礦用救生艙自動控制閥門裝置設(shè)計研究

焦 健

0 引言

我國在世界上是一個煤炭資源和生產(chǎn)大國，也是對煤炭需要最高的國家之一，我國煤炭開采量很大，但是，在煤炭開采中帶來的事故發(fā)生率也是最高的，礦難威脅了人民的生命財產(chǎn)安全，同時也增加了煤礦工業(yè)的負(fù)擔(dān)，并給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失[1]。礦難的死亡率很受社會關(guān)注，因此有效的裝備降低礦難造成的生命財產(chǎn)損失成為普遍關(guān)注的問題[2]。

我國煤礦大多數(shù)都是高瓦斯礦，在煤炭開采過程中不斷出現(xiàn)爆炸事故，爆炸后礦井下依然殘留大量的瓦斯氣體，極有可能引起二次爆炸的危險，而且又處于高溫環(huán)境，加之缺氧等原因，在這種艱難的環(huán)境下被困礦工逃生可能困難重重，如果事故發(fā)生后被困礦工沒有的到相應(yīng)的保護(hù)就會窒息而死[3-5]，因此給被困礦工提供一個安全的避難場所成為普遍關(guān)注的焦點[6]。煤礦救生艙[7]就是針對這個問題研制的。供氧系統(tǒng)在救生艙是一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[8]，救生艙采用氧氣瓶供氧系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個艙內(nèi)維持氧氣濃度的保障。如果供氧系統(tǒng)效果不好就會導(dǎo)致艙內(nèi)缺氧，艙內(nèi)的人員就會因為缺氧而窒息，這樣無法發(fā)揮避難作用。因此，在礦用救生艙中自動控氧裝置是一個相當(dāng)關(guān)鍵的部分。

本文設(shè)計了礦用救生艙自動控氧裝置，通過自動控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)，進(jìn)而控制氧氣排放量來控制艙內(nèi)氧氣濃度，測量傳感器通過反饋通道和控制通道傳遞信號，通過閉環(huán)系統(tǒng)控制氧氣的排放量來控制人員艙內(nèi)的氧氣濃度，并利用渦輪與蝸桿嚙合增壓原理，將電機(jī)輸出的扭矩轉(zhuǎn)換成大扭矩傳遞給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1 煤礦救生艙的總體介紹

由于礦井用的罐籠容積有限，所以將救生艙整體設(shè)計成單元形式進(jìn)行加工，然后將每段運(yùn)輸?shù)骄?，在井下進(jìn)行組裝，分段加工時兩邊的隔離艙不同于中間艙要分開加工，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

艙體兩端各設(shè)置一個艙門，其中一個為主艙門，為人員正常出入時用，另一個為逃逸艙門，艙內(nèi)人員在主艙門打不開時逃生用。在主艙門進(jìn)口處的下面設(shè)置了一個工具箱，里面裝有應(yīng)急用的逃生設(shè)備和一些常用的工具，在隔離艙中放置了兩個防爆蓄電池，隔離艙和人員艙之間設(shè)有隔離門，能夠阻隔一定的有毒氣體進(jìn)入人員艙，在人員艙內(nèi)放置了兩組氧氣瓶，分別放置在艙體的兩側(cè)，安置了座椅供躲在里面避難的礦工休息用，在座椅旁安置了一個蓄冰箱，蓄冰箱分成兩半，在艙體的兩側(cè)貼艙壁各放置一半，中間留有空隙，以便避難礦工能夠從中間過去從逃生門逃走，風(fēng)道管經(jīng)過蓄冰箱安裝以便能夠在通風(fēng)時冰融化制冷，在逃逸艙門和蓄冰箱之間安放了一個廁所，救生艙內(nèi)壁與外壁之間填充了隔熱棉，用于阻止內(nèi)部溫度受到外界溫度的影響。

