矿用自动风门的设计

赵艳飞

（西山煤电集团有限公司，山西 古交 030200）

引言

矿用自动风门主要用于矿井通风系统中行人过车较为频繁的采区巷道及主要巷道。在煤矿井下发生事故时，由该事故直接造成的伤亡仅占一小部分，而绝大部分是由于风流中的有毒有害气体导致的伤亡，因此控风设施和决策支持系统在应急救援中的作用越来越重要。本文首先分析总结了灾变时期风流紊乱的基本表现形式，风流紊乱热力分布及基本控风措施等理论基础，提出了灾变时期防止灾害扩大化的基本控风原则。而风流短路和局部区域反风的风流控制方法需要预先在巷道中设置常开常闭风门组实现风流控制。本文将常开常闭风门组和监控分站定义为控风设施，其与地面上位机和地面中心站组成控风决策支持系统。其以风流短路法为控风思想，达到了防止胶带巷火灾产生的有毒有害气体侵入工作区域的救灾目的。

1 项目概况

远程控风设施作为控风决策支持系统中的执行机构包括机械结构和监控分站两方面，设计研究了一种新型压力平衡风门作为控风决策支持系统中的控风设施，其机械结构主要包括传动机构和机械闭锁装置两个核心模块。传动机构由链、杆、传动轮和两个气缸组成，动力气缸作用于传动杆上使风门异向同步开启，在关门过程中缓冲气缸起缓冲作用使关门平稳，而机械闭锁装置能够在灾变时期被解除达到救灾目的。并对实现其远程控制的监控分站硬件、输入输出设备做了设计和选型，对控制核心PLC地址和程序做了分配和编写。采用了线性和模块化相结合的编程思想，用以转换为中心的顺序功能图程序设计法对PLC 软件进行了编程设计。纵观煤矿自动风门的发展历史和目前的应用情况，研究一种全新的自动风门势在必行[1-3]。

2 新型自动风门特点

2.1 门体结构特点

井下负压较大，风门作为隔断风流的通风设施，往往开启费力，而关门过程重由于负压作用关门过快易伤过往行人。而基于风压平衡原理的风压平衡风门实现了两扇风门异向同步开启，将风压转换成传动装置的内力，无论自动手动模式，有开启平稳等优点。因而远程控风设施门体结构采用异向同步启闭的压力平衡风门。

2.2 执行机构特点

井下压气系统使用方便，以压气为风门开闭提供动力源，气缸将压气动力转换为机械能，实现风门启闭。自动风门工作模式时，使用二位五通电磁阀切换气流方向，执行开关门动作。

2.3 控制核心特点

采用SIEMENS S7-200 PLC 可编程序控制器作为控制主机。由于PLC的高可靠性和特别适用于过程控制的特点，目前被煤矿自动风门广泛采用。

2.4 机械闭锁装置特点

机械闭锁装置无论处于自动或手动模式要求能够实现避免同时开启两道风门造成通风系统风流短路的功能。

3 自动风门结构构造

现有压力平衡风门实现异向同步开闭的装置稳定差、风门关闭过快、易伤过往行人和损坏风门，且在控风决策支持系统中需要两道风门同时开启时不能解除机械闭锁使得两道风门同时开启。鉴于以上普通风门的不足及不能满足在特定情况控制风流要求，设计研究了一种既能手动开启又能应用于控风决策支持系统中远程控制两道门同时开启的矿用自动风门。因此提出了矿用自动风门的三维初步设计如下页图1。

图1 矿用自动风门三维初步设计

矿用自动风门结构设计如图2 所示，主要由传动机构、门框、闭锁箱、闭锁三角块、恢复闭锁限位弹簧、重锤、闭锁失效动作气缸、传动轮、链条、传动杆、门轴、动力气缸、缸杆连接件、门开到位挡板、缓冲气缸、缸杆连接件、门扇组成。

图2 矿用自动风门结构设计

4 矿用自动风门模块设计

机械产品的模块化设计要在满足功能要求的前提下，尽量以少量的模块组成需要的机械产品。并且使各个模块的连接容易方便，模块化设计的本质就是模块的独立性和模块的系统性，当机械故障发生时仅仅限制于某些模块，不会影响系统的整体功能，且各个模块由于连接简单实现机械产品的整体功能，使得故障发生后模块容易从系统中分离，方便于安装和后期维护。

矿用自动风门的各个模块传动机构与门框、门扇实现了风门启闭的整体功能，模块结构包括风门门框、传动机构、门扇、门轴、机械闭锁装置六部分，保证了安装过程中的简单可行。当风门的某一部分有故障时仅限于对此模块的维修，并且各个模块拆卸简单，机械配件易于更换[4-6]。

4.1 门框和传动装置

矿用自动风门门框结构如图3 所示。门框较为简单地设计实现了无压平衡风门其他模块结构在门框上的固定。仅需要将门框固定好后把实现风门异向同步开启的传动装置固定到门框上方即可。

图3 矿用自动风门门框结构

4.2 门扇与门轴

每一个门扇上固定两个门轴，门轴与门扇上连接门轴的相应位置相固定。门扇上方的门轴与传动装置内部的传动轮相嵌入，使得传动机构中的传动轮可以带动门轴使门扇呈90°转动开启，组成了其中一道风门。救灾无压平衡风门的模块化设计使得无压平衡风门安装过程及后期维护维修简单方便，可操作性强。门扇和门轴如图4 所示。

图4 门扇和门轴

5 自动风门传动机构设计

矿用自动风门实现两个门扇异向同步开启的核心机构是风门传动装置，传动装置中的传动轮与门扇上部的门轴相嵌入。风门的传动机构固定于门框位于门体上方，包括传动轮、链条、传动杆、门轴、动力气缸、动力气缸缸杆连接件、门开到位挡板、缓冲气缸、缓冲气缸缸杆连接件。平衡风门传动动机构设计如图5 所示。

图5 平衡风门传动动机构

当有其中一扇门要开启时，通过本传动装置传递给另外一扇风门做与之相反的开启动作，实现两扇风门异向同步开启的联动作用。当行人或行车通过后，利用重锤自重带动传动轮将风门关闭。这种平衡风门传动装置，达到开启平稳、安全可靠的开启两门扇的效果。本联动机构实现风门的风压平衡，开启力小，没有转动死点，既保证了人员顺利通过，又杜绝了巷道中漏风、通风短路等现象的发生。

6 自动风门防火设计

救灾无压平衡风门的门扇内部填充防火材料岩棉，岩棉主要用于防火隔离带。在常温下，岩棉导热系数可达到0.040，熔点在600～1 000 ℃之间，本身属于无机质硅酸盐纤维，防火性能为最高级（A1级），具有绝佳的防火性能。遇到火灾时，不会引起烟雾或造成火星，不会释放出有毒气体，绝不会导致火势蔓延[7-9]。

7 结语

与现有技术相比，此项设备采用红外传感器感应行人车辆通过信号，采用位置传感器检测风门开闭状态，向控制器传送控制信号，控制器输出信号控制电磁阀动作实现风门动作，既能满足正常通风时期保证行人过车的要求，又能满足在特定情况作为常闭风门组预先被布置在特定巷道中，需要控制风流同时开启时解除闭锁同时开启达到导通巷道风流的目的。