毕业设计（论文）-井下平衡风门的设计目的与研究方向.doc

I 摘要 目前，随着我国经济的迅猛发展，对于资源的需求量越来越大，而当今的资源大部 分还是来自矿产。因此对采矿业也有了更高要求，不仅有数量和速度上的要求而且对于 安全性也有了更高的要求。井下通风是确保井下安全生产的一个重要环节，通风设施中 隔断风流的设施主要是风门。因此风门的研究和设计对井下安全生产具有重要的意义。 本文主要是介 绍井下平衡风门气动控制系统设计过程，与以往的风门相比该风门的 主要优点是：因为两扇风门的开启方向是相反的，风门两侧的风压平衡故开启风门所需 的力小，同时该风门安装了一套自动控制系统，从而实现了风门的自动开启与闭合；设 计过程主要包括风门的结构设计和风门的控制系统设计，在风门的结构设计主要是利用 四连杆机构实现风门的反向开启；控制系统的设计主要利用数字电路、低压电路与气动 控制系统结合实现风门的自动开闭同时保证两道风门的互锁关系。 井下平衡风门的设计大大节省了人力和操作时间，必将得到越来越广泛的应用。 关键词：风门；平衡风门；通风；自动控制 井下平衡风门气动控制系统 II Abstract At present, with the rapid development of our economy, the growing demand for resources, and the most from mineral resources or. Therefore for mining a higher requirement, not only quantity and the speed of the requirements for safety and also had higher requirements. Underground mine ventilation is to ensure the safety in production, is an important link in the partition of ventilation facilities is mainly throttle.in airflow. So air door the research and design of mine safety production has the vital significance. This paper is mainly introduced air door in pneumatic control system in balance with the previous design process, compared with the main applications air door in advantage: Because of the two opposite direction is being opened, the wind is being opened on both sides of the balance of the force needed after being small, meanwhile, the installation of a set of automatic control system, so as to realize the automatic open and closed air door, Design process including applications in the structural design and the control system design, after being in the structure design is mainly realized using 4-linkage mechanism of reverse air door in open; The design of control system using digital circuit, low-voltage circuit and pneumatic control system with the open and close automatically after realizing that two applications and interlock relationship. The design of underground balance being saved the manpower and operation time, will get more and more widely. Keywords: air door；balance air door；Ventilated；Automatic control. III 中国矿业大学 1 目录 前言 .1 1.1.