矿用本质安全防爆

矿用本质安全防爆（精选7篇）

矿用本质安全防爆 篇1

摘要：矿用电气设备使用一定要非常的注意和谨慎, 因为矿井下存在高浓度的易燃易爆气体, 一定出现火花, 后果不堪设想。本文对此问题作了相关阐述, 并提出了一些防爆的措施和手段。

关键词：质量要求,质量控制,防爆措施,使用维护

矿井内的工作环境相当复杂, 不仅黑暗潮湿, 而且还存在着瓦斯、CO等多种易燃易爆气体, 而且空气中还存有大量的煤尘。但是, 电气设备是矿井生产的主要设备, 在其使用过程中, 一旦出现过载、短路、电弧火花、漏电、静电等现象, 就很有可能引起火灾甚至爆炸。因此, 在电气设备的使用过程中, 要严格的遵守相关的操作规定, 并且要从思想和观念上高度重视, 把矿井防火工作切实做好。近年来, 我国矿井火灾爆炸事故越来越多, 已经成为了不可忽视的问题, 所以, 国家必须加强矿井生产工作的管理, 特别是电气设备的质量和使用方面, 必须严格要求, 并且配合使用矿用隔爆型和增安型设备, 以充分确保矿井用电的安全。

要预防火灾首先要做到消除火灾隐患, 电气设备引起火灾主要是由于电火花的引燃以及设备局部过热达到可燃气体燃点。所以, 应主要从这两个方面下手, 通过对电气设备的特点及使用注意事项的了解, 找到控制方法, 特别是找到引起设备过热以及火花放点的原因和特征信息, 并对症下药, 达到有效的控制。例如工人及其他工作人员在矿井中使用的通讯工具、测量工具或是控制系统等都要在低电压的情况下使用, 这样就可以大大的降低风险。

1 防爆电气设备的质量要求

1.1 通用要求

依据“GB3836”防爆标准, 防爆电气设备的使用是有一定的要求的, 具体如下:设备的工作环境温度要保持在-20℃~40℃范围内;设备外壳坚固程度, 绝缘性能等应达到防爆要求;设备的紧固件, 如螺栓、螺母、弹簧垫等必须满足防爆要求;设备必须配有开盖断电连锁装置;导线外皮材料必须绝缘;设备导线接线盒和接线端子必须满足防爆要求;电缆引入装置的密封装置必须满足防爆要求;设备外壳必须要做接地处理, 并且要满足相应要求等等。对于这些硬性要求一定要做到严格的审查, 一旦发现不足, 则不能投入使用。

1.2 特殊要求

除通用要求外, 规范还对防爆电气设备还有针对性地作了一些特殊的要求, 主要有三点:一是电气间隙。例如380V的电气间隙为8mm, 127V的电气间隙为6mm, 6000V的电气间隙为60mm。对此规定主要是为防止井内电气设备出现短路电弧, 引起电火花。二是防护等级。防护等级就是电气设备防外物 (粉尘) 和防水的等级, 表示方法为“IP××”表示, 头一个“×”表示防外物等级, 后一个表示防水等级, 如“IP72”就说明设备防外物7级, 防水2级, 防外物最高7级, 防水最高9级。三是设备防爆类别。矿井下电气设备都为Ⅰ类, 对应含有甲烷混合物的爆炸性环境, 工厂的防爆电器为Ⅱ类, 对应含有除甲烷外的其他混合物的爆炸性环境。

2 防爆电气设备的质量控制

2.1 防爆电气设备配件选择

采购防爆电气设备配件时, 需要认真的对厂家进行筛选, 货比三家。供应商应满足的标准为:品种规格全、产品性能可靠、质量优秀、价格体系优惠、完备的售后服务、能广泛满足不同用户要求。在签订合同时, 清楚的填写各项条款, 包括设备的价格、质量标准、验收标准、出厂标准、设备安装与调试、包装标准、运输方式、售后服务。违约责任等方面事宜。

2.2 防爆电气设备、配件的质量监督

首先, 验收时, 对装箱单、设备名称、规格型号、技术参数、出厂标准等内容进行逐一核实。其次, 供货厂家应与设备上的铭牌相符, 与合同实际签订的供货商一致, 设备外壳应有防爆标志“EX”, 防爆合格证、产品质量合格证、安全证书编号等各种证件齐全。最后, 放爆电气设备质量检验、验收合格的标准为:包装和外壳完好无缺;专用的仪器仪表、设备经专业技术人员和具有相关资质检验能力的部门检测后合格。

3 矿用防爆电气设备防爆措施

3.1 控制电气设备表面温度

在矿井内, 在无沉积的情况下, 防爆电气设备表面最高温度按规定要控制在450℃以内;而在存在煤粉沉积的情况下, 其表面最高温度则必须控制在150℃以内;如果进内存在粉尘、纤维等易燃易爆物质, 设备表面最高温度要控制在125℃以内, 而观察到粉尘沉积厚度不超过5mm情况下, 设备表面最高温度一般以控制在其燃点的2/3以内为准, 也有要求需比引燃温度低75℃。

3.2 设备的环境要求

在矿井内, 电气插座安装数量要控制到最小, 并尽最大可能控制携带式或移动式设备的数量。防爆电气设备的数量不宜多, 事实上也对节省开支有利。

3.3 防爆设备类型的选择

防爆设备类型共有10种, 主要几种为隔爆型、本安型、增安型以及特殊防爆型。隔爆型可以说是矿井内应用最普遍的防爆电气设备, 例如各种防爆开关、防爆电动机等都是属于这一类型, 防爆原理就是设备装有耐爆、隔爆的坚强外壳, 能够很好地将电火花隔开, 防止其引出点燃井下爆炸性混合物。增安型设备如矿用变压器、蓄电池机车、矿灯等都属于这一类型, 防爆原理就是在设备的结构、制造等方面, 采取如增大电气间隙和爬电距离;加强导线的连接等措施以尽最大可能地提高安全程度, 满足电气防爆要求。

