礦井風門的選型優化設計

■張海濱

（神東煤炭集團大柳塔煤礦 陜西榆林 719300）

礦井風門的選型優化設計

■張海濱

（神東煤炭集團大柳塔煤礦 陜西榆林 719300）

針對井下風門的應用現狀，這里主要介紹了一種新型的壓力平衡式自動風門，該風門采用的是壓力平衡原理，通過一個四連桿機構，將風門所受到的壓力轉變為系統的內力，克服了以往單扇木制風門開啟難、易損壞的缺點，提高了通風系統的穩定性，又是現條件下實現礦井快速反風的有利保證。研究了自動風門的組成和液壓系統的控制機構，設計了應用可編程控制器實現風門自動控制的可行性方案，并給出了系統控制流程圖和參考程序。整個系統抗干擾能力顯著、可靠性高、環境適應性強。

煤礦井下風門可編程控制器相應程序

0 引言

在本次設計中，不僅要根據煤礦下的實際情況設計出一扇符合煤礦使用情況的風門結構，更要設計出一套自動控制電路來控制風門的開啟和關閉，還要根據實際情況來選擇風門的自鎖方式，是電路自鎖，還是選擇液壓自鎖，抑或是兩者同時控制，以保證風門的正常工作。電路設計時還要考慮到電氣設備的選擇，都必須符合國家煤礦防爆標準，防止意外事故的產生。

針對井下風門的應用現狀，研究了自動風門的組成和液壓系統的控制機構，設計了可編程控制器實現風門自動控制的可行性方案。

1 壓力平衡式自動方案設計

風門屬于通風構建物的一種，作用是用于截斷風流，不可避免的，無論是風門的開啟還是關閉，都會受到風流作用在門上風壓的影響。特別是在過往的單扇木制風門上，這一點表現的尤為明顯。當風門受到較大的壓力時，往往會出現開啟難，易發生變形，易損壞的諸多缺陷，容易造成一些意外事故。要想解決這些問題，首先要解決的是怎么克服因為風流通過而作用在風門上的壓力。

要克服風壓，首先想到的是將風門門扇上所受到的壓力轉化為整個風門系統的內力，風門系統在受到風流影響時保持一種動態的平衡。

分三種方案進行論證設計：

（1）在原來單扇門的基礎上進行一些改動設計，使之符合壓力平衡的要求。

設計方案如下：整個風門由門框、門扇、門軸、門扇拉手和彈簧裝置組成，示意圖如圖1所示。

通風方向如圖所示，△P為巷道內風壓。當風門上所受到的風力矩與彈簧力矩平衡時，風門的開啟或關閉將變的容易，上面所提到的問題就能夠解決。

（2）第二種設計是改變傳統風門單扇門的設計，改為異向開啟的雙扇門設計，運用一個四連桿機構，使得兩扇門上所受到的壓力互相抵消，達到平衡的目的。該風門由門框立柱、門軸、門扇拉手、左支臂、平衡桿、橫梁、右支臂、滑輪就、鋼絲繩、關門重錘的組成，兩扇風門通過左右兩支臂有平衡桿連接起來，形成四連桿反風門系統，通過四連桿機構，可以使兩扇門同時異向開啟，靠關門重錘的作用使得風門能夠自動關閉。風門的結構示意圖如圖2所示。

圖1 單扇風門設計圖

圖2

風門的工作原理是在風門開關時，作用在風門上的風力互相平衡。如圖所示，△P為巷道內風壓，S為單扇風門的受力面積，L為單扇門的寬度，F1、F2為左右兩扇門所受的風力，F3、F4為平衡桿在△P作用下所受的力，M1、M2門框上所受的力矩，Q左右支臂到門軸的垂直距離。

（3）第三種方案設計了以電液推桿為驅動裝置的自動風門。風門的結構組成：如圖3所示，為風門在巷道內布置的俯視圖，該風門由門體、平行四邊形連桿機構、電液推桿、機械觸動檢測開關、行程開關等部分組成，門體固定在巷道兩邦的砌墻上，門體上部的平行四邊形連桿機構使左右門扇聯動，虛線對應風門打開時的位置。正常情況下，無車輛，機械觸動檢測開關SQ1、SQ3打開，沒有發出動作信號，風門處于關閉狀態，各部分不動作。當車輛通過開關時，靠車輪壓動開關來獲取信號，既SQ1或SQ2動作，控制電液推桿的伸出，門扇1順時針轉動打開，門扇2靠平行四邊形連桿機構與門扇1連動，也順時針轉動打開。

