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煤矿用阀门智能电动执行器的设计

发布时间:2021-08-28 16:28所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:电动阀门作为煤矿使用的一种底层执行器,也需要数据集成输出、向智能化方向发展,以满足煤矿技术发展的需要。阀门智能电动执行器会成为阀门控制的发展方向,将具备远程故障自诊断、自动调节、电控一体、总线通信等功能,可降低阀门控制成本、精细化管

  摘要:电动阀门作为煤矿使用的一种底层执行器,也需要数据集成输出、向智能化方向发展,以满足煤矿技术发展的需要。阀门智能电动执行器会成为阀门控制的发展方向,将具备远程故障自诊断、自动调节、电控一体、总线通信等功能,可降低阀门控制成本、精细化管控矿山用水用气,充分利用资源。主要阐述了一种煤矿用阀门智能电动执行器的设计。

  关键词:数据集成;智能化;总线通信

煤矿机械

  0引言

  随着煤矿对工业控制要求的提高和向着精准化和智能化方向发展,特别是矿井瓦斯抽放系统、水泵自动控制系统等工业生产过程控制领域,对管路流体控制机构———阀门电动执行器提出了精准、智能的新要求。目前在煤矿井下广泛使用的电动阀门设计比较落后,基本都没有微处理器及大量集成电路,阀位检测大部分采用霍尔开关或机械触点方式,控制上采用无源节点控制方式,没有远程数字总线通信接口,也不能实现阀位的数字显示和比例调节,阀门在使用时布线较多,维护工作较大,传统的电动球阀已越来越难以满足煤矿的现场需求,因而研发一款满足我国煤矿行业实际需求的新型煤矿用隔爆型阀门智能电动执行器已经是必然的发展趋势。

  煤矿工程技术论文范例: 煤矿机械设备产生的故障及诊断技术

  本文设计的新型阀门智能电动执行器采用煤矿防爆设计,适用于煤矿井下具有瓦斯爆炸气体环境,执行器采用数字式阀位角度调节,检测精度高,带数字阀位显示,并且具有远程总线通信接口,使用、布线简单,另外还具有过力矩保护和故障自诊断功能,通过工业试验与现场应用验证,该执行器使用方便,运行稳定可靠。

  1阀门智能电动执行器总体设计

  矿用阀门智能电动执行器主要适用于球阀和小口径部分回转蝶阀的控制,执行器主要由电气控制和机械传动两部分组成,执行器通过传动机构将动力传输给阀门,带动阀门正反旋转达到控制阀门开闭的目的。电气控制模块主要功能是接受控制指令,采集一些传感器信号,进行综合判断运算;机械传动模块将电机电能经过多级减速转成机械能,驱动阀门开闭。

  2结构设计

  (1)传动设计

  该隔爆型阀门智能电动执行器适用于控制管径为准65mm、准50mm、准40mm、准32mm的球阀和管径为准50mm、准80mm、准100mm的蝶阀的开闭,针对该应用场景,设计了一种机械传动方案,采用直齿轮+蜗轮蜗杆传动方式。

  该设计有如下特点:①直流电机卧式放置;②直流电机输出扭矩通过直齿轮组一级减速传递到蜗杆轴,再通过蜗轮蜗杆啮合,将扭矩传递到主轴,实现大扭矩的效果;③蜗轮和蜗杆成90°夹角布局,可实现互锁功能和相对较大的输出传动比;④齿轮组起到减速以及联接电机与蜗杆的作用;⑤冲击载荷小,零部件组装方便,传动平稳;⑥成本相对较低。结合煤矿井下工作环境,设计执行器所需最大扭矩在90Nm左右,且开启次数较少;综合比较分析,球阀采用直齿轮和蜗轮蜗杆组合传动方式比较合适,蜗轮设计为全齿,便于控制,直齿轮和蜗轮蜗杆组合传动方式结合了直齿轮与蜗轮蜗杆传动的特点,传动平稳、效率较高。

  蜗轮蜗杆减速箱采用模块设计,整体组装完成后再装入隔爆外壳内。根据使用要求,估计电动球阀开阀、关阀各10次/d,要求输出转速为1r/min左右,输出扭矩为90Nm。按照电机选型要求,比如输出力矩大、体积小、重量轻、实际工况要求、减速比等,综合对比2种电机的参数,在相同扭矩下,选择体积较小、转速较高的电机。

  传动设计方案:根据小力矩电动执行器的结构特点,通过电机内置布局的方式来节省空间,设计方案为直齿轮+蜗轮蜗杆传动方式,传动方案参数:总传动比68.4总效率0.65输出转速/r·min-10.87输出扭矩/Nm136.7质量/kg约12外形尺寸/mm准173×191传动比的分配应按照以下原则:①各级传动机构的承载能力应均衡;②执行器的尺寸与质量应尽可能地小;③根据应用需求,执行器的各级减速传动齿轮转动速度相对较小;④润滑采用油脂润滑。电机输出直接采用行星齿轮减速,降低了输入轴和各级齿轮的运行速度,减小对各级齿轮的振动和冲击,提高传动的稳定性。