4 防爆电器设备的使用维护

4.1 防爆电器设备下井条件

根据规定, 防爆电气设备入井前应检查其“产品合格证”、“防爆合格证”、“煤矿矿用产品安全标志”及安全性能, 检查合格并签发合格证后, 方准下井。

4.2 电器失爆情况处理

需要成立井下防爆检查组, 定期检查井下防爆电气设备, 防止电器失爆现象的发生。在检查工作中要注意下面几个问题:隔爆外壳存在裂纹、小洞、严重变形、严重锈蚀、开焊问题;隔爆外壳螺丝存在不全、松动、缺少、滑扣的问题;隔爆接合面间隙超限、划伤以及斑点超限;电缆进线口胶圈不合格、无金属堵板;电气间隙和爬电距离不能达到要求, 此距离宁大不可小;两隔爆腔连通, 导致压力重叠的情况;开盖闭锁变形、损坏等情况。

结束语

近年来, 矿井安全生产重要性越来越受到广泛关注, 防爆电气设备也在其中占据着越来越重要的地位, 工作人员不仅要对设备运行进行严格认真的管理, 还要在采购时进行严格的质量把关。在不久的将来, 一定会出现更多性能更加优良的新产品、新技术, 当然, 对其及时了解也是工作人员的责任。

参考文献

[1]郭卫民, 卢杉.采取防爆措施减少煤矿电气事故[J].电气防爆, 2009, (1) .[1]郭卫民, 卢杉.采取防爆措施减少煤矿电气事故[J].电气防爆, 2009, (1) .

[2]廉芳.矿井电气设备的防爆改造[J].科技情报开发与经济, 2004, (10) .[2]廉芳.矿井电气设备的防爆改造[J].科技情报开发与经济, 2004, (10) .

[3]豆江辉.浅析煤矿井下电气设备的防爆[J].科技创新导报, 2010, (13) .[3]豆江辉.浅析煤矿井下电气设备的防爆[J].科技创新导报, 2010, (13) .

矿用防爆柴油机缸体安全性能分析 篇2

1 矿用柴油机的特殊防爆性能要求

矿用防爆柴油机的冷却方式多为水冷。水冷发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体 (如图1所示) , 由于金属易擦出火花, 从而引燃井下瓦斯气体, 导致瓦斯爆炸, 所以矿用柴油机气缸体材料主要采用铸铁, 其材料为HT200, 并且由于铸造成型、异性铸造、减震吸音和价格等因素, 被广泛应用于柴油机缸体。多缸小缸径高速柴油机目前已经达到3600 r/min以上的工程机械和道路用柴油机, 这些柴油机为降低噪声和轻量化, 已经采用铸铝等材料, 并显著提高了发动机的使用性能和寿命。

2 柴油机工作特性与受力分析

柴油机和汽油机统称为内燃机, 其工作循环为:进气—压缩—做功—排气, 当内燃机处于做功行程时, 活塞向下运动做功。当曲轴转过大约10°时, 气缸体内达到最大爆发压力, 其值接近于9 MPa。

在此最大爆发压力下, 发动机缸体主要存在两种破坏形式:拉伸破坏和剪切破坏。分别对气缸体进行抗拉强度校核分析和抗切剪强度校核分析。

2.1 气缸体抗拉强度校核

对于通用车辆柴油发动机缸径100 mm的缸体, 通常采用HT20-40材料, 在气缸体内达到最大爆发压力时, 其拉伸危险截面如图1所示, 为缸体最薄位置, 其厚度hmin=9 mm。

由此可计算出柴油机缸体在最大爆发压力作用下所承受的缸体切向最大拉伸应力

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式中l——缸体在最大爆发压力作用下气缸盖到活塞的距离, mm;

则可算出柴油机工作时气缸体的抗拉强度安全系数S1

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式中, σb——材料最小抗拉强度, 其值为200 MPa。

2.2 气缸体抗剪切强度校核

在垂直并通过气缸体轴线方向, 取半径为r的圆柱体微小单元, 如图2所示。其与气缸体相交的环状表面即为气缸体的剪切危险截面。下面对柴油机气缸体做抗剪切强度计算。

剪切危险截面可近似看作由4个梯形面组成, 其面积为

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剪切力:f=S·Pz

式中, S半径为r的圆柱体在气缸壁上的轴向投影面积, 为圆形。计算出气缸体剪切危险截面所受剪切应力为

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由曲线图可知r=35 mm时, 剪切应力达到最大值, 其值为τmax=9.8 MPa.

