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湖 南 科 技 大 學(xué) 開題報告 學(xué) 生 姓 名： 郭文彬 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專業(yè)及班級： 機械設(shè)計制造及其自動化五班 學(xué) 號： 1103010523 指導(dǎo)教師： 王起明 2015年 5月 29日 湖南科技大學(xué) 2015 屆畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題 目 乳化液泵站多功能控制方式隔爆開關(guān) 作者姓名 郭文彬 學(xué)號 1103010523 所學(xué)專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 1、 研究的意義，同類研究工作國內(nèi)外現(xiàn)狀、存在問題（列出主要參考文獻） 由于煤礦環(huán)境惡劣，突發(fā)事情多，生產(chǎn)危險性大，其生產(chǎn)的特殊性使得對煤礦井下自動化控制設(shè)備提出了更多更高的要求。要求其能夠?qū)崿F(xiàn)多種方式控制、保護、監(jiān)控。顯示等功能。主要參考文獻為《煤礦機電設(shè)備》。 2、 研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進一步具體化） 研究目標(biāo)、內(nèi)容：設(shè)計一個礦用的，安全性能高的，多種控制方式的，又可以實現(xiàn)其他功能的隔爆開關(guān)。 關(guān)鍵問題：主回路設(shè)計和殼體及關(guān)鍵機構(gòu)的設(shè)計。 3、 特色與創(chuàng)新之處 1.低成本 2.極高的空間利用率 3. 具有過載、短路、斷相、漏電閉鎖等保護功能 4. 可進行遠方控制和就地控制低速起動、高速運行 5.可靠的閉鎖裝置 6.中文液晶顯示 4、 擬采取的研究方法、步驟、技術(shù)路線 第一、確定隔爆開關(guān)需要完成的功能、總體方案論證； 第二、主電路原理圖繪制及修改； 第三、內(nèi)部電器與外部傳感器整體布局結(jié)構(gòu)設(shè)計； 第四、整體結(jié)構(gòu)以及快開門機構(gòu)設(shè)計； 第五、隔爆開關(guān)設(shè)計計算說明書。 5、 擬使用的主要設(shè)計、分析軟件及儀器設(shè)備 proeWildfire 5.0、AutoCAD2007、Microsoft Office Word 6、參考文獻 M:[1] 袁任光.電動機實用控制電路238例.機械工業(yè)出版社,2012. M: [2] 張?zhí)m閣,孫國欽.煤礦機電設(shè)備.中國礦業(yè)學(xué)院出版社,1987. M: [3] 芮延年,姚壽廣.機電傳動控制.機械工業(yè)出版社,2006. M: [4] 郭雨.煤礦機電設(shè)備.中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005. M: [5] 范國偉,桑建明.機電傳動與運動控制[M].機械工業(yè)出版社,2013. M: [6] 劉鴻文.材料力學(xué).高等教育出版社,2011. M: [7] 大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室.機械制圖.高等教育出版社,2007. 注： 1、開題報告是本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的一個重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求和文獻調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。 2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著） A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起止頁碼。 B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。 3、表中各項可加附頁。 - 2 - 湖南科技大學(xué) 湖 南 科 技 大 學(xué) 英文文獻翻譯 學(xué) 生 姓 名： 郭文彬 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專業(yè)及班級： 機械設(shè)計制造及其自動化五班 學(xué) 號： 1103010523 指導(dǎo)教師： 王起明 2015年 5月 29日  后橋殼疲勞失效的有限元分析預(yù)測 M.M. Topac, H. Gunal, N.S. Kuralay. Fatigue failure prediction of a rear axle housing prototype by using finite element analysis[J]. Engineering Failure Analysis， 摘 要 對與在試驗中，當(dāng)施加循環(huán)垂直應(yīng)力在后橋殼上，產(chǎn)生了過早的疲勞變形的現(xiàn)象 進行了研究。