井下平衡风门的设计目的与研究方向 .2 1.1 井下平衡风门的设计目的和作用 .2 1.2 风门的分类 .3 1.2.1 普通风门和防火风门的介绍.3 1.2.2 自动风门分类与介绍.6 2.井下无压平衡自动控制风门介绍 .9 3.风门的结构设计 .11 4.风门的控制系统设计 .13 4.1 风门控制系统的总体介绍 .13 4.2 电路各个元件介绍 .16 4.2.1 光电开关.16 4.2.2 单脉冲发生电路.16 4.2.3 COMS 脉冲展宽电路.17 4.2.4 延时电路.18 4.2.5 JK 触发器.19 4.2.6 RS 触发器和与非门 RS 触发器.19 4.2.7 脉冲触发开关.21 4.2.8 光电断路器.21 4.2.9 风门安全装置的控制电路.23 井下平衡风门气动控制系统 2 4.2.10 手动防爆开关.24 5 风门的气动控制系统.25 5.1 减压阀 .25 5.2 安全阀 .26 5.3 双电控直动式电磁阀 .26 5.4 气缸的选择 .27 5.4.1 气缸的分类.27 5.4.2 气缸的选择和计算.28 6.结论 .38 致谢 .39 参考文献 .40 中国矿业大学 1 前言 我国是世界上疆域辽阔、成矿地质条件优越、矿种齐全配套、资源总量丰富的国家， 是具有自己资源特色的一个矿产资源大国。在经济迅猛发展的今天，经济发展对于资源 的需求量也越来越大，资源已经直接制约着经济的发展，而当今的资源大部分还是来自 矿产。因此对矿产开采也有了更高要求，不仅有数量和速度上的要求而且对于安全性也 有了更高的要求。矿难事故不仅造成了巨大的经济损失，更重要的是它夺去了无数矿工 们的宝贵的生命。因此，井下安全问题是矿业生产的重中之重，解决井下安全问题已经 成为一个迫在眉睫的问题了。 井下通风是确保井下安全生产的一个重要环节，通风设施中 隔断风流的设施主要是 风门。矿井的隔断风流设施 中风门的主要作用是用于煤矿井下进风巷和主要进风巷之 间每个联络巷道中。 在不允许风流通过 ，但需行人或行车的巷道内 ，必须设置风门 将巷道中的风流截断，以防止巷道中发生风流短路。风门是生产巷道挡风密闭或调节 风窗密闭墙上安装的可以随时开启的门，以便于运输和行人通过。 以往的风门是单向开启，开启力大而且主要是靠人亲自打开，不仅消耗了工作人 员的大量体力而且工作并不可靠，经常实现不了两道风门的互锁而造成井下巷道中的 风流短路。为了满足开启自如、关闭严密、联动锁闭的要求，现如今不少矿区研制了 多种不同结构的自动风门。如撞杆式自动风门、压力平衡式自动风门、光控压风自动 风门、微波监控自动风门等等。这些结构不同，动力源不同的自动风门，虽在一些矿 井使用较为成功，但还没有一种结构的风门得到普遍推广。分析原因，可能是由于井 下巷道对自动风门有许多不利条件，如矿山压力、潮气和脏污杂物等影响风门复杂传 动装置动作的灵活性，以及有些自动风门结构复杂，维护困难等原因。 实现风门自动化管理是提高通风系统可靠性和经济效益的必由之路。通过风门自 动化，不仅取消人工守护管理开启风门，而且减少车辆撞坏风门现象和维修工作量， 方便了运输，也提高了通风系统的稳定性，杜绝风流短路，减少了事故隐患。 井下平衡风门气动控制系统 2 1.井下平衡风门的设计目的与研究方向 本章主要介绍风门的设计目的和研究方向，阐述风门在通风系统中的作用，介绍以 往风门设计的特点和现在风门研究的方向和优点。对几种常见风门作简单介绍，从对比 中总结各自的优点 1.1 井下平衡风门的设计目的和作用 井下事故的主要原因之中瓦斯爆炸而引起的事故占相当的比例。瓦斯爆炸是由于瓦斯， 又名沼气，化学名称叫甲烷。它是一种无色、无臭、无味、易燃、易爆的气体。如果空 气中瓦斯的浓度在 5.5上 16时，有明火的情况下就能发生爆炸。瓦斯爆炸会产生高温、 高压、冲击波，并放出有毒气体。要防止瓦斯爆炸的最好办法是降低可燃气体的浓度， 因此井下必须进行通风，不通风就不能保证安全和维持生产。故矿井通风是矿井生产 环节中最基本的一环，它在矿井建设和生产期间始终占有非常重要的地位。因为井 下要生产就要有人，人没有氧气就不能生存。其次人们在井下生产过程中不断产生有 毒有害气体，如：一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、沼气等，如 果不排除这些气体人们也无法生产。井下由于受地温等因素的影响需要对井下恶劣气 候条件进行调节。矿井通风的基本任务是： （1）供给井下足够的新鲜空气，满足人员对氧气的需要。 （2）冲淡井下有毒有害气体和粉尘，保证安全生产。 （3）调节井下气候，创造良好的工作环境 。 矿井的隔断风流设施 中风门的主要作用是用于煤矿井下进风巷和主要进风巷之间 每个联络巷道中。 在不允许风流通过 ，但需行人或行车的巷道内 ，必须设置风门 将 巷道中的风流截断，以防止巷道中发生风流短路。