柴油机工作时气缸体的抗剪强度安全系数

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τb—材料的最小抗剪强度, 其值为250 MPa。

2.3 气缸体最薄处的极限宽度

通过对柴油机气缸体的强度校核, 得柴油机气缸体的抗拉强度安全系数S1=4, 抗剪强度安全系数S2=25.5。可以看出, 柴油机气缸体在工作过程中的主要破坏形式是拉断破环。具体表现可能为, 柴油机气缸体在其最薄壁厚处沿活塞轴向拉断, 且断裂处靠近气缸盖。

对于通用的机械产品, 取安全系数[S]=1.5。则可计算出缸体最薄hmin=9 mm的柴油机所能承受的最大拉伸压力

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柴油机在工作过程中所能承受的最大爆发压力:

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柴油机最大爆发压力Pz=9 MPa缸体最薄位置的极限厚度为hmin

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即柴油机最薄位置为3.4 mm, 即可完全满足缸体的强度, 这一点还不考虑镶入气缸套及缸盖联接后强度提高等因素。

当最大爆发压力 Pz=9 MPa时, 不考虑缸盖的作用情况下, 缸体最薄位置的极限厚度h′min=3.4 mm;当最薄处9 mm时, 可承受24 MPa的压力。加上缸盖的紧固作用, 气缸套提高整体强度, 缸体材料改善等因素, 缸体可承受更高的压力。

3 结论

矿用本质安全型电源设计分析 篇3

随着煤矿自动化技术的发展, 本质安全型电气设备的应用越来越多, 需要设计安全性能可靠、输出特性好的本质安全型电源作为本质安全型电气设备和本质安全系统的配套。

本质安全型电源要求多重过流、过压保护, 采取各自独立的取样电路, 实现稳压、限流、快速切断等保护, 按GB 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》要求[1], ib等级本质安全型电源的保护元件或组件需要双重化。目前, 本质安全型电源电路种类繁多, 如交直流转换采用开关电源, 快速保护采用MOS功率开关管等。本文介绍一种采用LM317稳压器[2]为主要执行元件的本质安全型电源电路的设计。

1 本质安全型电源工作原理

图1 为基于LM317 的隔爆兼本质安全型电源[3]电路 (防爆标志[4]为Ex d[ib]I Mb) 。该电路采用双重化的过流、过压及短路保护, 主要技术指标:本质安全输出额定电压为12V, 本质安全输出额定电流为0.6A;本质安全最高输出电压Uo为13V, 本质安全最大输出电流Io为1A。该电路的最大外部电容Co、最大外部电感Lo还要根据该电路所带具体负载[5], 用火花点燃试验来确定。该电路的电性能基本要求[6]应符合MT/T 408—1995《煤矿用直流稳压电源》的要求。由于该电路为矿用本质安全输出直流电源, 用火花试验装置来确定该电路的本质安全参数时 (包括最大外部电容Co、最大外部电感Lo) , 要考虑火花点燃试验过程中更换电极极性[7]。整个电路印制板的具体要求, 如敷设铜箔的厚度、印制线最小宽度、印制板线路之间的电气间隙、爬电距离[8]等技术要求, 在这里不再展开。

2 本质安全型电源设计

2.1 熔断器

电源变压器原边输入电压为127V, 副边输出电压为16V, 采用内外层绕制方法, 内层绕制原边线圈, 外层绕制副边线圈, 按可靠变压器[8-9]结构要求, 内外层绕组之间加厚度为0.075mm的屏蔽铜箔。根据GB 3836.4—2010中的表6 (屏蔽铜箔最小厚度或屏蔽导线最小直径与熔断器额定电流的关系) 的规定, 选择变压器原边熔断器熔芯的额定电流为1A。

2.2 滤波电容

在输出大电流 (即负载电流大于1A) 的整流滤波电路中, 应该本着在滤波电解电容的容量和类型相同的情况下, 采用体积较大的电容的原则:在大电流整流滤波电路中, 在容量和类型相同的情况下, 小体积电解电容的内阻要比大体积电解电容大。在整流滤波电路中, 除了流过负载的直流电流外, 还存在着流入流出滤波电容的纹波电流。当纹波频率为100Hz时, 纹波电流的有效值较大。该纹波电流流过电容器时, 就会使电容器发热。由于小体积电容器的内阻大, 不利于散热, 所以在输出负载电流较大时, 小体积电容比大体积电容发热要大一些。另外, 电容的寿命与其工作温度有着密切的关系, 即工作温度越高, 寿命越短。

2.3 稳压器件

隔爆兼本质安全型电源电路的稳压保护器件选用LM317可调式集成稳压器, 它可在1.2~37V范围内提供大于1.5A的输出电流, 负载调整率为0.1%;采用F-2金属封装, 耗散功率为20 W;具有全过载保护功能, 包括限流保护、热过载保护和安全区域保护。LM317稳压电路如图2所示。

由图2得输出电压Uo的表达式为

2.4 过流及短路保护电路的计算分析

由图1 可知, 过流及短路保护电路由稳压器U1, U2、晶闸管T1, T3及限流电阻RL2, RL3组成, 输出电流通过RL2, RL3上的压降使T1导通, A点电位下降, 输出电压下降, 从而限制输出电流的大小。当输出端出现短路情况时, T1饱和导通, 此时的输出电流为

过流及短路保护电路在限流过程中, T1和T3有一个从放大到饱和导通的过程, 因此, 该电路具有减压限流特性。当最大输出电流大于1A时, 输出电压下降;当输出端短路时, 最大短路电流的瞬态值会大于1A, 这时输出电压为0。当输出故障排除后, 该电路可自动恢复正常。

根据图1可知, 整流端输入电压为16V, 经过一级稳压U1输出DC15 V, 二级稳压U2输出DC12V。

(1) R1, R2, R3, R4的选择。由于一级输出电压为DC15V, 根据LM317的设计要求, R1≤240Ω, 实选R1=R3=200Ω。将Uo=15V, R1=200Ω 代入式 (1) , 得出R2=2 200Ω。同理, 由Uo=12V, R3=200Ω, 得出R4=1 720Ω。