發(fā)現(xiàn)在這些試驗中，裂縫主要出現(xiàn)在樣品的同一區(qū)域。為了確定破壞的原因，建立了完整的后橋殼CAD模型。同時，橋殼的機械性能取決于其材料的拉伸性能。利用這些數(shù)據(jù)，運用有限元原理進行了應(yīng)力及疲勞分析。確定了疲勞應(yīng)變的發(fā)生位置以及不發(fā)生疲勞應(yīng)變的最小循環(huán)垂直應(yīng)力。將有限元分析的結(jié)果與實驗的結(jié)果進行對比。設(shè)計提出了增強橋殼疲勞壽命的解決方案。 關(guān)鍵字：后橋殼；應(yīng)力集中；失效；有限元分析 1 概述 由于具有較高的承載能力，固體車橋通常用于重型商用車輛上[1]。固體車橋的結(jié)構(gòu)見圖1。在車輛的使用中，車橋是主要承載部件，由路面不平產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力進而產(chǎn)生的動態(tài)壓力導(dǎo)致了車橋產(chǎn)生疲勞破壞。因此，最重要的是進行橋殼抵抗疲勞破壞的壽命預(yù)測。在大規(guī)模生產(chǎn)前，有必要對橋殼模型在動態(tài)垂直應(yīng)力作用下進行如圖2所示的裝載能力及疲勞壽命的有限元分析。在這些測試中，由液壓機構(gòu)提供的循環(huán)垂直載荷施加在樣品上，直到樣品出現(xiàn)疲勞破壞。根據(jù)承載標(biāo) 準(zhǔn)，橋殼必須能承載N=5X105循環(huán)應(yīng)力而不出現(xiàn)疲勞破壞。在對如圖3所示不對稱的橋殼模型進行垂直疲勞測試時，在應(yīng)力達到極限前就有疲勞破壞出現(xiàn)在模型上。因此發(fā)現(xiàn)，不出現(xiàn)疲勞破壞的最小循環(huán)應(yīng)力大約為3.7X105。在這些測試中， 裂紋出現(xiàn)在班卓過渡區(qū)E1和E2。圖4所示為一早期破壞的例子。 為了找出早期失效的原因，運用CATIA V5R15商業(yè)軟件建立了一個詳細的橋殼三維模型。利用該模型，建立有限元模型。運用ANSYS V11.0商業(yè)有限元分析軟件工作平臺進行應(yīng)力和疲勞分析。通過拉伸測試的有限元分析獲得了橋殼的材料性能，運用RecurDyn商業(yè)CAE軟件進行車輛動力學(xué)模擬，獲得了橋殼最大載荷。通過這些分析，找到應(yīng)力集中部位。為了實現(xiàn)疲勞分析，引入疲勞強度修正系數(shù)建立了橋殼材料的估計S-N曲線。將分析獲得的結(jié)果與垂直疲勞測試實驗的結(jié)果進行比較。為了阻止早期破壞并獲得增大的疲勞壽命，提出了一些解決方案。 圖1 商用車后橋殼總成 圖2 橋殼模型乘直疲勞測試 圖3 橋殼幾何形狀 圖4 測試樣品底部的疲勞開裂 圖5 橋殼的完整CAD模型 2 有限元模型 2.1 CAD和有限元模型 分析用全尺寸車橋CAD模型如上圖5所示。橋殼本質(zhì)上由兩個相同的薄壁殼組成，薄壁殼的厚度為9.5mm并沿著后橋殼的中性軸焊接。在前端面，一個用螺栓固定了差動齒輪裝載器的曾環(huán)被焊接在橋殼上用來增強剛度。出于密封性的考慮，將一個圓蓋焊接在后端面上。這里，元素A和B為下垂壁卡鉗聯(lián)接。支撐C和D代表輪與地面的接觸。車橋支撐聯(lián)接點之間的距離與后軸輪軌之間的距離相等。運用 CATIA V5R15建立橋殼三維模型。將橋殼的完整CAD模型導(dǎo)入ANSYS V11.0工作平臺前置處理界面，建立分析所需的有限元模型。有限元模型用于圖6所示的壓力及疲勞分析。為了建立有限元模型，橋殼按照SOLID187進行網(wǎng)格劃分。S0LID187具有二次位移的三維實體單元并且適用于進行不規(guī)則網(wǎng)格劃分。橋殼被定義為擁有10個節(jié)點，且每個節(jié)點擁有3個自由度。運用CONTA174和TARGE170元素建立橋殼各部件之間的聯(lián)系。焊接表面的聯(lián)接關(guān)系選擇為完整的可靠聯(lián)接。有限元模型由779,305個元素和1,287,354個節(jié)點組成。 圖6橋殼有限元模型 表1 S450N的化學(xué)特性（Wt%） 表2 抗拉測試結(jié)果 2. 2 橋殼材料 車橋殼是由9.5mm厚的微金屬合金管壁經(jīng)沖壓焊接制成的，該管壁的材料為熱成型標(biāo)準(zhǔn)鋼鐵S460N （材料編號1.8901，等同于ISO標(biāo)準(zhǔn)[3]中E460）。