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矿用防爆阀门电动调节装置的设计及原理

发布时间:2019-08-02 浏览量:168

 0引言
      矿用防爆电动阀门由于操作简单方便、控制精度高、故障率低等特点,在煤矿瓦斯抽采管网及低浓度瓦斯输送系统的管理及控制过程中应用越来越广泛。国内电动调节阀普遍具有结构不合理,控制精度低,安全性能差,不能很好地进行人机通话、难于现场标定和维修等缺陷。结合存在的问题,为此设计一款操作方便、结构简单、功能齐全和集中控制的电动调节阀门[Czl。防爆电动调节阀主要由阀门和阀门电动装置组成;由于阀门技术在我国技术己成熟,本文主要为阀门电动装置的研究,阀门选用现有成熟产品。主要从阀门电动装置的电机动力参数的选择、传递机构的速比确定以及减速机构的研制、控制器控制电路的设计、控制器软件的设计、电动执
行机构与阀门的过渡机构及隔爆面结构设计方面进行改进设计。
1阀门电动调节装置的设计原理
     阀门电动装置是阀门的驱动装置,用以驱动和控制阀门的开启和关闭。阀门电动装置的工作原理是通过齿轮传动来实现的,是三级减速。即先由电机齿轮带动蜗杆齿轮,带动蜗杆,再由蜗杆带动蜗轮,带动一级输出轴,一级输出轴带动三级传动蜗杆,再带动三级蜗轮,最终将力矩传递给输出轴,输出轴与蝶阀同步转向。而一级输出轴的转动带动了轴上的大锥齿轮,再由大锥齿轮带动小锥齿轮(即中转齿轮),再带动电器部分的行程开关上的小齿轮,经电器部分来完成控制工作。阀门电动装置由6个部分组成,即电机、传动机构、控制机构、手动-电动切换机构、手动机构及电气部分组成。其传动结构示意图如图1所示。

 电动调节装置工作原理

图1 电动调节装置工作原理

2 阀门电动调节装置机械部分
2. 1电动机的选择
      
操作力矩是选择阀门电动装置的最主要参数,2通过操作力矩反算出电机的功率。通过阀门设计手册查询,查得三偏心蝶阀的力矩值,对于DN500的蝶阀工作压力0. 6MPa时所需力矩为2043  Nm。电动装置的输出力矩应大于阀门操作过程中所需要的最大力矩,一般情况下输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

     一级减速为圆柱齿轮传动(8级精度的一般齿轮传动)其传动比i1为2. 3889,传递效率η1,为0. 97;
     二级减速为双头蜗轮蜗杆传动,其传动比i2为32,传递效率η2为0. 75~0. 82 ;
     三级减速为单头蜗轮蜗杆传动,其传动比i3为48,传递效率η3为0. 7~0. 75。   

    则电机输出扭矩须满足

       阀门专用电动机的特点是高启动转矩、低惯量、短时工作制。启动转矩和最大转矩对额定转矩之比不低于2. 5 ;转动惯量比一般电动机约小1/3;额定时间10  min,15 min和30 min。阀门专用电动机能够起到自身热保护,当电动机过载时,能够对电动阀门起到保护作用。
      电机功率与电动装置输出转矩公式

    式中:P一电动装置所需输入功率,kW;M一电动装置的最大输出扭矩,N "  m;n一电动装置的输出转速,取0. 5 r/min; }一电动装置的整机效率K-阀门专用电动机的利用系数,一般取K=1. 5。
     通过计算,取安全系数2,通过调研发现,国内有专门生产类似阀门电动装置电机的厂家,功率为0.17 kW,0.25 kW,0.37  kW的防爆电动机分别满足要求,不同管径的阀门参数见表1。

表1 不同管径阀门参数


2. 2传动机构设计
       阀门电动装置的传动机构起到减速器的作用,它将专用电动机的高速度低扭矩转换成低转速高扭矩。传动部分均采用齿轮传动机构,所选用的有以下2种:一是圆柱齿轮传动;二是蜗杆蜗轮传动。一级减速为圆柱齿轮传动,二三级减速为蜗杆蜗轮传动。
     一级减速:一级减速采用圆柱齿轮传动(8级精度的一般齿轮传动)其传动比i、为2. 388 9,见表2。

表2 一级齿轮传动参数表

      二级减速:二级减速采用双头蜗轮蜗杆传动,其传动比i2为32,见表3。

表3 二级减速双头蜗轮蜗杆传动参数

    