(2) T1, T3, RL2, RL3, R5—R7的选择。T1, T3的选择主要考虑过流及短路保护电路在快速短路保护时的动作时间, 因此, 选用快速开关管3DK2B, 其开启时间ton≤60ns, 关断时间toff≤110ns。如果采用过驱动措施, 当过驱动倍数大于3时, ton和toff大约为十几纳秒。当LM317的调节端快速接地后, 由于其内部电路组成的运算放大器的放大倍数足够大, 在数十毫秒内, 其输出电压下降到1.25V。实测该电源的短路保护时间tv≤30μs。

由于RL2=RL3, R5=R7, 所以只需计算RL2和R5。电源的最大输出电流为1A, 该电流通过RL2和RL3, 此时RL2上的压降要使T1饱和导通。而在额定负载电流情况下, 即输出电流Io<0.6A时, T1要截止, 以保证输出电压正常。当输出电流Io=0.6A时, 要使T1的基极电压Ube≤0.5V, 则RL2≤0.5V/0.6A=0.83Ω。当输出电流Io=1A时, 要使T1的基极电压Ube≥0.6 V, 则RL2≥0.6 V/1A=0.6Ω, 所以选择RL2=RL3=0.8Ω。

R5的选择要保证T1有足够的放大倍数, 当电源输出最大电流时, 即Io=1A时, RL2=0.8Ω, URL2=1A×0.8Ω=0.8V。要使T1饱和导通, 则要求T1的集电极电流Ib≥0.001 A (实取Ib=0.002A) , 则R5= (0.8 V-0.6 V) /0.002 A=100Ω。

2.5 过压保护电路的计算分析

为了保证输出电压在出现电路故障时不大于12+0.2V (这时的设计思路是以Uo=13V为基准, 出厂调试时与Uo相比较留有一定的安全裕量) 。双重过压保护电路由晶闸管T2, T4、电阻R1, R3, R6, R8, R9—R11、电压比较器U3A, U3B、稳压器U1, U2、可调电阻器RW1, RW2及稳压二极管D1, D2组成。

D1, D2为U3A, U3B提供基准电压, 选择RW1=RW2=22kΩ, R11=1.5kΩ, 假设D1的稳压值为4.5V, 调节RW2使当输出电压为12V时, U3B的同向输入端电压为4.48V;当输出电压为12+0.2V时, U3B的同向输入端电压将大于4.5V。R9, R10的计算原则:D1, D2导通时, 经R9流过D1的最大电流要小于D1的最大工作电流。经调试试验, 实际选择:RW1=RW2=22kΩ;R11=1.8kΩ;D1, D2为6.8V稳压二极管;R9=R10=2kΩ。为了安全可靠, U3A, U3B一定要用2个独立的运算放大器, 这一点在设计应用中非常重要。

3 结语

介绍了一种基于LM317的本质安全型电源电路的设计, 该电路中的过流及过压双重保护电路可为技术人员设计合理、可靠的本质安全型电源提供参考。

参考文献

[1]GB 3836.4—2010爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备[S].

[2]袁捷, 李雨慷.探讨LM317三端可调稳压器原理及应用[J].数字技术与应用, 2011 (4) :71.

[3]曹世祐.中国煤炭工业百科全书机电卷[M].北京:煤炭工业出版社, 1997.

[4]GB 3836.1—2010爆炸性环境第1部分:设备通用要求[S].

[5]付淑玲, 安里千, 李真西.本质安全电气设备中Ri、Li和Ci参数测试分析[J].电气防爆, 2012 (2) :40-43.

[6]MT/T 408—1995煤矿用直流稳压电源[S].

[7]中煤科工集团上海研究院检测中心.煤矿电气防爆技术基础[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2012.

[8]GB 3836.3—2010爆炸性环境第3部分:由增安型“e”保护的设备[S].

矿用本质安全型电源的研制 篇4

随着我国煤矿事业的蓬勃发展, 煤矿电气化水平也越来越高。煤矿的特殊环境, 要求电气设备能够在含有瓦斯、粉尘的危险环境中使用, 这就要求矿用电气设备采用相应的防爆型式。防爆型式有隔爆型、本质安全型、增安型、充油型、充砂型、浇封型、复合型等多种, 而本质安全型电气设备在井下的监控、通讯、信号、仪表和自动化系统中应用日益广泛。本质安全电路是指, 在规定的试验条件下, 正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体或蒸汽的电路。本安电源是本安系统的关键环节, 本安电源是指在正常工作和规定的故障状态下, 其输出的最高电压、最大电流均具有本安性能的电源。本文的研究对象是隔爆兼本安电源, 即输出本安电源, 本安电源本身放置于防爆箱体内, 通过输入输出电气隔离, 并对其输出电压、电流进行双重化限制和保护, 使输出的能量限制在一定的范围之内, 满足本安性能的要求。

2 电路介绍

2.1 AC-DC转换电路

本部分电路功能为将输入的非本安交流电源, 经过隔离、整流、开关变换, 转换为18V的直流电源。根据设备提供的AC36V电源, 以及开关电源芯片的输入范围要求, 定制一个36V/20V的变压器, 并且该变压器的两个绕组间有带接地的屏蔽层, 以满足隔离的要求。在变压器的初级绕组侧串接保险管, 同时要求变压器的功率大于保险管额定电流的1.7倍与36V的乘积, 以确保满足本安的要求。整流可以用4个二极管搭出电路, 也可以直接选用整流桥堆。开关稳压芯片选用L4978, 通过计算匹配电阻使输出电压为18V。