該材料的化學(xué)成分是從供應(yīng)商獲得的，具體見表1 [4]。未加工的S460N的機械性能見參考文獻[5]。然而，橋殼材料在制造過程中需經(jīng)過若干道工序，包括退火至800°C和750°C熱沖壓。為了將工序?qū)C械性能的影響引入有限元分析并確定加工后材料的精確機械性能，從后橋殼模型中抽取5個樣本并進行拉伸試驗。所有的試驗均在室溫下進行。從后橋殼模型中抽取的5個樣本均在熱影響區(qū)之外。表2給出的結(jié)果均為5個樣本的最低值，并將這些結(jié)果引入有限元模型。將材料定義為顯性各向同向性材料。 2. 3 負(fù)荷條件 有限元分析中的負(fù)荷條件是根據(jù)垂直疲勞測試中出現(xiàn)早期失效處的支撐區(qū)域確定的。測試是在如圖7所示的可提供80噸載荷的裝置上進行的。該裝置是由兩個具有承載單元的電動液壓執(zhí)行機構(gòu)和伺服閥組成的，伺服閥安裝在連接A，B的卡鉗處。TS表示兩個卡鉗間的距離，T因表示支撐C，D間的距離即真實后橋殼的輪距。車橋的模型是根據(jù)如圖8所示的由兩個空氣彈簧支撐的真實橋殼設(shè)計的。因 為載荷施加在牽引臂的偏心輪上，所以彈簧的彈力也產(chǎn)生了彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力在橋殼上產(chǎn)生了一個額外的彎曲AM。測試樣品中的額外彎曲影響由圖7所示的液壓驅(qū)動裝置的偏距c提供。每個彈簧的最大設(shè)計載荷為F = 2850kg。應(yīng)力垂直的施加在彈簧底座的點。這導(dǎo)致了在卡鉗A, B處產(chǎn)生了靜態(tài)反應(yīng)力P=4550kg。因為路面不平使車身的集中質(zhì)量產(chǎn)生的垂直加速度導(dǎo)致在每個卡鉗處的最大動態(tài)載荷大約為P的兩倍。由ReoirDyn商業(yè)CAE軟件進行的計算機路面模擬所得的載 荷變化范圍為182-9I00kg。垂直疲勞測試所得的載荷特性曲線如圖9所示。有限元分析也考慮到了最大動載荷9100kg沿額外彎曲變形△M所產(chǎn)生的影響。如圖10所示的車橋垂直應(yīng)力模型是根據(jù)參考文獻[6]設(shè)計的。 圖7垂直疲勞測試原理圖 圖8 縱臂的偏心載荷 3 有限元分析及結(jié)果 有限元分析用于預(yù)測應(yīng)力集中及疲勞壽命較低區(qū)域的準(zhǔn)確位置。P和△M施加在圖10所示的卡鉗連接處。運用裝配1.86GHz因特爾至強四核處理器的HPx因8400工作站借助ANSYS V11.0工作平臺進行壓力分析。圖11所示為有限元分析所得的等應(yīng)力分布圖。分析結(jié)果顯示應(yīng)力集中區(qū)域F1、F2分布在橋殼承載區(qū)域底部的過渡區(qū)。從圖12中可以看出疲勞失效區(qū)域與臨界區(qū)域在同一位置。計算得出的最大分布應(yīng)力為 σmax=388.7Mpa；是材料屈服應(yīng)力點的78. 1%。這說明橋殼在承受最大靜載荷時符合安全條件。 圖9疲勞測試中的執(zhí)行機構(gòu)負(fù)荷特性曲線 圖10橋殼的外加負(fù)荷及彎矩圖 圖11 下殼體上的工作應(yīng)力分布 圖12測試與分析結(jié)果比較 4.疲勞壽命預(yù)測 由于在使用中后橋殼承受動應(yīng)力，也需要進行疲勞分析。壓力壽命的疲勞極限估計值為 （1） 鋼材的強度極限小于1400MPa[7，8]。這意味著疲勞強度的周期為106或更多。為了預(yù)測在105 - 106周期范圍內(nèi)的疲勞壽命，使用參考文獻[9]中使用簡單抗拉測試獲得所需數(shù)據(jù)的方法作出橋殼材料的S-N曲線。 代表理想實驗樣品的壓力疲勞壽命。為了預(yù)測機械零件的真實疲勞強度， 需要乘上代表各種設(shè)計，制造和環(huán)境對疲勞強度影響的修正因子[10]。Se為 Se=kakbkckdke （2） 式中ka為根據(jù)下式得出的表面拋亮度得到的表面因數(shù) ka=a （3） 由于橋殼表面的粗糙度與經(jīng)過熱沖壓工藝的熱軋鋼板相似，所以推薦的標(biāo)準(zhǔn)為 a=57.7和b=-0.718[7].經(jīng)計算得出ka=0. 564, Sut=629.9MPa。另外，噴丸工藝作為一種常見的爪于減少零件材料表面殘留應(yīng)力的方法，也用于增加熱沖壓后的橋殼表面的疲勞壽命。文獻[9]中給出這種方法可增加70%的疲勞壽命。因此，在有限元分析中ka的取值為0.959。因為橋殼為非圓形截面，根據(jù)橫截面深度h遠大于50mm假定尺寸因數(shù)kb為0.75。由于環(huán)境溫度T=0-250°C，所以彎曲和環(huán)境因數(shù) kd=1，進而確定負(fù)荷系數(shù)kc=1。 通過靜態(tài)有限元分析，可得出應(yīng)力集中區(qū)分布在班卓及橫臂過渡區(qū)域。