风门是生产巷道挡风密闭或调节风 窗密闭墙上安装的可以随时开启的门，以便于运输和行人通过。门洞与门扇的大小根 据运输工具的外形尺寸和轨道数量而定，一般门洞大约占挡风密闭总面积的 30%90%。风门的作用：在开启时车辆和行人通行；关闭时是密闭的重要组成部分， 与巷道煤柱共同组成通风边界，起着改变风流方向，隔绝水、火、瓦斯和其他有害气 中国矿业大学 3 体的作用。因此，风门的漏风量和耐火性决定了风门的结构和质量。 主要运输巷道和运输频繁巷道设置风门，除了风门密闭的气密性要高之外，同时 要求风门的门框与门扇接触部位要严密不漏风。为了防止风门开启时风流短路，造成 通风系统风流紊乱，必须设置两道风门。两道风门之间的距离，分局列车长度而定。 当其中一道风门开启时，另一道风门是关闭的。为防止两道风门同时开启，要求两道 风门之间应有闭锁机构。为防止风门被风流吹开，门扇安装时只能迎着风流方向开启。 运输风门可安运输需要或管理要求选择单扇或双扇结构。开启自如，关闭严密，联动 闭锁是运输巷道设置风门的总要求。 其主要的原理图如下 ： 图 1-1 风门的作用示意图 如上图所示的巷道结构，高速高压风流从进风口 A 进风从出风口 B 流出，途中应从 巷道口 C 经过巷道中的工作区段，在这个区段中是矿工进行采矿操作的地方，因此应该 保证这个区段的良好的通风条件，保证空气中的瓦斯气体的浓度保持较低的浓度，同时 保证足够的新鲜空气供工作人员呼吸。而巷道 D 是供运输车通过和人员通过的巷道，但 是一般情况下巷道 D 是不允许通路的，因为当巷道 D 通路时，风流会从巷道 D 通过而不 从巷道 C 经过。因此巷道 C 被短路，这种情况下是不允许的，在有人员通过时需要保证 巷道 D 一直处于闭路状态，这时就需要图中所示的风门这种装置来解决这个问题。 1.2 风门的分类 1.2.1 普通风门和防火风门的介绍 风门按用途分：有普通的和防火的风门两类。普通风门的门框和门扇是用木料制成 或用金属板制成。防火风门的门框是用金属材料制成，门扇是用木制门扇包铁皮或波形 井下平衡风门气动控制系统 4 铁板制成。 木制普通风门的门扇是用厚度不小于 2025mm 的木板分两层拼接钉成，两层木板互 相交叉放置，木板之间采用错缝钉接，来那个曾木板之间有一层不透气的风筒脚步或粗 毛毡，然后用金属扁钢做横条，用螺栓将两层木板及夹层紧紧地连接固定在一起，扁钢 宽度不小于 40mm，厚度 45mm。在扁钢条带的一端做成铰链销孔，用以与门框上的门 轴呈铰链连接。为了防止门扇歪斜和下垂，再用同一规格的扁钢在门扇两条金属横条之 间钉上一条或两条斜拉撑，并与横条或边框作齿槽连接。 门框可用木制也可用角钢或槽钢制做，并预先固定好或焊接好门轴。在砌筑风门时， 要牢固地把门框锒砌在门垛里的墙壁里。当轨道通过风门时，风门下方的轨道应用道渣 填严密，只露出轨头。或将下门框的道床用混凝土做成固定道床。为了使门扇边缘与门 框很好地接触，门框与门扇相互接触部位做成 45 度激动的写卖弄，并在门扇四周边缘钉 上风筒胶布，防止漏风。为能使风门自动关闭，门框应安装成 85 度的倾角，大概风门开 启的水平角不超过 90 度时，门扇能自动关闭。 金属风门或防火风门，是用角钢或扁钢和厚度 34mm 的钢板铆接和焊接的门扇构成。 为了防止变形和有较大的强度，门扇上焊有角钢拉条。为了使风门与门框能紧紧地靠在 一起不漏风，要在门扇周围固定风筒胶布，挡在门扇与门框部位的缝隙。如果有电机车 架线通过风门，应将门扇上部留有不大于 10cm 的空隙，并用半刚性绝缘橡胶 固定在门 扇上。 普通金属风门有很高的导热性，在火灾期间受热便失去它的强度而产生变形，门扇 与门框之间形成较大空隙，火焰和火烟流便会从空隙中烧出。因此，普通金属风门不能 做为防火风门使用。在防灭火挡风墙上安装的风门必须是防火门。根据门扇结构分有包 铁皮的木风门和波形铁板铆接的风门。 包铁皮的木制风门结构与一般普通木制风门基本相同，所不同的是在门扇外侧铺一 层石棉板或用泥浆浸渍过的毛毡，然后再包上厚度 12mm 的铁皮。虽然这种结构的门扇 比金属风门可靠一些，但它的耐火极限仍然不高。原因是木门用铁皮包严后，当温度达 到 270280 度时，产生木材感召会发性气体燃烧，并波及到不受热面的一侧，使铁皮变 形，门扇失去气密性，透过火焰，使风门未受热面的挥发性气体和蒸汽混合物着火，风 门也燃烧起来。 为了提高包铁皮风门的耐火性，可在铁皮上做两个安全孔（出气孔） 。它分布在门扇 中国矿业大学 5 长度的中间，距门扇上下边缘大约是门扇长度的 1/4 位置。安全孔的总面积和孔径可计算 求得。如果是用石棉板做隔热层，安全孔要闯过石棉板，打到木板上。如果是用泥浆浸 渍过的气体散放，使门扇顶住火的作用，不让火焰向外透过，直到木质碳化为止。这种 风门耐火极限，比一般无安全孔门扇大约大一倍以上。 