2 氧氣瓶自動控制閥門裝置的設(shè)計

救生艙要實現(xiàn)自動供氧，自動控氧裝置是相當(dāng)重要的。本文所設(shè)計的自動控氧裝置是通過控制步進(jìn)電機(jī)利用渦輪與蝸桿嚙合原理來控制整個裝置自動供氧。由于發(fā)生災(zāi)難時人員比較緊張，所以有時難以手動操作氧氣閥門供氧，本文設(shè)計的自動控氧裝置利用反饋系統(tǒng)控制伺服電機(jī)進(jìn)行控制供氧，所以解決了對人工的依賴，為制冷節(jié)省了很多時間，并且通過自動閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對供氧的反饋調(diào)節(jié)。

自動控氧裝置通過自動控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同完成控制氧氣排放量，并在氧氣傳感器的測量下實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理如2圖所示。

伺服電機(jī)軸與蝸桿連接，蝸桿10與渦輪6嚙合，渦輪安裝在傳動軸的端部，傳動軸中間安裝軸承5，軸承安裝在軸承座4上，軸承座對軸承起支撐作用，傳動軸的另一端通過聯(lián)軸器3與控制軸2連接，控制軸的另一端與閥門1連接，閥門連接在氧氣瓶7出口，以便控制氧氣的排放量，在人員艙內(nèi)分布有氧氣測量傳感器，氧氣傳感器連接在氧氣反饋電路上，傳感器信號電路與電機(jī)控制器連接。

圖2 救生艙氧氣自動控制閥裝置1. 閥門；2. 控制軸；3. 聯(lián)軸器；4. 軸承座；5. 軸承；6. 渦輪；7. 氧氣瓶；8. 支承臺；9. 螺栓；10. 蝸桿；11. 伺服電機(jī)

圖3 閥塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.閥體；2.外伸管接口；3.傳動軸；4.鍵槽；5.閥芯

3 氧氣瓶的自動控制閥門的控制

閥塊的一端外伸管接口與氧氣瓶出口相連,另一端與外界相通,通過外界動作控制閥芯旋轉(zhuǎn)來控制閥的開啟和關(guān)閉,并且能通過旋轉(zhuǎn)角度的大小調(diào)節(jié)開放量,從而控制氧氣瓶內(nèi)的氣體釋放量,閥塊內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

煤礦救生艙自動控氧裝置是在艙內(nèi)氧氣濃度低于一定值時，自動啟動供氧系統(tǒng)為人員艙自動供氧，通過傳感器測量到艙內(nèi)氧氣濃度低于設(shè)定值時，傳感器將信號傳給伺服電機(jī)控制器，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動與電機(jī)軸相連的蝸桿旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿與渦輪的嚙合，渦輪蝸桿的增壓作用給渦輪一個很大的旋轉(zhuǎn)力矩，給傳動軸一個很大的力矩，通過中間的聯(lián)軸器將力矩傳給控制軸，控制軸旋轉(zhuǎn)控制閥門開啟，氧氣瓶釋放氧氣，當(dāng)傳感器檢測到氧氣濃度高于設(shè)定值時，將信號傳給伺服電機(jī)控制器，控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)關(guān)小閥門，減小氧氣排放量。

當(dāng)再次檢測到艙內(nèi)氧氣濃度低于設(shè)定值時，重復(fù)以上動作控制自動控氧裝置進(jìn)行排放氧氣，這樣就實現(xiàn)了對艙內(nèi)氧氣的自動控制。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的煤礦救生艙自動控氧閥門裝置能夠通過閉環(huán)反饋信號系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制功能，通過傳感器測量救生艙內(nèi)氧氣濃度發(fā)出信號控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，控制氧氣閥門移動調(diào)節(jié)氧氣排放量，在艙內(nèi)躲避的人員由于沒有足夠的精力手動控制氧氣的排量，而且由人員來調(diào)節(jié)會帶來很多誤差和失誤，采用自動控制裝置省去了人工對氧氣排放量的調(diào)節(jié)，只需要將氧氣濃度值設(shè)定好就能實現(xiàn)自動控制氧氣的排放量，傳感器會實時測量氧氣濃度進(jìn)而控制氧氣排放量，保證艙內(nèi)氧氣濃度保持在設(shè)定值范圍內(nèi)。