所以，除了上述修正因數(shù)外，疲勞強度修正因數(shù)ke必須引入分析，ke可通過與應(yīng)力集中系數(shù)kf有關(guān)的應(yīng)力集中系數(shù)kt得到。因此ke的計算式為 ke=1/kf （4） 出于安全考慮，kf假設(shè)與kt相等[7]。由于橋殼的大小及形狀的復(fù)雜性，kt無法從標(biāo)準(zhǔn)文獻中查出。另一方面，kt被定義為 Kt=σpeak/σnominal （ 5 ） 式中σpeak為凹口處得峰值應(yīng)力，σnominal不出現(xiàn)應(yīng)力集中時的常應(yīng)力p[9, 12]，σpeak的使用數(shù)值可從σmax=388. 7MPa時的靜有限元分析中得出。為了計算σnominal將后橋殼簡化為一簡支梁，其沿縱軸Y的危險橫截面X1X1都為矩形并適用于純彎曲理論[6]。 σnominal按圖10所給出的模型的計算公式為 σnominal=M/Z （6） 式中M為彎曲力矩，Z為危險橫截面的斷面系數(shù)。M的取值為41.9xl06Nmm。斷面系數(shù)Z取值為127507mm3。因此計算得出σnominal為329MPa。發(fā)現(xiàn)ktkf=1.181，ke=0.846。運用ANSYS V11.0工作平臺定義S-N曲線中標(biāo)繪的修正因數(shù)。通過壓力壽命決定橋殼材料的疲勞壽命。全部的疲勞分析都是以無限壽命進行的（N=106）。 用有限元分析得到的壓力分布圖進行疲勞壽命計算。由于載荷具有正弦波動特性 （平均應(yīng)力σm>0），修正方法如下[9] （7） 式中，n表示安全系數(shù)。振幅為 （8） （8）平均應(yīng)力am可表示為 （9） 式中，通過有限元分析得到σmax為最大值9100kg，σmin匹配的最小值為182kg。殼體底部的分配系數(shù)n如圖13所示。根據(jù)疲勞分析結(jié)果，估計在周期為ca3.6X105時，橋殼表面F1區(qū)域會發(fā)生裂紋開裂，該數(shù)值低于預(yù)測值為5x105周期的最小疲勞壽命。此處n的最小值為0. 93。在橋殼的內(nèi)表面，最大應(yīng)力集中發(fā)生處F2區(qū)域的n值最小，計算結(jié)果為0.767。這意味著，在垂直應(yīng)力測試中區(qū)域F1和F2會在載荷周期5X105 前發(fā)生疲勞幵裂。 5.結(jié)構(gòu)及討論 有限元分析顯示在垂直疲勞測試中出現(xiàn)疲勞破壞的區(qū)域存在應(yīng)力集中，該應(yīng)力集中會導(dǎo)致在最小預(yù)測周期5X105前出現(xiàn)過早破壞。此結(jié)果與垂直疲勞試驗中的結(jié)構(gòu)相同。增大橋殼的疲勞壽命需減小應(yīng)力集中。減小應(yīng)力集中，增大疲勞壽命的最簡單的方法是金屬壁的厚度。然而，在F1F2區(qū)域外橋殼符合無限壽命周期條件。增加金屬筆厚度導(dǎo)致了不必要的重量增加。例如，增加厚度0.5mm，使得橋殼材料在臨界區(qū)域的疲勞極限提高到了超過5. 85X105周期，此極限超過了設(shè)計的疲勞極限。另一方面，這也意味著提高了汽車非簧載質(zhì)量5%的重量。所以這并不是實用的解決方法。作為另一種解決方法，可從新設(shè)計過渡區(qū)域的幾何形狀。平整的過渡區(qū)幾何形狀可提高疲勞痔命而不增加重量。 此外，加固環(huán)的形狀也對應(yīng)力集中產(chǎn)生影響。在所研究的該橋殼設(shè)計中，加固環(huán)的厚度為20mm。為了預(yù)測加固環(huán)的影響，在沒有加固環(huán)的情況下又進行了一次有限元分析。在臨界區(qū)域F2處的最大分布應(yīng)力為428MPa。這意味著，實用加固環(huán)大約減少了10%的應(yīng)力集中。通過增加此部分的厚度，可能會增加硬度。在此設(shè)計中，由于動力系統(tǒng)外形的限制，增加的厚度為5mm。根據(jù)此加固環(huán)的外形變化 進行靜態(tài)疲勞分析。然而，分析顯示疲勞強度的增加均為其自身的，因此橋殼的疲勞壽命不會增加到超過設(shè)計最小載荷周期5X105倍的程度。因此，増加加固環(huán)的厚度可與從新設(shè)計過渡區(qū)幾何形狀同時使用。 圖13下殼體安全系數(shù)分布 6.總結(jié) 運用有限元分析方法對卡車后橋殼模型的早期疲勞失效進行分析。在分析中，通過模擬垂直疲勞試驗過程，預(yù)測應(yīng)力集中區(qū)在班卓過渡區(qū)域。發(fā)生疲勞開裂的區(qū)域與分析所得結(jié)果相吻合。通過有限元分析可預(yù)測破壞發(fā)生的位置。 通過穩(wěn)態(tài)和循環(huán)張應(yīng)力確定臨界區(qū)域。裂縫導(dǎo)致破壞發(fā)生在橋殼的應(yīng)力集中區(qū)域。盡管橋殼模型負(fù)荷最大垂直載荷靜態(tài)忍耐條件，分析顯示，如果為循環(huán)載荷，疲勞破壞可能在預(yù)測的最小周期5X105前發(fā)生。