矿井风门的选型优化设计

■张海滨

（神东煤炭集团大柳塔煤矿 陕西榆林 719300）

矿井风门的选型优化设计

■张海滨

（神东煤炭集团大柳塔煤矿 陕西榆林 719300）

针对井下风门的应用现状，这里主要介绍了一种新型的压力平衡式自动风门，该风门采用的是压力平衡原理，通过一个四连杆机构，将风门所受到的压力转变为系统的内力，克服了以往单扇木制风门开启难、易损坏的缺点，提高了通风系统的稳定性，又是现条件下实现矿井快速反风的有利保证。研究了自动风门的组成和液压系统的控制机构，设计了应用可编程控制器实现风门自动控制的可行性方案，并给出了系统控制流程图和参考程序。整个系统抗干扰能力显著、可靠性高、环境适应性强。

煤矿井下风门可编程控制器相应程序

0 引言

在本次设计中，不仅要根据煤矿下的实际情况设计出一扇符合煤矿使用情况的风门结构，更要设计出一套自动控制电路来控制风门的开启和关闭，还要根据实际情况来选择风门的自锁方式，是电路自锁，还是选择液压自锁，抑或是两者同时控制，以保证风门的正常工作。电路设计时还要考虑到电气设备的选择，都必须符合国家煤矿防爆标准，防止意外事故的产生。

针对井下风门的应用现状，研究了自动风门的组成和液压系统的控制机构，设计了可编程控制器实现风门自动控制的可行性方案。

1 压力平衡式自动方案设计

风门属于通风构建物的一种，作用是用于截断风流，不可避免的，无论是风门的开启还是关闭，都会受到风流作用在门上风压的影响。特别是在过往的单扇木制风门上，这一点表现的尤为明显。当风门受到较大的压力时，往往会出现开启难，易发生变形，易损坏的诸多缺陷，容易造成一些意外事故。要想解决这些问题，首先要解决的是怎么克服因为风流通过而作用在风门上的压力。

要克服风压，首先想到的是将风门门扇上所受到的压力转化为整个风门系统的内力，风门系统在受到风流影响时保持一种动态的平衡。

分三种方案进行论证设计：

（1）在原来单扇门的基础上进行一些改动设计，使之符合压力平衡的要求。

设计方案如下：整个风门由门框、门扇、门轴、门扇拉手和弹簧装置组成，示意图如图1所示。

通风方向如图所示，△P为巷道内风压。当风门上所受到的风力矩与弹簧力矩平衡时，风门的开启或关闭将变的容易，上面所提到的问题就能够解决。

（2）第二种设计是改变传统风门单扇门的设计，改为异向开启的双扇门设计，运用一个四连杆机构，使得两扇门上所受到的压力互相抵消，达到平衡的目的。该风门由门框立柱、门轴、门扇拉手、左支臂、平衡杆、横梁、右支臂、滑轮就、钢丝绳、关门重锤的组成，两扇风门通过左右两支臂有平衡杆连接起来，形成四连杆反风门系统，通过四连杆机构，可以使两扇门同时异向开启，靠关门重锤的作用使得风门能够自动关闭。风门的结构示意图如图2所示。

图1 单扇风门设计图

图2

风门的工作原理是在风门开关时，作用在风门上的风力互相平衡。如图所示，△P为巷道内风压，S为单扇风门的受力面积，L为单扇门的宽度，F1、F2为左右两扇门所受的风力，F3、F4为平衡杆在△P作用下所受的力，M1、M2门框上所受的力矩，Q左右支臂到门轴的垂直距离。

（3）第三种方案设计了以电液推杆为驱动装置的自动风门。风门的结构组成：如图3所示，为风门在巷道内布置的俯视图，该风门由门体、平行四边形连杆机构、电液推杆、机械触动检测开关、行程开关等部分组成，门体固定在巷道两邦的砌墙上，门体上部的平行四边形连杆机构使左右门扇联动，虚线对应风门打开时的位置。正常情况下，无车辆，机械触动检测开关SQ1、SQ3打开，没有发出动作信号，风门处于关闭状态，各部分不动作。当车辆通过开关时，靠车轮压动开关来获取信号，既SQ1或SQ2动作，控制电液推杆的伸出，门扇1顺时针转动打开，门扇2靠平行四边形连杆机构与门扇1连动，也顺时针转动打开。