波形铁板铆接的门扇是由两层波形铁板铆接而成。一层波形铁板的肋垂直另一层波 形铁板的肋，在两层波形铁板中间放置一层石棉板，并牢固地铆接在一起。这种门扇在 任何方向强度都具有刚性，受热时基本不弯曲，中间放置的石棉板以及波形板肋间有空 气，都能阻止风门受热时温度迅速升高。已经封闭的火区，为了探清火源或为灭火任务 创造条件，有时在防火灭火密闭上设置双重风门，即在防灭火密闭的内、外墙分别安装 有防火门，有的矿区称这种风门为锁风门。用于矿山救护队员探查火源或执行其他灭火 任务通过，门洞高度为 1.0m，宽度为 0.7m，铁制门框，包铁皮门扇。这种双重风门能提 高风门的耐火性极限，当其中一个风门受热时，另一个风门就成为阻热的屏障。 设计防火风门的主要指标是耐火性极限。包铁皮的木制防火风门的耐火极限决定于 木板厚度、隔热层厚度和形式、以及包铁皮的结构特点等。 1.包铁皮防火风门的耐火极限计算 （1） 石棉板隔热层的包铁皮防火风门 包铁皮门扇上有安全孔时： (1-1) 4 4.5d0.74DD 包铁皮门扇上无安全孔时： (1-2) 5 2.5d0.17DD （2） 用泥浆浸渍过的毛毡做隔热层的包铁皮防火风门 包铁皮门扇有安全孔时： (1-3) 4 2.3d0.57DD 包铁皮门扇无安全孔时： 井下平衡风门气动控制系统 6 (1-4) 5 1.2d0.13DD 式中 耐火极限，min； d隔热层的厚度，mm； D木质层的总厚度，mm。 选用石棉板隔热层的包铁皮风门，d=50mm，D=0mm，有安全孔。 因此 4 4.5d0.74D D4.5 500225min 2安全孔的总面积 S1 和孔径的计算 （1）安全孔总面积 S1： S1=0.005S （1-5） （2）安全孔直径： （1-6） 4 0.056 S 或简化为 （1-7）6 S1 式中 S门扇面积， 2 m S1安全孔面积， 2 m 安全孔直径，cm 安全孔总面积 2 S1=0.005S=0.0051.98=0.0099m（） 安全孔直径 4 0.056S 4 19790452.1 mm=0. 056（） 1.2.2 自动风门分类与介绍 实现风门自动化管理是提高通风系统可靠和经济效益的必由之路。通过风门自动化， 中国矿业大学 7 不仅取消人工守护管理开启风门，而且减少车辆撞坏风门现象和维修工作量，方便了运 输，也提高了通风系统的稳定性，杜绝风流短路，减少了事故隐患。 下面选择使用比较普遍的自动风门结构作一些叙述。 1. 撞杆式这自动风门 是目前使用较多的一种自动风门，分为单扇门和双扇门两种。这种风门没有动力源， 是靠车辆运行撞击门扇开启，车辆通过后，门扇借助风压和弹簧作用自动关闭。 2. 闭锁联动式风门 闭锁联动式风门是由联动钢丝的来年各个端头分别与两个风门的门扇相连接，由于 钢丝绳的长度及风门间距是固定的，故其中某一个风门扇开启，另一个门扇关闭，不能 打开。这样就保证了两道风门不能同时开启，防止风流短路，提高了通风系统的稳定性 和安全性。 这种风门结构简单，仅有一条钢丝绳，为了提高联动的可靠性，宜选用直径较小、 伸缩性小的钢丝绳；为方便人行和通车，钢丝绳在门扇的固定位置应在门扇上部 1/4 处； 钢丝绳在门扇的固定点与各个托钢丝绳的滑轮应在同一个平面上，防止受力不均而损坏。 3. 微波监控电动风门 微波监控电动风门是由控制部分和执行部分组成。控制部分主要有微波发生器、传 感器、编码器、清零电路、计数器、延时电路、控制器等组成。执行部分主要有电机、 螺旋丝杠、连杆、门扇等组成。 动作原理：当监控范围内有车辆或人员异动时，传感器向控制电路提供信号，分别 送至编码器和清零电路。送至编码器的信号，经计数器、延时电路再送到控制器，若此 时另一风门控制电路的闭锁系统无信号输入时，控制器动作，控制电机带动螺旋丝杠转 动，拉动连杆将风门开启，同时输出闭锁信号，给另一道风门的传感器，对分频器清零 使延时电路不起作用。此时，只要监控区内有车辆或人员移动，另一个传感器就对分频 不断清零，只有当移动目标消失后，传感器停止输出信号，延时电路开始延时，控制器 动作，使电机反转，将风门关闭，解除另一道风门的闭锁，进入下一个动作循环。 井下平衡风门气动控制系统 8 图 1-2 微波监控电动风门动作原理示意图 这种风门执行部分占用空间小，传动装置之间皆为刚性联接，消除了传动误差，在 正常情况下能真正实现风门开启、关闭的自动化和风门间的闭锁。因结构简单，动作准 确可靠，安装和使用、维护都很方便，是目前使用较多的闭锁式自动风门。 虽然上述几种风门各自有其不同的优点，但以上几种风门又有其不足之处，例如， 撞杆式自动风门没有动力源，是靠车辆运行撞击门扇开启，车辆通过后，门扇借助风压 和弹簧的作用自动关闭。