有限元分析同樣可用于估計疲勞失效開始前的周期數(shù)。 為了解決該問題，増加金屬管壁的厚度因為會增加橋殼的重量，所以并不是實用的方法。重新設(shè)計班卓過渡區(qū)和增加加固環(huán)的厚度，這種符合最小設(shè)計準(zhǔn)則的途徑，也許是增強疲勞壽命的好方法。 感謝 這篇論文在土耳其伊茲密爾市的Ege Endustri ve Ticaret A.S.的幫助下完成。作者同時也對來自Dokuz Eylul大學(xué)的E. Cmar Yeni博士和Pamukkale大學(xué)的Cemal Meran博士的批評與建議表示感謝。 - 11 - 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ） 題目 乳化液泵站多功能控制方式隔爆開關(guān) 作者 郭文彬 學(xué)院 機電工程學(xué)院 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)號 1103010523 指導(dǎo)教師 王起明 二〇〇 年 月 日 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 機 電 學(xué) 院 院 測 控 系（教研室） 系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日 學(xué)生姓名: 學(xué)號: 專業(yè): 機械設(shè)計及自動化 1 設(shè)計（論文）題目及專題：乳化液泵站多功能控制方式隔爆開關(guān)設(shè)計 2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自2015年 月日開始至 年 月日止 3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料： 3.1 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計題目的技術(shù)要求查閱相關(guān)論文等技術(shù)資料； 3.2 了解傳統(tǒng)乳化液泵站控制與已有的自動控制技術(shù)成果； 3.3、熟悉煤礦隔爆電器設(shè)計規(guī)范要求； 3.4 熟悉設(shè)計所用的專業(yè)應(yīng)用軟件。 4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容： 4.1、隔爆開關(guān)內(nèi)部電器與外部傳感器整體布局結(jié)構(gòu)設(shè)計； 4.2 隔爆開關(guān)整體結(jié)構(gòu)以及快開門機構(gòu)設(shè)計； 4.3 整體結(jié)構(gòu)三維圖設(shè)計； 4.4 裝配及零件圖繪制。 5.4、隔爆開關(guān)電主回路控制系統(tǒng)設(shè)計 5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求： 5.1 隔爆開關(guān)設(shè)計計算說明書； 5.2 隔爆開關(guān)電主回路控制系統(tǒng)電路圖； 5.3 各零件及裝配圖。 5.4 提交相關(guān)英語翻譯不少于2000字。 發(fā)題時間： 2015 年 03 月 09 日 指導(dǎo)教師： （簽名） 學(xué) 生： （簽名） 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語 [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價] 指導(dǎo)人： （簽名） 年 月 日 指導(dǎo)人評定成績： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語 [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內(nèi)容與方法，實用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價] 評閱人： （簽名） 年 月 日 評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄 日期： 學(xué)生： 學(xué)號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料： 1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁 2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁 3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語： [主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價] 答辯委員會主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績： 總評成績： 摘 要 在爆炸危險區(qū)域的自控系統(tǒng)設(shè)計中,人們在實踐中積累了各種防爆方法，如本質(zhì)安全型、正壓通風(fēng)型、隔爆型、增安型、充沙型、充油型、澆封型等各種防爆方法。