（Weaten House）电气公司等。据日本自动化杂志统计，1982年日本有40家工厂生产PC，其中著名的有三菱、日立、立石、夏普、安川、东芝、富士等公司。据德国工业电气电子杂志统计，1984年欧洲有60家厂家生产PC，其中著名的有德国西门子公司、BBC公司，AEG公司、法国TE公司等。当前，PC在国际时常上已经成为倍受欢迎的畅销产品。今后仍将维持增长势头，用PC设计自动控制系统已成为世界潮流。2国外PC应用概况在PC应用初期，即19701974年间，只有较大型的工厂有选择地使用PC，以代替继电器式顺控器，规模很小。进入实用化阶段，即19751980年，开始用于大型冶金，化工设备和组合机床生产线。PC的需求量急剧增加。特别是19771980年出现的小型低成本的通用PC可用于控制普通机械，如机床，搬运装备等，使用范围进一步扩大。到了80年代前期，PC迅速普及，除用于加工和装备线的控制外，还可控制高功能自动机械，如塑料成型机、食品包装机械、清扫机、游戏机等。1985年以后，随着FMS、FA和CIMS的发展，带有网络通信功能的PC，作为进一步的只能控制器，正式投入使用。从时常需求看，小型PC的需求量最多。例如日本1987年程序容量为1K字以下的小型PC为40万台，占总销售量的68.24%当前PC以广泛用于机械、汽车、电力、冶金、石油、化工、交通、运输、轻工、纺织、建材、采矿以及家用电器等领域，其的了明显的技术经济效益。3. PC技术发展动向= 1 * GB2 产品规模向大、小两个方面发展 出现了I/O点数达14336点的超大型PC，使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，使PC的扫描速度高速化。如日本三菱公司的A3H的顺序指令执行速度达0.20.4s。不少PC每毫秒可扫描1024点，比许多DCS（分散型控制系统）快1020倍，为PC增加刀具精确定位、机床速度控制、阀门位置控制以及PID过程控制等功能创造了条件。小型PC由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性。最小配置的I/O点为816点，可以用来代替最小的继电器系统，例如日本三菱公司FX系列PC。= 2 * GB2 PC向或成控制渗透与发展 微电子技术迅速发展，大大加强了PC的数学运算、数据处理、图形显示、联网通信等功能，使PC得以向过程控制渗透和发展。美国一家炼金公司用一台双机热备用的PC，控制由矿石到炼金的全部过程。该系统有20个PID模拟调节回路，450个模拟量，1000个开关量。所有的报警功能、PID调节功能和顺序控制功能都有PC完成。该公司一反常规不采用功能强的分散控制系统（DCS），而采用PC，是因为整个系统有许多电控功能（如电机的连锁）。如果采用，只能解决PID调节功能，而电控还要用PC，不如选用PC系统解决所需的全部功能。结果，选用PC系统方案使投资降为DCS加PCD1/2左右，其控制质量不但不逊于DCS加PC的方案，而且由于使用一种控制装置便于解决顺序控制、PID调节、连锁保护的调节配合，使金的回收率有原设计的92%提高到96%。= 3 * GB2 PC加强了通信功能 为了满足柔性制造单元（FMS）、柔性制造系统（FMS）和工厂自动化（FA）的要求，今年来开发的PC都加强了通信功能。系列中最小的PC也具备了与上位PC及其它计算机通信联网的功能。如著名的日本FANUC公司的PCJ型，用于FANUC系统中作FMC控制器，它可以顺序控制和调节CNC机床、装料系统、机器人的动作以及与主计算机通信。= 4 * GB2 新器件和模块不断推出 为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来一些工业发达国家，利用微电子学、LSI等新新技术成果，先后开发了不少新器件和模块。高档的PC一般都采用多CPU以提高处理速度，用32位微处理器为CPU，使每条指令处理速度达0.5s的PC产品已不是少数，如日立公司HITACH系列、富士公司的MICREXF200型等。西