三级减速:三级减速为单头蜗轮蜗杆传动,其传动比i3为48。

表4 单头蜗轮蜗杆传动参数

2. 3行程控制机构设计
      阀门电动装置行程控制机构的作用是控制阀门的终端位置,即开启和关闭位置。另外,它还可以提供触点信号显示阀门的某一中间位置或终端位置。由十进位齿轮组、顶杆、凸轮和微动开关组成,简称计数器,如图2所示。其工作原理是由减速箱内的一主动小齿轮带动计数器工作。如果计数器按阀门开或关的位置己调好,当计数器随输出轴转到预先调整好的位置时,则凸轮将被转动90°,迫使微动开关动作,切断电源,电机停转,以实现对电动装置行程的控制。

图2 计数器结构示意图

2. 4 力矩控制机构设计
      力矩控制机构的作用是用于强制密封式阀门,控制阀门的关闭位置;在电动装置出现过力矩故障时,及时切断电源,对装置起到保护作用。力矩控制机构是电动装置内部的一个零部件,由曲拐、碰块、凸轮、分度盘、支板和微动开关组成。当输出轴上受到一定阻转转矩后,蜗杆除旋转外还产生轴向位移,带动曲拐,曲拐直接带动支架产生角位移,从而压迫凸轮,使支板上抬。当输出轴上的转矩增大到整定转矩时,则支架产生的位移量使微动开关动作,从而切断电机电源,电动机停转。以此实现对电动装置输出转矩的控制,达到保护电动阀门的目的,如图3所示。

图3 力矩控制器机构图

2.  5开度指示机构设计
       电动装置的开度指示机构分装置本体上的现场开度指示和遥控时电气控制箱面板上的开度指示。在现场调试时,可根据所配阀门开关的圈数,将调节齿轮调整到所需位置,并与减速齿轮啮合。当阀门在开启和关闭的过程中,开度盘经减速后转动,指示阀门的开关量,开度盘上最大角度可以调整,达到指示角度与阀门开关量同步。电位器的动片与开度盘同步,供远传指示阀门位置用。位置指示器内设一微动开关和一凸轮。当电动装置运转时,凸轮转动使微动开关周期性动作,可使控制室操作指示灯闪烁,以示电动装置的工作状态。
2.  6手动一电动切换结构设计
       停电时,需开启或关闭阀门时,需要手动结构。本机构由手柄、凸轮、框架、直立杆、中间离合器、压簧等组成。由电动变手动时,人工把切换手柄向手动方向推动,凸轮随手柄轴一起转动,使支撑在凸轮面上的框架抬起,同时使支撑在框架上的可在输出轴上作轴向移动的中间离合器向上移动,压迫弹簧。当手柄推到一定位置时,中间离合器脱离蜗轮与手动轴爪啮合,则可使手轮上的作用力通过中间离合
器传到输出轴上,即成为手动状态。当框架抬高到最高点时,安装在框架上的直立杆在扭簧作用下直立于蜗轮端面,支撑住框架使中间离合器迅速向蜗轮方向移动,与手轮轴脱开,与蜗轮啮合,成为电动状态,如图4所示。

图4 手电动切换机构示意图

3阀门电动装置控制器设计
3.1阀门电动装置控制器的原理
       以单片机为核心,选择直接位置控制,并能接受远程的4 ~ 20 mA或200~1 000  Hz的阀位给定信号,用于驱动和控制阀门装置。图5为控制器装置的总体框图。

图5  阀门电动装置控制器总体框图

3.  2  电源
     电源部分用于向控制器提供稳定的电源。电源为额定电压(127 /380  /660 V) o

3. 3  阀门电动装置控制器

      内部基本工作流程如图6所示。
     

图6 控制系统工作流程

      根据设计要求及矿井实际情况对主要技术指标进行设计。电源为额定电压(127 /380 /660 V ),控制电压18  VDC ;精确度为11.0%FS;输出信号为1~5 mA电流信号,200~1 000 Hz频率信号;手动传动比为48;防爆电动调节阀阀门系列化为DN100~500 mm。

4结论
     (1)根据常见的阀门电动机构存在问题设计了新型的阀门电动装置,并联合科研单位在山西某矿地面试验取得良好的结果,实现煤矿瓦斯抽放与输送管道的快速启闭以及与负压调节器实现开度自动调节,试验结果符合设计的要求。
     (2)阀门控制器能够与蝶阀进行配套试验,能够满足蝶阀的正常启闭。
     (3)阀门控制器能够对蝶阀实现现场手动控制、远程手动控制。
     (4)控制器与阀门的过渡机构及隔爆面结构设计,满足可靠密封和防隔爆要求。


本文链接:http://www.maibengfa.cn/news/detail/20190802095430.html



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