2.2 过流保护电路

本部分电路功能为将18V的直流电源进行限流、截流及短路保护处理, 使电源输出的电流限制在一定的范围 (340m A) 内, 在负载短路的情况下, 输出电流限制在20m A内, 本部分电路为双重化电路。限流保护电路是通过在电源输出母线上串接一个三极管V1, 并且将三极管V1的基极电阻进行限流匹配, 从而限制其集电极电流, 以达到限制18V电源母线输出电流的目的。同时, 将输出电压引入反馈比较, 接近0V时说明输出短路, 给出控制信号, 在三极管V1基极投入相当大电阻, 使输出电流限制在20m A内, 从而达到短路保护的目的。三极管V1在限流过程中会产生较大热量, 需要加装散热片。截流保护电路是通过在电源输出母线上串接一个小电阻R1和一个MOS管, 通过一个电流检测芯片检测通过电阻R1的电流, 并转化为电压信号, 与标准信号比较, 得到一个控制信号, 去控制MOS管。当电流小于规定值时, MOS管开通, 电源正常输出;当电流达到规定值时, MOS管关断, 电源无输出。当负载电阻值小于规定值时, 截流保护电路输出的是通断交替的脉冲波形。

2.3 过压保护电路

本部分电路功能为将18V的直流电源进行限压处理, 使电源输出的电压限制在一定的范围 (18.7V) 内, 本部分电路为双重化电路。过压保护电路是将输出电压引入反馈比较, 当输出电压值高于18.7V时, 比较器就输出一个控制信号, 使得可控硅导通, 从而将输出电压箝位到约1V, 达到过压保护的目的。

结语

本设计通过三个版本的调试、改进, 已经通过了本安试验、取得了安标, 并且已经在变频器项目中进行了实际应用, 使用效果良好。

参考文献

[1]康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 1999.

[2]GB3836.4-2010.爆炸性环境[S].北京:中国标准出版社, 2010.

[3]柳玉磊, 等.浅谈如何设计矿用本安输出电源[J].煤矿安全, 2010 (1) :81-83.

矿用本质安全防爆 篇5

煤矿综采工作面液压支架是综合机械化采煤的主要设备之一, 其动力源由乳化液泵站提供。乳化液泵站输出的连续液体, 经过乳化液泵站用卸载阀的开启和关断来实现断续供液, 满足液压支架的工作需求[1]。目前卸载阀从控制原理上分为机械式和电子式2种, 机械式卸载阀的卸载压力只能手动调节, 调压困难, 无法通过微机实现自动控制;电子式卸载阀可根据微机的程序指令实现自动调压, 使用方便灵活。我国现有的电子式卸载阀大多为隔爆型, 组成电控系统时需与隔爆型设备配套使用, 存在体积重量大、功耗高、安装维护不方便等缺点。而国外的本安型电子式卸载阀具有外形小、功耗低、工作可靠等优点, 能够基本满足煤矿高速高效生产的要求, 但因为价格高、供货周期长及与国内防爆标准不兼容等缺点, 不适合在我国煤矿推广使用。

本文介绍的DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁是为配套主阀形成成套本安型电子式卸载阀而研制开发的。

1 主要特点

DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁的主要特点:

(1) 功率小、吸力大、体积小、重量轻;

(2) 电路元件全部整体胶封, 与外界隔离, 防尘防水, 防护等级为IP54;

(3) 具有自放电、短路保护等自动保护功能, 本质安全;

(4) 结构紧凑, 动作灵活, 关键部件采用铜合金和不锈钢。

2 结构与原理

DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁主要由线圈绕组、可动铁芯 (力马达) 、壳体和电路板等组成, 如图1所示。线圈外壳材质为纯铁, 电路板外壳材质为黄铜, 其中电路板用环氧树脂胶整体胶封于电路板壳体中, 电磁铁自带长度为1 000±100 mm的电缆。外形尺寸:长为132 mm, 宽为60 mm, 高为100 mm, 重量约为4 kg。

电磁铁的原理是其线圈绕组在通电状态下将产生的磁场转换成一种动作力 (吸力或推力, 由电流方向决定, 即线圈右手定则) , 这种动作力应能满足卸载阀的可靠开启要求。因此, 研制电磁铁时需要根据卸载阀所需的吸力和行程来设计电磁铁的结构型式以及磁系统的结构尺寸。

通过分析、测试进口本安电磁铁, 结合配套卸载阀的实际运行工况, 得知其吸力在20 N以上, 行程在3.8～4.2 mm, 因此, 设计DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁的吸力不得小于20 N, 行程不得小于3.8 mm, 最大行程为4.2 mm。

3 关键设计

3.1 设计思路

设计电磁铁时需明确额定行程、最大行程、力量要求、电压 (或电流、电阻) 、用途等信息, 主要考虑以下几点:

(1) 由于电磁铁行程越小力量越大, 因此, 在设计电磁铁时必须要有吸力和行程的具体参数, 因为两者直接相关;

(2) 一般情况下, 电磁铁功率越大力量越大, 近似正比关系, 但当功率大到一定程度时, 电磁铁接近磁饱和, 力量增加很小;

(3) 如果线圈电阻、电流、电压有变化, 但功率不变, 线包大小不变, 那力量基本不变;

(4) 工作时间的长短也决定电磁铁功率的大小, 长时间通电时, 功率不能太大, 否则易发热烧坏电磁铁, 在工作时间内, 电磁铁发热不得超过客户允许值或温升限制值 (一般为+65 ℃) 。

根据收集到的原始数据和资料即可设计电磁铁, 主要解决以下2个关键问题:

(1) 电磁铁的结构型式;