本文以濟源市科靈電器有限責(zé)任公司的產(chǎn)品為背景，針對目前國內(nèi)隔爆開關(guān)在特殊工作場所中的防爆要求，在公司原有產(chǎn)品技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出了一種較為理想的隔爆兼本質(zhì)安全型雙速真空電磁起動器的設(shè)計方案，將隔爆兼本質(zhì)安全防爆技術(shù)與交流雙速電機啟動技術(shù)有機結(jié)合開發(fā)完成了本次設(shè)計產(chǎn)品。 本文第一章首先介紹了煤礦井下防爆技術(shù)的發(fā)展概況以及電動機防爆起動技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。進一步提出礦用隔爆裝置的防爆技術(shù)要求，點明本課題主要解決的問題。 本文第二章針對本質(zhì)安全電路的原理、特點及國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，闡述了本質(zhì)安全電路設(shè)計的基本原則及方法。分析了目前礦井電動機控制系統(tǒng)先導(dǎo)電路的工作原理,按照本安電路設(shè)計規(guī)范要求對煤礦井下防爆隔爆開關(guān)的本安電路結(jié)構(gòu)及元件的選型進行了設(shè)計計算。對礦用隔爆開關(guān)整體設(shè)計進行了概述，說明了礦用隔爆開關(guān)的工作原理、主電路設(shè)計，根據(jù)元件的額定值選型從而對隔爆開關(guān)設(shè)備中所使用的電氣元件（真空接觸器）進行選型，以及隔爆開關(guān)內(nèi)部電器與整體布局結(jié)構(gòu)設(shè)計。 本文第三章重點分析了礦用防爆隔爆開關(guān)的防爆殼體的設(shè)計思路，以標(biāo)準(zhǔn)化隔爆級別和安裝維護的方便為前提，從防爆外殼的選材，到結(jié)構(gòu)型號，再到接線方式，結(jié)合面的配合程度，甚至外殼上配用的螺栓螺母，均按相應(yīng)的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計完成了一套完整的產(chǎn)品裝配圖與零件圖。 本文第四章分析了何種快開門機構(gòu)適合本次設(shè)計的礦用防爆隔爆開關(guān)，并對快開門機構(gòu)進行設(shè)計。 本文第五段進行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞：防爆技術(shù)，雙速交流電動機，隔爆結(jié)構(gòu)，本安電路 ABSTRACT In the explosion danger area in the design of automatic control system, people accumulated explosion protection methods in practice, such as intrinsically safe, positive pressure ventilation type, flameproof, increased safety, filling sand, oil filled type, such as encapsulation type explosion-proof methods. Electric appliance co., LTD in jiyuan city branch spirit products as the background, in view of the present domestic flame-proof switch in special explosion-proof requirements in the workplace, in the original products of the company, on the basis of technology and equipment, this paper proposes a ideal explosion-proof and intrinsically safe design of double speed vacuum electromagnetic starter, explosion-proof and intrinsically safe explosion-proof