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 0引言
      礦用防爆電動(dòng)閥門由于操作簡(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)的管理及控制過程中應(yīng)用越來越廣泛。國內(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[Czl。防爆電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要由閥門和閥門電動(dòng)裝置組成;由于閥門技術(shù)在我國技術(shù)己成熟，本文主要為閥門電動(dòng)裝置的研究，閥門選用現(xiàn)有成熟產(chǎn)品。主要從閥門電動(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)與閥門的過渡機(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閥門電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)原理
     閥門電動(dòng)裝置是閥門的驅(qū)動(dòng)裝置，用以驅(qū)動(dòng)和控制閥門的開啟和關(guān)閉。閥門電動(dòng)裝置的工作原理是通過齒輪傳動(dòng)來實(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)電器部分的行程開關(guān)上的小齒輪，經(jīng)電器部分來完成控制工作。閥門電動(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電動(dòng)裝置的最主要參數(shù)，2通過操作力矩反算出電機(jī)的功率。通過閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)查詢，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)大于閥門操作過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)輸出扭矩須滿足

       閥門專用電動(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。閥門專用電動(dòng)機(jī)能夠起到自身熱保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，能夠?qū)﹄妱?dòng)閥門起到保護(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-閥門專用電動(dòng)機(jī)的利用系數(shù)，一般取K=1. 5。
     通過計(jì)算，取安全系數(shù)2，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)有專門生產(chǎn)類似閥門電動(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)分別滿足要求，不同管徑的閥門參數(shù)見表1。

表1 不同管徑閥門參數(shù)

2. 2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
       閥門電動(dòng)裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)起到減速器的作用，它將專用電動(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)
      閥門電動(dòng)裝置行程控制機(jī)構(gòu)的作用是控制閥門的終端位置，即開啟和關(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)開關(guān)組成，簡(jiǎn)稱計(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)器按閥門開或關(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，控制閥門的關(guān)閉位置;在電動(dòng)裝置出現(xiàn)過力矩故障時(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、支板和微動(dòng)開關(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)閥門的目的，如圖3所示。

圖3 力矩控制器機(jī)構(gòu)圖

2.  5開度指示機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
       電動(dòng)裝置的開度指示機(jī)構(gòu)分裝置本體上的現(xiàn)場(chǎng)開度指示和遙控時(shí)電氣控制箱面板上的開度指示。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，可根據(jù)所配閥門開關(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)閥門在開啟和關(guān)閉的過程中，開度盤經(jīng)減速后轉(zhuǎn)動(dòng)，指示閥門的開關(guān)量，開度盤上最大角度可以調(diào)整，達(dá)到指示角度與閥門開關(guān)量同步。電位器的動(dòng)片與開度盤同步，供遠(yuǎn)傳指示閥門位置用。位置指示器內(nèi)設(shè)一微動(dòng)開關(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)，需開啟或關(guān)閉閥門時(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，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閥門電動(dòng)裝置控制器設(shè)計(jì)
3.1閥門電動(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)和控制閥門裝置。圖5為控制器裝置的總體框圖。

圖5  閥門電動(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)閥閥門系列化為DN100~500 mm。

4結(jié)論
     (1)根據(jù)常見的閥門電動(dòng)機(jī)構(gòu)存在問題設(shè)計(jì)了新型的閥門電動(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)閥門控制器能夠與蝶閥進(jìn)行配套試驗(yàn)，能夠滿足蝶閥的正常啟閉。
     (3)閥門控制器能夠?qū)Φy實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。
     (4)控制器與閥門的過渡機(jī)構(gòu)及隔爆面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足可靠密封和防隔爆要求。

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