(2) 磁系统的结构尺寸。

3.2 电磁铁结构型式的选择

电磁铁的结构型式有很多, 合适的电磁铁的结构型式可以使材料消耗最少而获得的功能最大[2]。一般标志电磁铁功能的大小是用所谓的“拟定功”来衡量的。拟定功A的定义为

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式中:δ为电磁铁的额定行程;F为该行程下的吸力。

由于设计前不知道电磁铁的实际功, 因此, 只能用拟定功来说明电磁铁的工作能力。选择合理的电磁铁的结构型式, 可以获得好的经济性。一般用经济重量m来衡量电磁铁的经济性:

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通常, 经济重量m的最小值都发生在某一结构因素Kϕ范围内:

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式 (3) 代表了电磁铁的结构尺寸之间的关系。因为磁场强度B一定时, F与铁芯的截面积 (直径dc的平方) 成正比, δ与铁芯的长度l成正比, 因此, 式 (3) 也可写成:

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式 (4) 表明, Kϕ称为结构因数有其实际意义。

针对本文设计的DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁, 已知F=20/9.8=2.04 kg, δ=0.38 cm, 则Kϕ=3.76, 查结构因数与电磁铁的结构型式的关系表 (见《电磁铁设计手册》第130页) [3]可知, 采用具有圆锥形挡铁的螺管式结构比较合理, 如图2所示。

DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁大类上属于螺管式, 与大多数静止挡铁和可动衔铁结构不同, 它在挡铁内部设计一种可滑动铁芯, 称为力马达, 当衔铁固定时, 在衔铁和挡铁之间产生的吸力必然会吸引挡铁内的可动物体运动, 如图3所示, 将推杆固定在滑套中, 滑套运动时带动推杆运动。

3.3 磁系统结构设计[3]

确定电磁铁的结构型式后, 接下来便要进行磁系统结构的设计, 主要确定以下几个尺寸:铁芯直径;外壳内、外直径;线圈厚度、长度;导线直径;线圈匝数。

lk-线圈长度, mm;b1、b2-外壳两端面厚度, mm;l-挡铁长度, mm;δ-额定行程, mm;z-衔铁长度, mm;dc-铁芯直径, mm;bk-线圈厚度, mm;D2-外壳内直径, mm;D3-外壳外直径, mm

1-滑套 (导磁不锈钢) ;2-铜套 (H62) ;3-推杆 (非导磁不锈钢)

螺管式结构的电磁铁有2种吸力, 即衔铁和挡铁之间的表面吸力F1和螺管力F2, 这两种力始终同时存在, 吸力F就是F1和F2的迭加, 它们的关系如图4所示。

F1和F2的大小随着δ的变化而变化。δ的大小决定着F1和F2所起的作用, 分以下2种情况:

(1) 当lk比δ大得多时 (δ=0.08lk～0.1lk) , 可以不考虑F2的作用, 认为全部吸力都由F1产生。

(2) δ很大时, 则不计F1, 认为全部吸力都由F2产生。

本文设计的电磁铁需要的δ小, 所以按第一种情况设计, 不考虑F2的作用, 认为吸力全部由F1产生。

根据已知数据:额定行程时的吸力F=2.04 kg, 额定行程δ=0.38 cm, 容许温升θ=65 ℃, 线圈电压U=12 V, 可以设计出磁系统的结构尺寸, 具体步骤如下。

第一步:计算铁芯直径dc。

由经验数据得到求铁芯直径的简化公式为

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将F=2.04 kg代入式 (5) , 求得dc=20 mm, 这里的铁芯即为上面介绍的力马达, 基本尺寸见图3。

第二步:计算外壳内直径D2、外直径D3。

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n根据经验选取, 一般n=2～2.5, 先选n=2, 则D2=40 mm。

由于undefined, 则D3=44.7 mm。

考虑电磁铁的外壳应具有一定的机械强度, 以及线圈龙骨的安装尺寸, 实际设计外壳内直径D2=50 mm, 外直径D3=60 mm。

第三步:确定线圈厚度。

线圈厚度公式为

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将上面求得的已知数据代入式 (7) , 求得bk=10 mm。

第四步:确定线圈磁势Fm。

线圈磁势公式为

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式中:μ0=1.25×10-8 H/cm;Bp=5 500×10-4 T;α=0.15～0.3。

选α=0.2, 求得Fm=2 090 A·t。

第五步:确定线圈长度。

根据公式:

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求得lk=48.9 mm。实际设计线圈长度lk为49 mm。

第六步:确定导线直径。

导线直径公式为

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式中:Dcp=dc+bk, 为平均直径, m;ρ为电阻系数。

当工作温度为40 ℃时, ρ=0.019 91, Dcp=0.02+0.01=0.03 m, Fm=2 090 A·t, U=12 V, 则d=0.64 mm, 取邻近标准直径为0.65 mm, 同时查得带绝缘后直径d′=0.68 mm。

第七步:确定线圈匝数N。

线圈匝数公式为

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式中:j为电流密度, 电磁铁长期工作时, j=2～4 A/mm2。

选j=3, 则N=2 110 t。

第八步:根据已知参数绘制外壳。

图5为DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁外壳结构尺寸。

第九步:根据已知参数确定线圈绕组。

DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁线圈绕组采用骨架结构, 骨架材料为尼龙, 结构尺寸如图6所示。

1-龙骨;2-线圈;3-牛皮纸

第十步:电磁铁初步设计完成后, 还需要进行特性验算, 反复修改论证, 在满足要求的基础上, 尽量使设计完美, 这里不再叙述验算过程。

3.4 本安电路设计

DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁本安电路如图7所示, 包括控制电路、保护电路等[5]。本安电路符合GB3836.4—2000《爆炸性气体环境用电气设备 第4部分:本质安全型“i”》规定的要求, 电源输入端使用2个并联单向二级管, 有2个作用:一是防止电流反向;二是减小电路的输入电感。电路板用环氧树脂胶整体胶封, 防护等级为IP54。本安参数如表1所示[6,7]。