technology combine with ac double-speed motor start technology development has completed the design of products. In this paper, the first chapter firstly introduces the general situation of the coal mine explosion-proof technology, and the current situation and trend of development of explosion-proof motor starting technology. Further put forward the explosion-proof technology requirements of mining flame-proof device, this topic mainly solve the problem. In this paper, the second chapter in the light of the principle, characteristics of intrinsically safe circuit and the requirements of national standard, this paper expounds the basic principles and methods of intrinsically safe circuit design. Analysis of the current mine motor control system pilot circuit principle of work, according to the requirements of the Ann circuit design specifications of the coal mine explosion-proof explosion-proof switch in the circuit structure and the selection of components for the design and calculation. Of mining flame-proof switch overall design were summarized, and illustrates the working principle of mining flame-proof switch, the main circuit design, according to the rating of components selection and flame-proof switch equipment used in the selection of electrical components (vacuum contactor), and flame-proof switch internal electrical structure design and the overall layout. In this paper, the third chapter analyses the mine explosion-proof explosion-proof switch of flameproof shell design train of thought, in a standardized and isolation level and easy installation and maintenance of the premise, from material selection, explosion-proof enclosure to the structure model, and then to the connection mode, combined with the matching degree, even on the shell with bolt and nut, are designed according to the requirements of relevant national technical standards for a complete set of product assembly drawing and part drawing. In this paper, the fourth chapter analyzes what is open mechanism suitable for the design of mine explosion-proof explosion-proof switch, and open the door for fast mechanism to carry on the design. In this