氣控無壓風門(礦用氣控風門)的結構及工作原理

通過對氣控無壓風門平衡機構的受力分析，得出兩門板轉矩與風壓、轉動的角度有很密切的關系,當風壓大于(39.2Ab/SL)MPa 時，聯接門扇和平衡桿的軸承將被拉斷，因此要根據煤礦井下的實際風壓選擇強度合適的軸承及平衡機構，以保證氣控無壓風門的可靠使用，從而為現場實際應用提供理論依據。
礦用氣控無壓風門的平衡桿可以調節風門的開啟和關閉， 是風門平衡機構中重要組成部分，其受力傳動效果決定了風門運行的可靠程度，因此對平衡機構進行合理地研究與設計是非常重要的，本文基于文獻[2]中氣控無壓風門結構及研究成果，就其平衡機構進行受力分析，并對聯接門扇和平衡桿的軸承強度進行了強度校核。
1氣控無壓風門的結構及工作原理
（1）風門結構
氣控無壓風門主要由門框、左右門板、平衡機構、鋼絲繩及氣缸等組成。 其結構如圖 1 所示。

圖1 氣控無壓風門結構三維效果圖 1.氣缸 2.配重 3.鋼絲繩 4.平衡桿 5.彎架

（2）工作原理
如圖 1 所示， 氣控無壓風門采用煤礦井下高壓氣體作為氣缸的動力源，由電磁閥控制氣缸 1 推桿收縮，通過連接在推桿上的鋼絲繩 3 來拉動平衡桿 4，從而帶動直架和彎架 5，調控風門的開啟。當推桿伸出時，鋼絲繩呈現為松馳狀態，此時鋼絲繩對風門的牽制力為零， 風門則在配重墜陀 2 的作用下，回到關閉狀態。
2 平衡機構受力分析
如圖 2（a）所示，設彎架 CEF 距左門軸心距離 AF=a2， 伸出部分長 FE=b， 直架距右門軸心距離 BM=a1（設 a1>a2）。 若要保證平衡桿 CD 處于與門平AF′E′C′為原動桿，C′D′為連桿，D′M′B′為執行件，A 與 B 為固定端。線位置， 直架與彎架的伸出部分應相等，即MD=FE=b。
如圖 2（b）所示，若要使得平衡桿 C′D′仍舊在與門平行的直線位置，彎架的彎曲部分長 C′E′=a1+a2。
這樣，整個機構其實是一平行四連桿機構 AC′D′B′，將外推力作為作用于各個門板的內力考慮，作用點在門扇中心，則在打開過程中左門板受力矩
    Ml=Fcos αlb-Facos αl L    （1）
2 右門板受力矩
    My=Fcos αyb+Facos αy L    （2）
2
根據無壓風門的工作原理，在風門開關過程中整個系統應處于平衡狀態，總力矩為 0，即 Ml=My，即
Fcos αlb-Facos αl L ＝Fcos αyb+Facos αy L （3）
    2    2

圖3 氣控無壓風門平衡機構分析圖

氣控無壓風門的平衡機構受力情況如圖 3 所示，圖中的“′”上標表示末狀態,由該圖可知平衡桿兩端點的運動位移為 CC′和 DD′。 假設 EF=MD＝b，平衡桿初始狀態水平，門扇寬 L，門扇轉動角為 α，由于鋼絲繩與連桿捆綁在一起，因此對彎架施加力 f 的方向沿 CD 桿方向。

圖3 氣控無壓風門平衡機構分析圖
系統在水平方向所受外力為風壓對風門產生的推力及門軸對門的支撐力， 推力對門有轉動作用，而支撐力作用點在門軸上， 因此對門沒有轉動作用。
在理想狀態下，左右門板開關速率、角度始終能夠保持一致時，即αl=αy，根據式（3）可得
    Fa（cos αl＋cos αy） L ＝0    （4）
2
因此 Fa＝0，由此可見，在平衡桿的作用下，其外推力對門板的作用力為 0， 這正是無壓風門的工作原理。
上述推導是在理想狀態下的理論分析，而實際應用過程中的無壓風門并不一定能夠實現真正的無壓。
以下情況：
（1）在不同風壓作用下，左右門板轉矩不同，會出現速度不同的開關動作，導致平衡桿兩端受力不等而受到沖擊。 風壓越大，沖擊越嚴重，勢必會對平衡桿造成破壞。 如果平衡桿材料強度不夠，在較大風壓作用下，風門打開初期就會在平衡桿的兩端點處出現破裂；
（2）風門不能及時打開，會與經過的礦車發生碰撞，造成事故；
產生漏風。 由于作用在門扇上的壓力相當，在沒有外力或門扇阻力較大的情況下，不易關閉或關不嚴密，給通風系統管理帶來一定難度