因此这种风门只适用于在有矿车经常经过的巷道内，另外，风 门的自动关闭是靠风压和弹簧来实现的，当风压不稳定或弹簧受工作条件影响不能正常 收缩时，将会造成风门不能正常关闭；闭锁联动式自动风门虽然结构简单，仅有一条钢 丝绳，但风门距离较远时钢丝绳较长，这时必会造成风门的动作存在误差动作不准确。 其门扇的关闭也是靠风压或人工关闭，因此关闭不可靠浪费人力；微波监控电动风门虽 然有执行部分占用空间小，传动装置皆为刚性连接，传动误差小，但这种风门的启闭动 作不是很灵敏，对电机的转速有严格的要求，另外电动机的启动和停止都会产生电火花 会造成瓦斯爆炸的危险。若动力源选用气动系统就不会出现以上问题，通过对以上几种 风门比较，总结了他们的优点和不足，设计了井下无压平衡气动自动控制风门。 中国矿业大学 9 2.井下无压平衡自动控制风门介绍 本章主要是对所要设计的井下无压平衡风门进行介绍，从风门的组成、结构、工作 原理、优点等方面介绍，目的是要对井下无压平衡风门有一个初步的了解。 风门的基本构造是由两道或三道门组成，在有人员通过的工程中一定要保证有一道 门是关闭的，及保证巷道 D 闭路。以两道门为例：风门是由门 1 和门 2 组成，当工作人 员通过门 1 时门 2 保证关闭，当工作人员通过门 2 时风门 1 保证关闭门 2 开启。 风门工作的基本流程图为： 图 2-1 风门工作流程图 该风门的主要特点是： 1.该风门的两扇风门开启方向相反，风门两边的风压平衡，因此开启力小，开启力与 巷道内风压的大小和方向无关。 2.采用了双道风门密闭形式，漏风量小。 3.采用电子声光信号语音报警，随时知道风门的使用状态。 4.简单实用的机械闭锁结构，避免两扇风门同时开启。 井下平衡风门气动控制系统 10 5.防腐、防潮、防燃、高强度不变形。 6.结构简单，易维护。 该风门主要适用条件是无严重滴水和溅水环境，瓦斯和其他有爆炸性气体，煤尘环 境。 与以往传统的手动风门不同，气动自动风门是无需人直接开启而实现自动开关。因 此需要气压缸提供动力，气动系统的主要优点是： 1空气容易获取、且工作压力低，用过的空气可就地排放，无需回收管道。 2.气的粘性小、流动阻力损失小，便于集中供气和远距离输送 。 3.气动执行元件运动速度高。 4.气动系统对环境的适应能力强，能在温度范围很宽，潮湿和有灰尘的环境下可靠工 作，稍有漏泄不会污染环境，无火灾爆炸危险，使用安全 。 5.结构简单、维护方便、成本低廉 。 6.气动元件寿命长 。 7.气动元件的执行输出比液压小、运动较快、适应性强、可在易然、易爆、多沉、潮 湿、冲击的恶劣环境中工作，不污染环境，工作寿命长，构造简单，便于维护，价格低 廉。 其中气动系统应用于井下的最大的优点是其动力源无需另设，因为井上有一套要为 矿井提供高压高速风流的装置，因此可以直接取用作为动力源。 中国矿业大学 11 3.风门的结构设计 井下无压平衡自动控制风门的基本机械结构是一个铰链四杆机构如下图所示： 图 3-1 风门动作原理图 1 铰链四杆机构由双曲柄 1、3 以及连杆 2 和机架组成，当曲柄 1 转过一定角度时曲柄 3 也转过同样的角度且转向相同。如果将此铰链机构与两扇门焊接在一起就可以实现门的 开启与闭合了，具体结构图如下 图 3-2 风门动作原理图 2 如上图所示：当铰链四杆机构的一个曲柄从图示的位置 1 顺时针旋转 90 度到图示 2 的位置，此时另一曲柄也旋转 90 度，与两曲柄焊接的两扇门会以相反的旋转方向旋转 90 井下平衡风门气动控制系统 12 度，达到图示的位置，同理当曲柄以相反的方向旋转 90 度时，两扇门会以相反的方向旋 转 90 度，从而实现了门的开启与闭合。该风门是我国目前煤矿井下较为理想的一种风门。 它打破了长期以来老式传统风门的结构形式，巧妙地把作用在风门上的风压通过平衡机 构将其转化为一种内平衡力，充分显示出该风门结构独特，简单实用，安全可靠等突出 优点。 根据铰链四杆机构的运动特点以及风门基本尺寸将风门上安装气缸可以将风门的结 构设计成下图所示的形式： 图 3-3 风门结构图 中国矿业大学 13 4.风门的控制系统设计 4.1 风门控制系统的总体介绍 现在对风门的控制 系统和工作原理做以下介绍，在介绍风门之前先要说明一点，工 作人员在通过风门时，要尽可能地快速通过风门，不要在风门开启或关闭所扫过的非安 全区域停留过长的时间，以免风门在开启或闭合时伤到自己。