礦用自動風門的設計

趙艷飛

（西山煤電集團有限公司，山西 古交 030200）

引言

礦用自動風門主要用于礦井通風系統中行人過車較為頻繁的采區巷道及主要巷道。在煤礦井下發生事故時，由該事故直接造成的傷亡僅占一小部分，而絕大部分是由于風流中的有毒有害氣體導致的傷亡，因此控風設施和決策支持系統在應急救援中的作用越來越重要。本文首先分析總結了災變時期風流紊亂的基本表現形式，風流紊亂熱力分布及基本控風措施等理論基礎，提出了災變時期防止災害擴大化的基本控風原則。而風流短路和局部區域反風的風流控制方法需要預先在巷道中設置常開常閉風門組實現風流控制。本文將常開常閉風門組和監控分站定義為控風設施，其與地面上位機和地面中心站組成控風決策支持系統。其以風流短路法為控風思想，達到了防止膠帶巷火災產生的有毒有害氣體侵入工作區域的救災目的。

1 項目概況

遠程控風設施作為控風決策支持系統中的執行機構包括機械結構和監控分站兩方面，設計研究了一種新型壓力平衡風門作為控風決策支持系統中的控風設施，其機械結構主要包括傳動機構和機械閉鎖裝置兩個核心模塊。傳動機構由鏈、桿、傳動輪和兩個氣缸組成，動力氣缸作用于傳動桿上使風門異向同步開啟，在關門過程中緩沖氣缸起緩沖作用使關門平穩，而機械閉鎖裝置能夠在災變時期被解除達到救災目的。并對實現其遠程控制的監控分站硬件、輸入輸出設備做了設計和選型，對控制核心PLC地址和程序做了分配和編寫。采用了線性和模塊化相結合的編程思想，用以轉換為中心的順序功能圖程序設計法對PLC 軟件進行了編程設計。縱觀煤礦自動風門的發展歷史和目前的應用情況，研究一種全新的自動風門勢在必行[1-3]。

2 新型自動風門特點

2.1 門體結構特點

井下負壓較大，風門作為隔斷風流的通風設施，往往開啟費力，而關門過程重由于負壓作用關門過快易傷過往行人。而基于風壓平衡原理的風壓平衡風門實現了兩扇風門異向同步開啟，將風壓轉換成傳動裝置的內力，無論自動手動模式，有開啟平穩等優點。因而遠程控風設施門體結構采用異向同步啟閉的壓力平衡風門。

2.2 執行機構特點

井下壓氣系統使用方便，以壓氣為風門開閉提供動力源，氣缸將壓氣動力轉換為機械能，實現風門啟閉。自動風門工作模式時，使用二位五通電磁閥切換氣流方向，執行開關門動作。

2.3 控制核心特點

采用SIEMENS S7-200 PLC 可編程序控制器作為控制主機。由于PLC的高可靠性和特別適用于過程控制的特點，目前被煤礦自動風門廣泛采用。

2.4 機械閉鎖裝置特點

機械閉鎖裝置無論處于自動或手動模式要求能夠實現避免同時開啟兩道風門造成通風系統風流短路的功能。

3 自動風門結構構造

現有壓力平衡風門實現異向同步開閉的裝置穩定差、風門關閉過快、易傷過往行人和損壞風門，且在控風決策支持系統中需要兩道風門同時開啟時不能解除機械閉鎖使得兩道風門同時開啟。鑒于以上普通風門的不足及不能滿足在特定情況控制風流要求，設計研究了一種既能手動開啟又能應用于控風決策支持系統中遠程控制兩道門同時開啟的礦用自動風門。因此提出了礦用自動風門的三維初步設計如下頁圖1。

圖1 礦用自動風門三維初步設計

礦用自動風門結構設計如圖2 所示，主要由傳動機構、門框、閉鎖箱、閉鎖三角塊、恢復閉鎖限位彈簧、重錘、閉鎖失效動作氣缸、傳動輪、鏈條、傳動桿、門軸、動力氣缸、缸桿連接件、門開到位擋板、緩沖氣缸、缸桿連接件、門扇組成。