4 实际应用

DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁已配套卸载阀在煤炭科学研究总院山西煤机装备有限公司生产的BRW315/31.5乳化液泵站上使用, 并在神东公司乌兰木伦煤矿得到应用。应用结果表明, 该电磁铁连续使用3个月没有出现问题, 发热量小, 动作响应灵敏, 性能稳定。

5 结语

DTHZ-20矿用本质安全型阀用电磁铁的成功研制, 为实现乳化液泵站的自动控制提供了必要的执行机构, 解决了本安型控制装置的电气接口问题, 具有一定的应用市场。

摘要：设计了一种与煤矿井下液压卸载阀配套使用的本质安全型电磁铁, 介绍了该电磁铁的主要技术指标、性能特点、结构原理, 分析了该电磁铁结构型式的选择, 重点阐述了该电磁铁的磁系统设计。实际应用表明, 该电磁铁具有功率小、吸力大、动作灵活等特点。

关键词：矿井,卸载阀,电磁铁,本质安全型

参考文献

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[3]电磁铁设计手册[EB/OL].[2010-02-28].http://www.mayi.os/soft/dl155100.html.

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[6]张军国, 牟龙华.电感性本安电路L/R的选择原则[J].安全与环境学报, 2002, 2 (4) :46-48.

矿用本质安全防爆 篇6

1主要技术指标

无线收发调制方式:FSK-FM;工作频率 (2组频率) :433.92 MHz或434.33 MHz;工作制式:8 h工作制;无线收发距离≥20 m;有线时收、发机间配用电缆长度≤ 20 m;接收机、支架电控装置间电缆长度10 m;外壳防护等级:IP54;质量:发射机1.5 kg (不含矿灯输出本安电源) , 接收机2 kg。

1.1发射机

频率容差20×10-5;发射功率≥0.3 mW;频偏10 kHz;防爆形式:ExibI;有线时, 电源由YK-Ⅰ-S本质安全型接收机提供:额定供电电压12.0 V (DC) , 工作电压10.5～12.5 V (DC) , 最大工作电流<80 mA (DC) , 待机电流<30 mA (DC) ;无线时, 电源由YK-Ⅰ-D矿灯输出本安电源提供:额定供电电压4 V (DC) , 工作电压3.5～5.0 V (DC) , 最大工作电流<60 mA (DC) , 待机电流<40 mA (DC) ;蓄电池供电能力:不小于10 h;显示方式:发光二极管显示。

1.2接收机

电源由KXJ250/1140EB隔爆兼本质安全型掘进机电控箱提供。接收灵敏度≤-90 dBm;输出RS-485标准信号;防爆形式:ExibI;额定供电电压12.0 V (DC) ;工作电压10.5～12.5 V (DC) ;最大工作电流<40 mA (DC) ;显示方式:发光二极管二进制码显示。

1.3矿灯输出本安电源

防爆形式:ExibI;最大输入电压5 V (DC) ;工作电压3.5～5.0 V (DC) ;额定输出电压 (4±0.5) V (DC) ;最大开路电压≤5 V (DC) ;额定输出电流100 mA (DC) ;最大短路电流≤2.5 A (DC) 。

2控制方案的选择

2.1遥控形式的确定

遥控操作信号传输方式大多采用无线电、红外线和超声波形式。采掘机械的遥控操作是近距离的遥控操作, 操作距离一般在30 m以内。无线电与红外线、超声波相比有以下优点:可避免红外光被阻挡而造成通信中断以及红外光接收距离较短 (10 m左右) 的问题;可避免使用超声波易受杂声波的干扰, 还兼有超声波全向收发的特点。但无线遥控也有其缺点, 主要表现为:耗电量较大, 需安装尺寸较大的接收、发射天线。无线遥控耗电量大的问题, 可通过降低发射机功耗的办法, 如间断发射、控制电路闲置时进入待机状态, 使其功耗达到可以接受的程度。选用较高的发射频率, 可解决天线尺寸较大的问题。从而最终确定高频无线电遥控的形式。

2.2设计中的几点考虑与解决方案

(1) 无线电发射频率与发射功率、发射接收天线形式的确定。

按照要求, 有效接收距离最大为30 m, 无线电信号主要以直射波形式传播。参考国外同类产品的技术数据, 确定发射频率在甚高频或超高频 (V-U) 波段, 发射功率在10 mW以内, 可以避免与其他无线电设备互相干扰。发射天线选用全向螺旋天线, 可以满足操作者位置不断变化的要求。

(2) 信号调制。

调频 (FM) 方式有较强的抗干扰能力, 因而在一定的发射功率下, 有效接收距离较大。因此, 载波采用FM方式, 调制方式采用二次调制。即首先将数字信号脉冲转换为模拟信号 (选用移频键控FSK方式) , 然后对载波FM调制, 可降低解调电路的复杂性, 提高系统的抗干扰能力。

