矿用防爆电动调节阀设计改进

之前介绍SY42AX煤矿水管路减压阀应用案例，现在介绍矿用防爆电动调节阀设计改进 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。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。电动调节阀普遍存在控制精度低、安全性差,难于现场标定和维修等问题。

上海申弘阀门有限公司主营阀门有：蒸汽减压阀,减压阀(气体减压阀,可调式减压阀根据存在的问题并结合煤矿瓦斯具有易燃易爆、腐蚀性强等特点,研究设计一款操作方便、结构简单、功能齐全和便于集中控制的阀门电动调节装置,终实现电动调节阀门的开度调节控制功能,满足煤矿现场生产的需要。电动阀门控制器的智能化水平,设计了一种新型矿用部分回转电动阀门控制器。该控制器采用数字编码技术实现高精度阀门位置检测,采用电流检测实现高可靠的电动机过力矩保护功能,与传统的矿用阀门控制器相比,接口和控制方式更加灵活,智能化程度更高。
1矿用防爆电动调节阀设计改进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，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
产品特点
1、该装置防尘、防水、防轻腐蚀、其防护等级为IP55、IP65。
2、转矩控制机构动作可靠、调节方便、转矩重复精度高。
3、行程控制机构调节精度和重复精度高，开向和关向可配装置各2只至4只微动开关。
4、在低速档上采用半自动手/电动切换机构，结构简单、工作可靠、操作方便。
5、采用阀门电动装置用三相异步电机，启动转矩大、转动惯量小。
6、配有机械式阀位指示器。
工作环境和主要技术参数
3.1 电源：常规，三相380V（50Hz）
特殊，三相660V、415V（50Hz、60Hz）；
单相220V、110V（50Hz、60Hz）
3.2 工作环境
3.2.1 环境温度： -20~+60℃ （特殊订货 -40~+80℃）
3.2.2 相对湿度：≤95%（25℃时）
3.2.3 防护类型
3.2.4工作制：短时10分钟（特殊订货30分钟）


2 矿用防爆电动调节阀设计改进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大力矩，一般情况下输出力矩是大力矩的墓1 .2倍。

       阀门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一电动装置的大输出扭矩，N "  m;n一电动装置的输出转速，一电动装置的整机效率K-阀门电动机的利用系数，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。

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。
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。
三级减速:三级减速为单头蜗轮蜗杆传动，其传动比i3为48。
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。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。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

序号	名称	型号	规格	单位	数量
1	电动球阀	Q9B41F-64C  DN150  PN64		套	2
2	矿用隔爆型电动装置控制箱	KXBC-3*15/660DZ		套	1

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。手电动切换机构示意图


3矿用防爆电动调节阀设计改进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 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。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 ;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。


矿用防爆电动调节阀设计改进安装、拆卸及注意事项
1、本电动装置的安装形式无原则要求，但电机处于水平状态，电气箱盖处于水平或垂直向上状态为安装形式，这样有利于润滑、调试、维护和手动操作；
2、安装时应保证维修检查人员拆卸各部件所需的空间；
3、安装与阀门连接的牙嵌轴向间隙不少于1~2mm；
4、与阀门连接的螺栓不得低于8.8级；
5、当用于明杆阀门时，应检查阀杆伸出量与阀杆护套的长度是否相符；
6、当需要拆卸时，应先将手动手轮旋转数圈，在阀门稍开状态下进行；
7、安装、拆卸、调试时不可损伤密封面、密封件和防爆型电装的防爆面，并应在隔爆面上涂防锈油，电气罩盖应盖严紧固，以防雨水或潮气进入；
8、视窗不得与硬物碰撞；
9、本电动装置为短时工作制，持续工作时间不得超过铭牌标定时间；
10、阀门不经常使用时，应定期检查保养并操作运行，建议每月至少一次，运行时间不超过10分钟。



4矿用防爆电动调节阀设计改进结论
     (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。与本文相关的论文：自力式煤气调压阀组​