为了保证安全，在车辆通过时，两扇风门不能关闭，靠SQ1、SQ2、SQ3三组触动检测装置实现，只要有任何一组发出信号，控制电液推杆保持伸出，并且，当车辆通过后，在三组触动检测装置都无信号发出的情况下，延时一定时间后方可关门，延时时间的长短可根据需要设定。此自动系统中两扇风门由一般的同向打开变为逆向打开，风压对两扇风门的作用力由平行四边形连杆机构的连动相互抵消，整个风门受力平衡，大大降低开门所需动力，可以选择尺寸重量较小的电液推杆，使整套装置结构紧凑，便于安装，节约能源。

图3

图4 液压系统原理图

液压系统：自动风门液压系统原理图如图4。在控制信号作用下，泵站启动，电磁铁YA2通电，活塞伸出，风门开启，当风门完全打开时活塞缩回到位，压下行程开关SQ4，电磁铁YA2断电，电磁阀恢复中位，风门保持在打开位置。直到三组触动检测装置SQ1、SQ2、SQ3都无信号发出时，延时到设定时间后，电磁铁 YA1通电，活塞缩回，风门关闭，当风门关闭到位压下限位开关SQ5时，泵站停止，电磁铁YA1断电，电磁阀恢复中位，风门保持在关闭位置。

综合比较以上三种设计方案，可以得出，第三种方案明显好于第一种和第二种方案，因为：

方案（1）理论上也能达到动态压力平衡的目的，但是却也存在着许多问题和不足，例如。在没有风力作用在门上是。如果没有东西把没卡住，门会被弹簧拉力拉开，在有风时没法其到阻风的作用，而且风门的布置一般是在一条巷道上分布几道连续的门，中间的风门在前后风门开启前不受风力的影响，不容易设置自动风门。风流经常不是恒定的，风门的动态力矩平衡很容就被打破，而且在风里较大时，还是会有开启困难，关闭是冲击大，易发生挤伤矿下工作人员的意外事故的诸多问题。

方案 （2）可以达到动态压力平衡及风门自动关闭和开启的目的，但结构复杂，操作不便，需经常维修。

方案（3）的设计就没有这些问题，理论上说。无论在巷道中的风流压力有多大，只要风门足够的可靠坚固，压力平衡都不会改变，风门的开启或关闭都不会受到影响，适用性明显比第一种方案好，而且两道风门由同一台可编程控制器控制，互锁可靠，不会造成风流短路；采用可编程序控制器，编程简单，使用灵活、通用性强，而且可编程序控制器面向工业生产现场，在产品设计时就采用了屏蔽、隔离、滤波、联锁等安全防护措施，有效地抑制了外部干扰，防止误动作。可靠性高、环境适应性强。

综上，选择方案（3）而为此次压力平衡是式风门设计总体方案。

2 结论

压力平衡式自动风门是一种新型的风门，是在原来单扇木制风门的基础上发展和完善起来的，该风门的出现，解决了传统的单扇木制风门所存在的风门大、开启难、易损坏等缺点，该风门所具有的开启和关闭不受风压影响的种种优点决定它必然取代原有的单扇木制风门，成为现阶段矿用风门的首选。配套上一套完整的自动控制电路，技能够实现风门开启和关闭的自动控制，控制电路中的连锁设计，又能够保证整个通风系统安全稳定的运行。即使碰到停电，该风门也能手动轻易开启，不会影响煤矿下的正常工作和系统的通风。

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TD72[文献码]B

1000-405X（2015）-11-16-2

张海滨，男，太原理工大学在职研究生，机械设计制造及其自动化专业，助理工程师，研究方向为机械设计。