一種新型礦用防爆閥門電動調節裝置的設計

李兵偉

(1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600)

0 引言

礦用防爆電動閥門由于操作簡單方便、控制精度高、故障率低等特點，在煤礦瓦斯抽采管網及低濃度瓦斯輸送系統的管理及控制過程中應用越來越廣泛。國內電動調節閥普遍具有結構不合理，控制精度低，安全性能差，不能很好地進行人機通話、難于現場標定和維修等缺陷[1]。結合存在的問題，為此設計一款操作方便、結構簡單、功能齊全和集中控制的電動調節閥門[2]。防爆電動調節閥主要由閥門和閥門電動裝置組成；由于閥門技術在我國技術已成熟，本文主要為閥門電動裝置的研究，閥門選用現有成熟產品。主要從閥門電動裝置的電機動力參數的選擇、傳遞機構的速比確定以及減速機構的研制、控制器控制電路的設計、控制器軟件的設計、電動執行機構與閥門的過渡機構及隔爆面結構設計方面進行改進設計[3]。

1 閥門電動調節裝置的設計原理

閥門電動裝置是閥門的驅動裝置，用以驅動和控制閥門的開啟和關閉。閥門電動裝置的工作原理是通過齒輪傳動來實現的，是三級減速。即先由電機齒輪帶動蝸桿齒輪，帶動蝸桿，再由蝸桿帶動蝸輪，帶動一級輸出軸，一級輸出軸帶動三級傳動蝸桿，再帶動三級蝸輪，最終將力矩傳遞給輸出軸，輸出軸與蝶閥同步轉向。而一級輸出軸的轉動帶動了軸上的大錐齒輪，再由大錐齒輪帶動小錐齒輪(即中轉齒輪)，再帶動電器部分的行程開關上的小齒輪，經電器部分來完成控制工作。閥門電動裝置由6個部分組成，即電機、傳動機構、控制機構、手動-電動切換機構、手動機構及電氣部分組成[4]。其傳動結構示意圖如圖1所示。

1-電機；2-一級齒輪；3-齒輪；4-蝸桿；5-蝸輪；6-一級輸出軸；7-大錐齒輪；8-小錐齒輪；9-行程控制機構；10-中間齒輪；11-現場指示器；12-蝸桿環槽；13-曲拐；14-轉矩控制機構；15-碟簧；16-三級蝸桿；17-三級蝸輪；18-輸出軸；19-手輪圖1 電動調節裝置工作原理

2 閥門電動調節裝置機械部分

2.1 電動機的選擇

操作力矩是選擇閥門電動裝置的最主要參數，通過操作力矩反算出電機的功率。通過閥門設計手冊查詢，查得三偏心蝶閥的力矩值，對于DN500的蝶閥工作壓力0.6 MPa時所需力矩為2 043 Nm。電動裝置的輸出力矩應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1.2倍。

即有T操作力矩=T最大力矩×1.2

一級減速為圓柱齒輪傳動(8級精度的一般齒輪傳動)其傳動比i1為2.388 9，傳遞效率η1為0.97；

二級減速為雙頭蝸輪蝸桿傳動，其傳動比i2為32，傳遞效率η2為0.75～0.82；

三級減速為單頭蝸輪蝸桿傳動，其傳動比i3為48，傳遞效率η3為0.7～0.75。

則電機輸出扭矩須滿足

T×2.388 9×0.97×32×0.75×48×0.7≥T操作力矩

閥門專用電動機的特點是高啟動轉矩、低慣量、短時工作制。啟動轉矩和最大轉矩對額定轉矩之比不低于2.5；轉動慣量比一般電動機約小1/3；額定時間10 min、15 min和30 min。閥門專用電動機能夠起到自身熱保護，當電動機過載時，能夠對電動閥門起到保護作用。

電機功率與電動裝置輸出轉矩公式

式中：P—電動裝置所需輸入功率，kW；M—電動裝置的最大輸出扭矩，N·m；n—電動裝置的輸出轉速，取0.5 r/min；η—電動裝置的整機效率；K—閥門專用電動機的利用系數，一般取K=1.5。

通過計算，取安全系數2，通過調研發現，國內有專門生產類似閥門電動裝置電機的廠家，功率為0.17 kW、0.25 kW、0.37 kW的防爆電動機分別滿足要求，不同管徑的閥門參數見表1。

表1 不同管徑閥門參數

2.2 傳動機構設計

閥門電動裝置的傳動機構起到減速器的作用，它將專用電動機的高速度低扭矩轉換成低轉速高扭矩。傳動部分均采用齒輪傳動機構，所選用的有以下2種：一是圓柱齒輪傳動；二是蝸桿蝸輪傳動。一級減速為圓柱齒輪傳動，二三級減速為蝸桿蝸輪傳動。