圖2 礦用自動風門結構設計

4 礦用自動風門模塊設計

機械產品的模塊化設計要在滿足功能要求的前提下，盡量以少量的模塊組成需要的機械產品。并且使各個模塊的連接容易方便，模塊化設計的本質就是模塊的獨立性和模塊的系統性，當機械故障發生時僅僅限制于某些模塊，不會影響系統的整體功能，且各個模塊由于連接簡單實現機械產品的整體功能，使得故障發生后模塊容易從系統中分離，方便于安裝和后期維護。

礦用自動風門的各個模塊傳動機構與門框、門扇實現了風門啟閉的整體功能，模塊結構包括風門門框、傳動機構、門扇、門軸、機械閉鎖裝置六部分，保證了安裝過程中的簡單可行。當風門的某一部分有故障時僅限于對此模塊的維修，并且各個模塊拆卸簡單，機械配件易于更換[4-6]。

4.1 門框和傳動裝置

礦用自動風門門框結構如圖3 所示。門框較為簡單地設計實現了無壓平衡風門其他模塊結構在門框上的固定。僅需要將門框固定好后把實現風門異向同步開啟的傳動裝置固定到門框上方即可。

圖3 礦用自動風門門框結構

4.2 門扇與門軸

每一個門扇上固定兩個門軸，門軸與門扇上連接門軸的相應位置相固定。門扇上方的門軸與傳動裝置內部的傳動輪相嵌入，使得傳動機構中的傳動輪可以帶動門軸使門扇呈90°轉動開啟，組成了其中一道風門。救災無壓平衡風門的模塊化設計使得無壓平衡風門安裝過程及后期維護維修簡單方便，可操作性強。門扇和門軸如圖4 所示。

圖4 門扇和門軸

5 自動風門傳動機構設計

礦用自動風門實現兩個門扇異向同步開啟的核心機構是風門傳動裝置，傳動裝置中的傳動輪與門扇上部的門軸相嵌入。風門的傳動機構固定于門框位于門體上方，包括傳動輪、鏈條、傳動桿、門軸、動力氣缸、動力氣缸缸桿連接件、門開到位擋板、緩沖氣缸、緩沖氣缸缸桿連接件。平衡風門傳動動機構設計如圖5 所示。

圖5 平衡風門傳動動機構

當有其中一扇門要開啟時，通過本傳動裝置傳遞給另外一扇風門做與之相反的開啟動作，實現兩扇風門異向同步開啟的聯動作用。當行人或行車通過后，利用重錘自重帶動傳動輪將風門關閉。這種平衡風門傳動裝置，達到開啟平穩、安全可靠的開啟兩門扇的效果。本聯動機構實現風門的風壓平衡，開啟力小，沒有轉動死點，既保證了人員順利通過，又杜絕了巷道中漏風、通風短路等現象的發生。

6 自動風門防火設計

救災無壓平衡風門的門扇內部填充防火材料巖棉，巖棉主要用于防火隔離帶。在常溫下，巖棉導熱系數可達到0.040，熔點在600～1 000 ℃之間，本身屬于無機質硅酸鹽纖維，防火性能為最高級（A1級），具有絕佳的防火性能。遇到火災時，不會引起煙霧或造成火星，不會釋放出有毒氣體，絕不會導致火勢蔓延[7-9]。

7 結語

與現有技術相比，此項設備采用紅外傳感器感應行人車輛通過信號，采用位置傳感器檢測風門開閉狀態，向控制器傳送控制信號，控制器輸出信號控制電磁閥動作實現風門動作，既能滿足正常通風時期保證行人過車的要求，又能滿足在特定情況作為常閉風門組預先被布置在特定巷道中，需要控制風流同時開啟時解除閉鎖同時開啟達到導通巷道風流的目的。