  因此,只要材料强度满足要求,输出轴上的转速在满足应用需求的前提下是越小越好。蜗轮蜗杆与直齿轮分配传动比:根据设计要求,满足圆柱直齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度,以及电机输出轴与蜗杆的间距,设计齿轮模数为1.5mm,传动比约为1.8,小齿轮齿数为19,大齿轮齿数为35;选用标准的蜗轮,依据蜗轮齿面接触设计强度和蜗轮齿根弯曲校核强度,选择蜗轮蜗杆模数为1.6mm,传动比为38,中心距为40mm。根据执行器输出扭矩相对较小和结构简单的设计要求,手动切换机构采用半自动电动切换、高速轴切换形式。

  通过推动手把带动离合轴,直齿轮组脱开啮合的同时离合轴与蜗杆轴卡合,达到自动手动切换的效果,通过手柄带动直齿轮+蜗轮蜗杆传动实现手动操作。该设计的特点:在推动手把的同时,离合轴端部断开电动操作,离合轴内花键与蜗杆外花键嵌合,实现手动操作的联接。松开手把时,在压簧的作用下,离合轴与蜗杆断开,主、从动齿轮啮合,实现电动操作。该手动电动切换方式简单、结构紧凑、可靠稳定。

  (2)隔爆外壳设计为了满足应用防护的要求,执行器外壳采用圆形浇铸,再进行精加工,相对降低了加工成本。在隔爆面内侧加工环形凸台隔爆面和密封圈槽,并在密封圈槽放置O形密封圈来提高执行器的防护等级。

  (3)减速箱外壳设计减速箱体采用模块化的设计思路,设计为一体式,便于安装和拆卸,为了减轻整体重量,减速箱壳体采用铝合金材质,开模浇铸,保证了产品的一致性。

  3电气设计

  主控板采用基于STM32新平台的电路板设计方案。本文设计电路板所有功能包括MCU最小系统、电源供电、液晶显示、RS485总线通信、红外接收、数据存储、看门狗、温度采集和振动信号等。其中主板包括主控电路、液晶显示、红外遥控、RS485总线、输入输出节点,4~20mA输出和数据存储等。

  (1)电机主控电路根据需求,煤矿球阀采用低压供电的电压等级分为AC127V和AC220V,采用AC/DC模块将电压转成DC24V。控制电机的主控电路采用三相无传感器BLDC电机驱动芯片,该芯片具有欠压、过流、防浪涌、热关断等保护功能,无刷电机采用DC24V供电,功率为25W。

  (2)弱电供电根据供电要求,弱电供电采用交流电压输入范围AC100~240V的宽电压AC/DC模块将交流电压转成直流24V,再经过DC-DC模块给电路板供电。

  (3)输入输出口均进行安全隔离设计的执行器具有开关量控制及RS485总线控制功能。其中开关量均为非安干接点。2路开关量输入为开阀、关阀控制;2路无源节点输出为反馈信号,对应阀门开关到位;同时具有4~20mA阀位反馈。总线控制方式采用RS485,主要用于和PLC或者上位机的通信。

  (4)人机交互采用0.96英寸的OLED液晶屏,通过红外遥控器可进行参数配置,操作简单直观。4软件设计执行器主要功能为控制阀门(或电机)正反转、阀门运行状态监控、数据传输以及人机交互。执行器控制方式有就地和远控2种。(4)人机交互采用0.96英寸的OLED液晶屏,通过红外遥控器可进行参数配置,操作简单直观。

  4软件设计

  执行器主要功能为控制阀门(或电机)正反转、阀门运行状态监控、数据传输以及人机交互。执行器控制方式有就地和远控2种。通节点信号;②数字总线。单片机检测到输入I/O端口状态后输出控制信号控制电机驱动电路,再通过减速机构实现阀门开闭控制,开闭到位后,单片机输出节点信号反馈阀门状态,另外还可通过RS485总线接收控制命令并回送阀门开关状态信息。软件设计有故障自诊断功能,包括电机驱动超时故障、编码器数据读取错误、编码器接插线松脱等,当出现错误信息时,可通过液晶进行在线提示。

  5结语

  本文设计研发一款广泛适用于煤矿行业的新型煤矿用阀门智能电动执行器,采用了多种新型电子器件设计,集成度高,带有总线通信接口,操作与布线简单,可大大优化控制系统设计方案。该执行器经过一系列工业试验和煤矿井下现场应用,其运行稳定、安全可靠,大大优化系统布线,调试和后期维护工作量少,可广泛应用于煤矿井下流体智能控制的场合,简化了系统架构,并提升了智能化水平。

  参考文献:

  [1]谢有祥.电动阀门的智能化及其发展现状[J].电子技术与软件工程,2014(11):251.

  [2]王莺.智能阀门电动控制器的研究与设计[D].镇江:江苏大学,2016.

  [3]席培刚,谢剑英,陈应麟.新型智能阀门电动执行装置的硬件设计和实现[J].微计算机信息,2006(8):1-3.

  [4]邱宇.煤矿用智能阀门执行器的研究与设计[J].煤矿机械,2019,40(1):10-12.

  [5]汪学明.一种新型矿用部分回转电动阀门控制器设计[J].工矿自动化,2016,42(8):74-76.

  [6]汪学明,邱宇.新型矿用电动球阀执行器设计[J].煤矿机械,2019,40(12):1-3.

  作者:杨国栋

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