一級減速：一級減速采用圓柱齒輪傳動(8級精度的一般齒輪傳動)其傳動比i1為2.388 9，見表2。

表2 一級齒輪傳動參數表

二級減速：二級減速采用雙頭蝸輪蝸桿傳動，其傳動比i2為32，見表3。

表3 二級減速雙頭蝸輪蝸桿傳動參數

三級減速：三級減速為單頭蝸輪蝸桿傳動，其傳動比i3為48。

表4 單頭蝸輪蝸桿傳動參數

2.3 行程控制機構設計

閥門電動裝置行程控制機構的作用是控制閥門的終端位置，即開啟和關閉位置。另外，它還可以提供觸點信號顯示閥門的某一中間位置或終端位置。由十進位齒輪組、頂桿、凸輪和微動開關組成，簡稱計數器，如圖2所示。其工作原理是由減速箱內的一主動小齒輪帶動計數器工作。如果計數器按閥門開或關的位置已調好，當計數器隨輸出軸轉到預先調整好的位置時，則凸輪將被轉動90°，迫使微動開關動作，切斷電源，電機停轉，以實現對電動裝置行程的控制。

圖2 計數器結構示意圖

2.4 力矩控制機構設計

力矩控制機構的作用是用于強制密封式閥門，控制閥門的關閉位置；在電動裝置出現過力矩故障時，及時切斷電源，對裝置起到保護作用。力矩控制機構是電動裝置內部的一個零部件，由曲拐、碰塊、凸輪、分度盤、支板和微動開關組成。當輸出軸上受到一定阻轉轉矩后，蝸桿除旋轉外還產生軸向位移，帶動曲拐，曲拐直接帶動支架產生角位移，從而壓迫凸輪，使支板上抬。當輸出軸上的轉矩增大到整定轉矩時，則支架產生的位移量使微動開關動作，從而切斷電機電源，電動機停轉。以此實現對電動裝置輸出轉矩的控制，達到保護電動閥門的目的，如圖3所示。

1-微動開關；2-微動開關；3-凸輪；4-開向調節螺釘；5-支架；6-支架；7-關向調節螺釘；8-凸輪；9-轉矩傳動軸；10-曲拐圖3 力矩控制器機構圖

2.5 開度指示機構設計

電動裝置的開度指示機構分裝置本體上的現場開度指示和遙控時電氣控制箱面板上的開度指示。在現場調試時，可根據所配閥門開關的圈數，將調節齒輪調整到所需位置，并與減速齒輪嚙合。當閥門在開啟和關閉的過程中，開度盤經減速后轉動，指示閥門的開關量，開度盤上最大角度可以調整，達到指示角度與閥門開關量同步。電位器的動片與開度盤同步，供遠傳指示閥門位置用。位置指示器內設一微動開關和一凸輪。當電動裝置運轉時，凸輪轉動使微動開關周期性動作，可使控制室操作指示燈閃爍，以示電動裝置的工作狀態。

2.6 手動-電動切換結構設計

停電時，需開啟或關閉閥門時，需要手動結構。本機構由手柄、凸輪、框架、直立桿、中間離合器、壓簧等組成。由電動變手動時，人工把切換手柄向手動方向推動，凸輪隨手柄軸一起轉動，使支撐在凸輪面上的框架抬起，同時使支撐在框架上的可在輸出軸上作軸向移動的中間離合器向上移動，壓迫彈簧。當手柄推到一定位置時，中間離合器脫離蝸輪與手動軸爪嚙合，則可使手輪上的作用力通過中間離合器傳到輸出軸上，即成為手動狀態。當框架抬高到最高點時，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，與手輪軸脫開，與蝸輪嚙合，成為電動狀態，如圖4所示。

1-手輪；2-手自動半離合器；3-彈簧；4-輸出軸；5-中間離合器；6-手柄；7-拔叉；8-直立桿；9-蝸輪；10-蝸桿；11-電動半離合器圖4 手電動切換機構示意圖

3 閥門電動裝置控制器設計

3.1 閥門電動裝置控制器的原理

以單片機為核心，選擇直接位置控制，并能接受遠程的4～20 mA或200～1 000 Hz的閥位給定信號，用于驅動和控制閥門裝置。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定的電源。電源為額定電壓(127/380/660 V)。

3.3 閥門電動裝置控制器

內部基本工作流程如圖6所示。

圖6 控制系統工作流程

根據設計要求及礦井實際情況對主要技術指標進行設計。電源為額定電壓(127/380/660 V)，控制電壓18 VDC；精確度為±1.0%FS；輸出信號為1～5 mA電流信號，200～1 000 Hz頻率信號；手動傳動比為48；防爆電動調節閥閥門系列化為DN100～500 mm。

4 結論

(1)根據常見的閥門電動機構存在問題設計了新型的閥門電動裝置，并聯合科研單位在山西某礦地面試驗取得良好的結果，實現煤礦瓦斯抽放與輸送管道的快速啟閉以及與負壓調節器實現開度自動調節，試驗結果符合設計的要求。

(2)閥門控制器能夠與蝶閥進行配套試驗，能夠滿足蝶閥的正常啟閉。

(3)閥門控制器能夠對蝶閥實現現場手動控制、遠程手動控制。

(4)控制器與閥門的過渡機構及隔爆面結構設計，滿足可靠密封和防隔爆要求。