以下为风门工作示意图、 气动系统示意图、电路控制系统示意图： 图 4-1 风门工作示意图 图 4-2 气动系统示意图 井下平衡风门气动控制系统 14 图 4-3 电路控制系统示意图 如图一：风门工作前风门 1、2 处于关闭状态，二通电磁换向阀处于闭路状态，四通 电磁换向阀处于使气缸收缩的位置，当人从左向右通过时，首先碰触光电开关 1，光电开 关 1 被导通，产生的电压使脉冲发生器的开关的继电器导通，继电器的导通使脉冲发生 器产生一个时钟脉冲，脉冲经脉冲展宽电路后被展宽，随后脉冲又经过脉冲延时电路被 延时 10 秒（延时时间可根据具体情况自己调节） ，10 秒后时钟脉冲经过脉冲延时器传到 JK 触发器，JK 触发器具有翻转的功能，由原来的低电平 0 翻转为高电平 1，发出的高电 平脉冲会触发 RS 触发器使其导通，而高电平脉冲经与非门后产生低电平，低电平是不会 触发 RS 触发器的，因此与非门 RS 触发器保持原来的状态，另一支路的 RS 触发器被导 通后发出的脉冲将脉冲开关 1 导通，此时低压电路中的一个支路被导通，有电磁换向阀 两端的线圈不能同时导通否则将会使其烧毁，因此这两个支路应设置成互锁关系，使一 个支路工作另一个支路一定处于断开状态。支路 1 导通后开关阀导通，换向阀换向，气 缸 1 通气后伸出， 气缸 1 伸出，风门打开，同时安装在气缸 1 上的光电断路器 2 工作，它使控制风门 2 的 控制电路处于断开的状态，此时风门的控制系统处于失效状态，在风门 1 开启时一直处 于关闭状态，实现了风门的互锁关系。同时发出警报（扬声器发出“有人正在通过，请 稍等” ，指示灯不停闪亮）告诉风门 2 一侧的行人稍等。10 秒后延时继电器自动断开，低 压电路失电。 当行人继续前行碰触光电开关 2 时，同样产生一个被展宽的脉冲经延时电路后触发 中国矿业大学 15 JK 触发器，JK 触发器翻转从刚才的高电平 1 翻转为 0，低电平的脉冲不会触发 RS 触发 器，但低电平 0 经与非门后变为高电平 1，触发 RS 触发器，因此与非门 RS 触发器发出 脉冲，脉冲使脉冲开关 2 导通，因此低压电路的支路 2 导通，电磁换向阀换向，气缸 1 收缩风门关闭，同时安装在气缸 1 上光电断路器 2 被关闭，风门 2 的控制电路处于正常 的工作状态。 当行人通过风门 2 时，光电开关 3、4 被导通，重复上面所述的工作过程。 另外还存在几种特殊情况需要讨论，检验这套控制系统在这几种特殊情况下是否能 够满足工作要求而正常工作。 第一种情况：当巷道内要有矿车或其他长度较大的物体通过时，此时必须使两道风 门同时打开，当然在这种特殊情况下允许两道风门同时开启。此时按下手动防爆开关， 支路中的继电器被导通使光电开关 1、2、3、4 同时失效，同时向两道风门控制电路中的 JK 触发器发出一个展宽脉冲，使两道风门同时打开。矿车或行人全部通过后，再次按动 手动防爆开关，风门 1、2 又同时关闭，此时继电器失电，光电开关 1、2、3、4 又处于 正常的工作状态。 第二种情况：当人通过风门 1 后且碰触了光电开关 2 后，此时风门 1 关闭，当有事 要返回到风门左侧时，再次碰触光电开关 2 时，风门在 10 秒后再次开启，工作人员可顺 利返回，因此满足要求。 第三种情况：当有若干人依次要通过风门 1 时，设甲乙丙丁四人依次通过风门 1， 甲首先通过风门 1 且碰触了光电开关 2。由于延时作用风门 1 将会在 10 秒后关闭。因此， 乙碰触光电开关 1 发出一个脉冲至脉冲延时器，延时器除了有延时的作用，还有重新计 时的作用即从 0 秒开始计时，10 秒后发出一个脉冲使风门 1 关闭，在这 10 秒内工作人员 有足够的时间通过风门，以此类推当最后丁通过风门 1 的 10 秒后，风门将自动关闭。因 此保证了工作人员依次通过风门时而不会导致人员受伤。 第四种情况：当在某些特殊情况下，若工作人员没有在规定的时间内安全离开非安全区 域时而被风门夹住。此时若不设置安全措施极易造成人员受伤，因此该套风门控制装置 设置了安全装置，该装置的触头安置在风门的重叠处，当风门关闭时中间没有障碍物时， 风门正常关闭，触发装置不会触发;当两道风门重叠时中间有障碍物（比如有工作人员被 夹住）时，触发装置被触发，触发装置会发出一个脉冲，直接经 JK 触发器、RS 触发器 井下平衡风门气动控制系统 16 控制换向电磁阀换向，气缸伸出，风门被打开，工作人员避免了被夹伤。 4.2 电路各个元件介绍 4.2.1 光电开关 光电开关与光电断路器都是光电转换器件，初级是红外光二极管，输出级为光电三 极管、达林顿型管或光电集成电路等。从原理上讲，光电开关与光电断路器无多大区别， 但光电开关的检测距离较大，从几厘米到几十米；在结构上光电开关不像光电断路器完 全是整体结构，也可以是发受分开的。 槽型光电开关，它的工作原理同光电断路器相似，槽口两侧分置发光二极管和光接 收器。发光器有红外发光管和可见发光管，光接收器可以分为光电三极管、达林顿光电 管和集成电路型等。在槽口无阻挡下，光路直通光电开关呈“亮通”状态；当被检测物 件插入或通过槽口时，光路被遮挡，光接收器得不到光呈高阻光电管只有暗电流呈截止 状态，即处于暗态。 4.2.2 单脉冲发生电路 图 4-4 单脉冲发生电路 如上图所示：继电器开关接通时，将产生与时钟脉冲同步的单脉冲，即使开关抖动 也不会产生多个脉冲，而产生与最初来到的时钟脉冲同步的宽度等于时钟周期的单脉冲。 