(3) 供电问题。

由于接收机安装于采掘机械上, 所以可由采掘机械电控箱供电, 不存在任何困难。发射机是便携式, 它的供电电源也必须是便携的、符合煤矿特殊要求的, 并有足够的容量。考虑到操作者已携带照明用矿灯, 若再增加一个发射机用蓄电池, 势必增加操作者的负担, 因而决定使用操作者携带的矿灯蓄电池为发射机供电。由于发射机不可避免地要消耗部分电能, 因此, 应选用较大容量的蓄电池。为此, 对各矿灯厂家进行了调研, 与国内目前广泛使用的4 V, 8 Ah蓄电池相比, 容量更大的如4 V, 10 Ah蓄电池虽有生产, 但均不够可靠, 表现为寿命短、故障率高。针对这种情况, 只能使用目前已在使用的4 V, 8 Ah蓄电池, 同时尽可能降低发射机的耗电量, 以满足照明的需要。

(4) 控制信号传输的可靠性问题。

在发射机正常工作状态下, 其发射的无线电信号在煤矿井下的传输信道与地面相比有一定特殊性, 主要是煤壁对无线电信号的吸收与物体对信号的阻隔, 可能大大降低接收的有效距离;当发射机发射部分出现故障, 如电源电压过低、功率元件损坏时, 将造成控制失效。为避免在这些特殊情况下造成掘进机失控, 采用无线信号传输为主、有线信号传输 (由接收机供电) 为辅的互为备份的解决方案, 以实现既可有线遥控, 也可无线遥控。

3电路设计、软件编制与机械结构设计

根据煤矿的特殊要求, 遥控发射机和接收机的防爆型式为本质安全型。电路设计中尽可能地采用集成电路, 以提高集成度, 从而提高可靠性。

3.1低频部分

低频部分主要指数字逻辑控制电路。综合市场供应、现有设备等状况, 接收机、发射机中采用了8031系列单片计算机为核心控制芯片。有线通信采用符合RS-485标准的芯片, 接口简单方便, 传输距离大 (低速数据传输可达数千米) 。无线遥控时, 由矿灯输出本安电源供电。有线遥控时, 发射机由接收机供电, 内部使用线性集成稳压器。

为避免井下多台掘进机无线信号的干扰, 区分不同的受控对象, 采用码分多址方式 (每一台掘进机有独立的设备号) 。

3.2高频部分

由于控制信号是低速脉冲串, 应用于工业干扰严重的煤矿井下, 调制后的信号应是窄带高频信号, 这要求接收机和发射机有较好的频率容差。为此, 采用集成数字锁相环电路来满足这一要求。同时, 使用该技术, 可有效克服高频 (数百兆赫) 声表面滤波器、晶体滤波器规格不易满足特定频率点的使用要求所造成的困难。由于市场上可采购到434.33 MHz的晶体滤波器, 因而确定了载波频率。

3.3调制方式

由于采用便携式无线电遥控时, 发射机位置不断改变, 发射信号还将受到人体感应等多种因素的影响, 因此调制采用FM方式。这种方式与幅度调制方式相比, 具有抗干扰能力强的特点, 虽然其费用较高, 但从整体可靠性的角度出发, 这是值得的。

控制指令以数字脉冲串的形式发出, 含有丰富的高次谐波分量。为了避免与高频电路产生耦合、互调, 设计中首先将串行脉冲通过专用移频键控电路 (FSK) , 将其转换为双音频的FSK信号。实际上调制方式可认为是FSK-FM方式。

3.4防护外壳

矿用本质安全型电器外壳防护等级应为IP54, 但实际设计按IP65进行, 因为要保证装置有更高的可靠性。

3.5电路设计与软件编制

在电路设计与软件编制过程中, 充分考虑操作和维护、维修的方便性, 使一般的操作、维护人员能够方便地操作和较快地判断故障原因。由于遥控装置是集微机技术与无线电技术为一体的较为复杂的设备, 其操作和维护、维修方便是一个重要问题。为此, 设计了自检硬件电路和与之相应的软件。接收机、发射机除上电时自检, 并给出指示外, 还具有自检工作状态。当工作于自检工作状态时, 可较方便地读出接收机向主控制器传送的控制指令。考虑到井下照明条件较差, 遥控时观察采掘机械的动作情况有困难, 因此, 在遥控操作面板上安装了与动作相对应的发光指示灯, 以便操作者能够及时了解采掘机械的工作状态。

另外, 还充分考虑了信号传输的可靠性, 采用了软件陷阱、多控制代码冗余发射、奇偶校验等方法。在接收机中, 编制了当其在规定的时间内不能收到有效的控制信号时, 自动停机并闭锁, 以此来进一步提高控制的可靠性和安全性。为了降低功耗, 软件编程尽可能使发射机处于待机状态, 以延长蓄电池的供电时间。

4结语

矿用本质安全防爆 篇7

矿用隔爆兼本质安全型动力中心由天地 (常州) 自动化股份有限公司研制推出, 为移动式成套设备, 由矿用隔爆型高压真空开关、矿用多绕组干式变压器和多电压多回路矿用隔爆兼本质安全型组合开关等组合而成。该动力中心适用于含有甲烷混合气体、具有煤尘爆炸危险的煤矿井下, 可向综采工作面各采、运、支设备供、变电, 满足采煤工作面多电压的供电需要, 一次电压为6、10kV, 二次电压为3.45、1.2、0.693kV, 并提供完善可靠的控制与保护。

该动力中心具有以下特点: (1) 多电压、多回路、大容量、结构紧凑、高产高效; (2) 以工业计算机为控制核心, 具有短路、过流、断相、漏电闭锁、漏电、过压、欠压、电动机热敏、超温保护、双屏蔽电缆绝缘监视等各种保护功能; (3) 全中文液晶显示系统, 具有在线检测、实时监控、自诊断、互诊断、故障查询、记忆等功能; (4) 提供标准的Modbus、以太网协议通信功能, 为数字化矿山开采提供强有力的技术保障与支持。