為了保證安全，在車輛通過時，兩扇風門不能關閉，靠SQ1、SQ2、SQ3三組觸動檢測裝置實現，只要有任何一組發出信號，控制電液推桿保持伸出，并且，當車輛通過后，在三組觸動檢測裝置都無信號發出的情況下，延時一定時間后方可關門，延時時間的長短可根據需要設定。此自動系統中兩扇風門由一般的同向打開變為逆向打開，風壓對兩扇風門的作用力由平行四邊形連桿機構的連動相互抵消，整個風門受力平衡，大大降低開門所需動力，可以選擇尺寸重量較小的電液推桿，使整套裝置結構緊湊，便于安裝，節約能源。

圖3

圖4 液壓系統原理圖

液壓系統：自動風門液壓系統原理圖如圖4。在控制信號作用下，泵站啟動，電磁鐵YA2通電，活塞伸出，風門開啟，當風門完全打開時活塞縮回到位，壓下行程開關SQ4，電磁鐵YA2斷電，電磁閥恢復中位，風門保持在打開位置。直到三組觸動檢測裝置SQ1、SQ2、SQ3都無信號發出時，延時到設定時間后，電磁鐵 YA1通電，活塞縮回，風門關閉，當風門關閉到位壓下限位開關SQ5時，泵站停止，電磁鐵YA1斷電，電磁閥恢復中位，風門保持在關閉位置。

綜合比較以上三種設計方案，可以得出，第三種方案明顯好于第一種和第二種方案，因為：

方案（1）理論上也能達到動態壓力平衡的目的，但是卻也存在著許多問題和不足，例如。在沒有風力作用在門上是。如果沒有東西把沒卡住，門會被彈簧拉力拉開，在有風時沒法其到阻風的作用，而且風門的布置一般是在一條巷道上分布幾道連續的門，中間的風門在前后風門開啟前不受風力的影響，不容易設置自動風門。風流經常不是恒定的，風門的動態力矩平衡很容就被打破，而且在風里較大時，還是會有開啟困難，關閉是沖擊大，易發生擠傷礦下工作人員的意外事故的諸多問題。

方案 （2）可以達到動態壓力平衡及風門自動關閉和開啟的目的，但結構復雜，操作不便，需經常維修。

方案（3）的設計就沒有這些問題，理論上說。無論在巷道中的風流壓力有多大，只要風門足夠的可靠堅固，壓力平衡都不會改變，風門的開啟或關閉都不會受到影響，適用性明顯比第一種方案好，而且兩道風門由同一臺可編程控制器控制，互鎖可靠，不會造成風流短路；采用可編程序控制器，編程簡單，使用靈活、通用性強，而且可編程序控制器面向工業生產現場，在產品設計時就采用了屏蔽、隔離、濾波、聯鎖等安全防護措施，有效地抑制了外部干擾，防止誤動作。可靠性高、環境適應性強。

綜上，選擇方案（3）而為此次壓力平衡是式風門設計總體方案。

2 結論

壓力平衡式自動風門是一種新型的風門，是在原來單扇木制風門的基礎上發展和完善起來的，該風門的出現，解決了傳統的單扇木制風門所存在的風門大、開啟難、易損壞等缺點，該風門所具有的開啟和關閉不受風壓影響的種種優點決定它必然取代原有的單扇木制風門，成為現階段礦用風門的首選。配套上一套完整的自動控制電路，技能夠實現風門開啟和關閉的自動控制，控制電路中的連鎖設計，又能夠保證整個通風系統安全穩定的運行。即使碰到停電，該風門也能手動輕易開啟，不會影響煤礦下的正常工作和系統的通風。

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TD72[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-16-2

張海濱，男，太原理工大學在職研究生，機械設計制造及其自動化專業，助理工程師，研究方向為機械設計。