红外开关的光路被阻隔时，产生低电平从而控制继电器开关导通，产生单个时钟脉冲， 再将产生的时钟脉冲传送到后边的控制电路，作为控制信号的来源，从而控制整个风门 中国矿业大学 17 控制系统。 4.2.3COMS 脉冲展宽电路 图 4-5 COMS 脉冲展宽电路图 CMOS 集成电路 MM74C04 接收正输入脉冲，在脉冲下降沿，电容器 C 迅速放电，驱动 MM74C14 施密特触发器，触发器输出一个展宽的脉冲信号。输出脉冲信号的周期 T 决定 于电阻 R、电容 C 及电源电压的大小。 井下平衡风门气动控制系统 18 4.2.4 延时电路 （a）延时电路 （b）输入输出波形图 图 4-6 延时电路 如上图（a）所示为可编程的时间延迟电路，通过 D/A 转换器控制的延时电路。用数 字量输入 D/A 转换器 AD7520，并使积分器的输出直接控制 ICL7555 定时器的上限阈值 ,使该阈值在不同输入数字量的作用下，得到不同的延时脉冲。该电路的延迟时间为 TH V 式中，D 为 2 进制码对应数值；为参考电压的恒流源电流（一般取 + n C2 T=V DI3 R I ） 。同时该延时器还有自动复位功能，即当在输出脉冲输出之前又有一个触发脉 R I1mA 冲触发时，延时器将重新计时，过延时时间后才输出脉冲信号。 中国矿业大学 19 4.2.5JK 触发器 图 4-7 JK 触发器 如图（a）为主从型 JK 触发器的逻辑图，它由两个可控 RS 触发器串联组成，分别称 为主处发起和从触发器。时钟脉冲先使主触发器翻转而后使从触发器翻转，这就是“主 从型”的由来。此外，还有一个非门将两个触发器联系起来。J 和 K 是信号的输入端，它 们分别与与 Q 构成“与”逻辑关系，称为主从触发器的 S 和 R 端，即从触QS=JQ,R=KQ 发器的 S 和 R 端即为主触发器的输出端。 4.2.6RS 触发器和与非门 RS 触发器 双控电磁换向阀的换向是通过阀体两端的两个电磁铁的通断电来实现的。要想实现气缸 的伸缩反复交替动作，就必须实现两个电磁铁轮流交替通电从而实现换向，因为从光电 开关发出的脉冲经 JK 触发器后有了高低电平（即 0 与 1）之分，因此可以利用这个特殊 性来控制两个电磁铁的交替通电，也就是光电开关传来的是高电平脉冲 1，则电磁铁 1 导 电，电磁铁 2 不作用；当传来的是低电平脉冲 0，则电磁铁 2 导通，电磁铁 1 不作用。为 了实现上述的功能，我们可以选用 RS 触发器，可控 RS 触发器的逻辑图为： 井下平衡风门气动控制系统 20 图 4-8 可控 RS 触发器 因为是通过导引电路来实现时钟脉冲对输入端 R 和 S 端的控制，故称为可控 RS 触发 器。当时钟脉冲来到之前，即 CP=0 时，不论 R 和 S 端的电平如何变化，G3 门和 G4 门 的输出均为 1。基本触发器保持不变只有当时钟脉冲来到之后，即 CP=1 时，触发器才能 按 R S 端输入状态来决定其输出状态。时钟脉冲过去后，输出状态不变可控触发器的逻辑 状态为： 表 4-1 可控触发器的逻辑状态 R S n Q 1n Q 功能功能 0 0 0 1 0 1n Q 保持保持 0 1 0 1 0 0 置置 0 1 0 0 1 1 1 置置 1 1 1 0 1 禁用禁用 根据需要我们选用 S=1,R=0 功能为置 1 的这种情况。因为只有 CP=1 时触发器才能正 常工作，利用这一特性可以在脉冲到达 CP 时将其做一定的变换，使 SR 触发器有识别的 作用。根据与非门电路特性：有 0 为 1，均为 1 为 0。 逻辑状态如下：Y=AB 表 4-2 逻辑状态Y=AB ABY 中国矿业大学 21 001 011 101 110 4.2.7 脉冲触发开关 此种开关的特性是利用较小的控制信号（一个脉冲）使低压电路导通，在风门的控制电 路中，当光电开关发出发出脉冲经过延时器、JK 触发器、RS 触发器后会给风门 1 的控制 电路中的一个支路输入一个脉冲，正是要利用这个脉冲来导通支路使双控电磁换向阀换 向，从而控制气缸的伸缩，其电路图如下： （a）脉冲接受放大电路 （b）风门控制电路的一个支路 图 4-9 脉冲触发开关电路 由于脉冲使一个在时间上和数值上都不是连续变化的数字信号而且信号较弱，为 了能让其控制其它低压电路，需要对其作放大处理，如图（a）当输入信号（脉冲）从 CP 端输入后，由于其为高电平 1，使晶体管 VT9012 的发射极导通产生电流，晶体管有放大 电流的作用，从而使 R2 中有电流通过（电流大小为, 为通过 R1 的电流，为晶体 1 I 1 I 井下平衡风门气动控制系统 22 管的电流放大倍数）则,由于的作用 KM1 被瞬间导通，支路中的继电器 011 U =RI 0 U 常开开关 KM1 导通，继电器 KM2 导通，继而继电器常开开关 KM2 导通，从而使此支路 被导通，实现了双控电磁换向阀的换向。 