發(fā)布時(shí)間:2019-08-02 瀏覽量:2612
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(tǒng)的管理及控制過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。國(guó)內(nèi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥普遍具有結(jié)構(gòu)不合理,控制精度低,安全性能差,不能很好地進(jìn)行人機(jī)通話、難于現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和維修等缺陷。結(jié)合存在的問(wèn)題,為此設(shè)計(jì)一款操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全和集中控制的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)[Czl。防爆電動(dòng)調(diào)節(jié)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(guó)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(xiàn)有成熟產(chǎn)品。主要從閥門(mén)電動(dòng)裝置的電機(jī)動(dòng)力參數(shù)的選擇、傳遞機(jī)構(gòu)的速比確定以及減速機(jī)構(gòu)的研制、控制器控制電路的設(shè)計(jì)、控制器軟件的設(shè)計(jì)、電動(dòng)執(zhí)
行機(jī)構(gòu)與閥門(mén)的過(guò)渡機(jī)構(gòu)及隔爆面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
1閥門(mén)電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)原理
閥門(mén)電動(dòng)裝置是閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝置,用以驅(qū)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(xiàn)的,是三級(jí)減速。即先由電機(jī)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(jí)輸出軸,一級(jí)輸出軸帶動(dòng)三級(jí)傳動(dòng)蝸桿,再帶動(dòng)三級(jí)蝸輪,最終將力矩傳遞給輸出軸,輸出軸與蝶閥同步轉(zhuǎn)向。而一級(jí)輸出軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、手動(dòng)-電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)、手動(dòng)機(jī)構(gòu)及電氣部分組成。其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置工作原理
2 閥門(mén)電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置機(jī)械部分
2. 1電動(dòng)機(jī)的選擇
操作力矩是選擇閥門(mén)電動(dòng)裝置的最主要參數(shù),2通過(guò)操作力矩反算出電機(jī)的功率。通過(guò)閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)查詢(xún),查得三偏心蝶閥的力矩值,對(duì)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(yīng)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(jí)減速為圓柱齒輪傳動(dòng)(8級(jí)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(jí)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(jí)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(jī)輸出扭矩須滿(mǎn)足
閥門(mén)專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量、短時(shí)工作制。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩對(duì)額定轉(zhuǎn)矩之比不低于2. 5 ;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比一般電動(dòng)機(jī)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(jī)能夠起到自身熱保護(hù),當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí),能夠?qū)﹄妱?dòng)閥門(mén)起到保護(hù)作用。
電機(jī)功率與電動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速,取0. 5 r/min; }一電動(dòng)裝置的整機(jī)效率K-閥門(mén)專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)的利用系數(shù),一般取K=1. 5。
通過(guò)計(jì)算,取安全系數(shù)2,通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)有專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)類(lèi)似閥門(mén)電動(dòng)裝置電機(jī)的廠家,功率為0.17 kW,0.25 kW,0.37 kW的防爆電動(dòng)機(jī)分別滿(mǎn)足要求,不同管徑的閥門(mén)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 不同管徑閥門(mén)參數(shù)
2. 2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
閥門(mén)電動(dòng)裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)起到減速器的作用,它將專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)的高速度低扭矩轉(zhuǎn)換成低轉(zhuǎn)速高扭矩。傳動(dòng)部分均采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),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(jí)減速為圓柱齒輪傳動(dòng),二三級(jí)減速為蝸桿蝸輪傳動(dòng)。
一級(jí)減速:一級(jí)減速采用圓柱齒輪傳動(dòng)(8級(jí)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(jí)齒輪傳動(dòng)參數(shù)表
二級(jí)減速:二級(jí)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(jí)減速雙頭蝸輪蝸桿傳動(dòng)參數(shù)
三級(jí)減速:三級(jí)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(shù)
2. 3行程控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
閥門(mén)電動(dòng)裝置行程控制機(jī)構(gòu)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(hào)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(jì)數(shù)器,如圖2所示。其工作原理是由減速箱內(nèi)的一主動(dòng)小齒輪帶動(dòng)計(jì)數(shù)器工作。如果計(jì)數(shù)器按閥門(mén)開(kāi)或關(guān)的位置己調(diào)好,當(dāng)計(jì)數(shù)器隨輸出軸轉(zhuǎn)到預(yù)先調(diào)整好的位置時(shí),則凸輪將被轉(zhuǎn)動(dòng)90°,迫使微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,切斷電源,電機(jī)停轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)裝置行程的控制。
圖2 計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖
2. 4 力矩控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
力矩控制機(jī)構(gòu)的作用是用于強(qiáng)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(xiàn)過(guò)力矩故障時(shí),及時(shí)切斷電源,對(duì)裝置起到保護(hù)作用。力矩控制機(jī)構(gòu)是電動(dòng)裝置內(nèi)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(dāng)輸出軸上受到一定阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩后,蝸桿除旋轉(zhuǎn)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(dāng)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩增大到整定轉(zhuǎn)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(jī)電源,電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)矩的控制,達(dá)到保護(hù)電動(dòng)閥門(mén)的目的,如圖3所示。
圖3 力矩控制器機(jī)構(gòu)圖
2. 5開(kāi)度指示機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
電動(dòng)裝置的開(kāi)度指示機(jī)構(gòu)分裝置本體上的現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí),可根據(jù)所配閥門(mén)開(kāi)關(guān)的圈數(shù),將調(diào)節(jié)齒輪調(diào)整到所需位置,并與減速齒輪嚙合。當(dāng)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(zhuǎn)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(diào)整,達(dá)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(yuǎn)傳指示閥門(mén)位置用。位置指示器內(nèi)設(shè)一微動(dòng)開(kāi)關(guān)和一凸輪。當(dāng)電動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),凸輪轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
停電時(shí),需開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)時(shí),需要手動(dòng)結(jié)構(gòu)。本機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)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(jī)構(gòu)示意圖
3閥門(mén)電動(dòng)裝置控制器設(shè)計(jì)
3.1閥門(mén)電動(dòng)裝置控制器的原理
以單片機(jī)為核心,選擇直接位置控制,并能接受遠(yuǎn)程的4 ~ 20 mA或200~1 000 Hz的閥位給定信號(hào),用于驅(qū)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(wěn)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(nèi)部基本工作流程如圖6所示。
圖6 控制系統(tǒng)工作流程
根據(jù)設(shè)計(jì)要求及礦井實(shí)際情況對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(hào)為1~5 mA電流信號(hào),200~1 000 Hz頻率信號(hào);手動(dòng)傳動(dòng)比為48;防爆電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)系列化為DN100~500 mm。
4結(jié)論
(1)根據(jù)常見(jiàn)的閥門(mén)電動(dòng)機(jī)構(gòu)存在問(wèn)題設(shè)計(jì)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(yàn)取得良好的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯抽放與輸送管道的快速啟閉以及與負(fù)壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)開(kāi)度自動(dòng)調(diào)節(jié),試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)的要求。
(2)閥門(mén)控制器能夠與蝶閥進(jìn)行配套試驗(yàn),能夠滿(mǎn)足蝶閥的正常啟閉。
(3)閥門(mén)控制器能夠?qū)Φy實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。
(4)控制器與閥門(mén)的過(guò)渡機(jī)構(gòu)及隔爆面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),滿(mǎn)足可靠密封和防隔爆要求。
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