4.2.8 光电断路器 光电断路器的输入级一般是砷化镓发光二极管，而输出级的结构和组成则不同，按 照结构的不同通常将其分为槽型和反射型两大类，如下图 图 4-10 光电断路器的结构图 按照输出级的不同，除了采用光电二极管外，还有达林顿输出型和集成电路输出型等。 根据风门控制电路的设计需要，在这里我们选用透射型（槽型）光电断路器。透射 型光电断路器的发光器和受光器在沟槽两侧放置（如图（a）所示） ，故又称对射光电断路 器。它的工作原理如下：红外发光二极管的供电源采用稳定的直流电压，使流过管子的 工作电流保持在给定值，它所发射的红外光通过槽口直射至光电管的窗口，光电管将红 外光转换成相应的电流（一般为几毫安到几十毫安） ；当槽口插入不透明物体时（工件等） 时，光路被阻挡光电流变小（暗电流约为 0.1ua 左右） ，光电管几乎呈截断状态，因此根 据通过光电管及其负载的电流大小就可以判断有无物体通过槽口。 正是因为光电断路器有以上的工作特性，因此我们选择它来作为实现风门互锁的元件， 由于判断风门的开启与闭合的最直接而且最准确的方式是判断气缸的伸缩情况，当气缸 伸出时说明风门正在打开或已经打开；当气缸收缩时说明风门正在关闭或已经关闭，而 且将光电断路器安置在汽缸上可以方便准确地判断风门的状态且不容易损坏。因此可以 中国矿业大学 23 将光电断路器设置在气缸上如下图： 图 4-11 光电断路器安装示意图 当风门处于完全关闭状态时，气缸收缩至极限位置，此时装在气缸上的光电断路器 的光路被伸缩杆上的挡光片隔断，光电断路器的受光器中没有电流；当气缸伸出，挡光 片移开后，光电断路器的受光器中有电流通过。因此可以利用这个特性实现两道风门的 控制支路的互锁，为了安全上的双重保险，可以在互锁的基础上再设置报警装置，可以 在一个风门打开后通过语音和指示灯的闪亮的方式提醒另一个风门一侧的行人稍作等待。 因此可以设置以下光电断路器电路： 图 4-12 光电断路器电路图 井下平衡风门气动控制系统 24 4.2.9 风门安全装置的控制电路 在特殊情况下，当行人被风门夹住时，为了让风门自动打开需要在风门上安置安全 附加装置，它的主要原理是在风门上安装一个触点开关，当有人被夹住时就会碰触触点 开关，此时产生一个时钟脉冲控制封门打开，其电路如下： 图 4-13 风门安全装置电路图 4.2.10 手动防爆开关 如下图所示，手动防爆开关的按钮被安放在一个封闭的匣子里，为了防止由于一些 意外事件发生使其无意中被碰触使两道风门同时被打开造成事故的发生。当需要按动手 动防爆开关时需要将匣子打开，在匣子的开启处设置一个触点开关，当匣子被打开时开 关导通，电路中的继电器通电常开开关打开使红外光电开关产生的脉冲不能控制启动系 统，即使四个红外光电开关失效；当匣子被关上时触点开关被打开，继电器失电常闭开 关闭合，一切控制系统恢复正常。当打开匣子按动手动防爆开关时，开关点出产生单个 时钟脉冲信号，控制两道风门同时打开，再按动依次手动开关又产生一个脉冲控制两道 风门闭合。 中国矿业大学 25 图 4-14 手动防爆开关电路图 5 风门的气动控制系统 5.1 减压阀 在气动系统中，一个压缩空气站输出的压缩空气可供多个气动装置使用。主管路中 的压力通常可供多台气动装置使用，主管路中的压力高于每台装置所需的压力，压力波 动大。因此，每台气动装置的供气压力需要用减压阀减压，并保持压力稳定。 减压阀的分类： （1） 按调压方式分：直动式和先导式 （2） 按调压范围不同，减压阀可分为低压用、中压用、高压用三种，其调压范围分别 为 00.25mpa， 00.63mpa 和 01mpa， 0.051.8mpa 和 0.052.5mpa。 （3） 按有无溢流机构，减压阀可以分为溢流式、非溢流式和恒量排气式。 根据实际需要我们选用直动式中压用溢流式减压阀。 表 5-1 减压阀进口压力与出口的关系 进口压力进口压力0.160.40.631.01.21.62.54 最大可输出压力最大可输出压力0.10.250.40.630.81.01.62.5 井下平衡风门气动控制系统 26 根据煤矿供气设备可以提供的金控压力为 0.75mpa，利用差值法可以计算出最大出口压力 为：0.475mpa。 减压阀的使用： （1）在使用时，应尽量避免使用调压范围的下限值，最好使用上限值的 30%50%， （调 压范围是指减压阀出口压力的可调范围）并希望选用符合这个调压范围的压力表，压力 表读数差超过上限值的 20%。 （2）输出压力不得超过设定压力的最大值，普通值减压阀，出口压力不要超过进口压力 的 85%，精密型减压阀出口压力不要超过进口压力的 90%。 （3）注意气流方向，要按减压阀定值器上的箭头所示的方向安装不得把输入输出口接反。 5.2 安全阀 当管路中的压力超过允许的压力时，为了保证呢个系统回路或元件工作的安全，则 可以用安全（溢流阀）来实现自动