paper, the fifth section are summarized. Keywords: explosion-proof technology, double speed ac motor, explosion-proof structure, the circuit 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 目 錄 -ii- 第一章 緒論………………………………………………………………………… 1 1.1 乳化液泵站的描述……………………………………………………………… 1 1.2 工業(yè)防爆技術(shù)概況……………………………………………………………… 1 1.3 礦用防爆電器產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢……………………………………3 1.3.1 礦用防爆電器產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新………………………………………… 3 1.3.2 礦用防爆電器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢………………………………………… 5 1.4 起動裝置的防爆技術(shù)要求……………………………………………………… 6 第二章 隔爆開關(guān)電路設(shè)計………………………………………………………… 9 2.1 隔爆開關(guān)的特點及主要性能…………………………………………………… 9 2.2 隔爆開關(guān)部分元件選型和主電路原理圖……………………………………… 11 2.2.1 隔爆開關(guān)接觸器選型…………………………………………………… 11 2.2.2 隔爆開關(guān)主電路原理圖………………………………………………… 12 2.3 隔爆開關(guān)起動原理和保護……………………………………………………… 12 2.3.1 隔爆開關(guān)的起動原理…………………………………………………… 12 2.3.2 隔爆開關(guān)的保護………………………………………………………… 14 2.4 隔爆開關(guān)的使用和維護………………………………………………………… 14 2.5 隔爆開關(guān)內(nèi)部電器與整體布局結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………… 15 2.5.1 外形結(jié)構(gòu)………………………………………………………………… 15 2.5.2 主腔結(jié)構(gòu)………………………………………………………………… 15 2.5.3 門上裝置………………………………………………………………… 15 2.5.4 外殼接線腔……………………………………………………………… 16 第三章 隔爆開關(guān)隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………… 17 3.1 隔爆殼體的設(shè)計研究…………………………………………………………… 17 3.2 隔爆開關(guān)的隔爆殼體設(shè)計……………………………………………………… 21 3.2.1 長方體隔爆殼體的設(shè)計方法…………………………………………… 21 3.2.2 隔爆殼體加強筋的設(shè)計結(jié)果…………………………………………… 26 3.2.3 隔爆殼體壁板的設(shè)計方法……………………………………………… 28 3.2.4 隔爆殼體壁板的設(shè)計結(jié)果……………………………………………… 28 3.2.5 隔爆殼體法蘭的剛度設(shè)計方法………………………………………… 29 3.2.6 隔爆殼體法蘭的設(shè)計結(jié)果……………………………………………… 31 3.3 連接螺釘?shù)膹姸燃皵?shù)量………………………………………………………… 33 第四章 快開門機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………… 36 4.1 快開門機構(gòu)概述………………………………………………………………… 36 4.2 快開門機構(gòu)的設(shè)計……………………………………………………………… 36 第五章 結(jié)論…………………………………………………………………………… 40 參考文獻………………………………………………………………………………… 41 致謝……………………………………………………………………………………… 42 第一章 緒 論 1.1 乳化液泵站的描述 乳化液泵站是用來向綜采工作面液壓支架或高檔普采工作面單體液壓支柱等輸送高壓乳化液的設(shè)備，是機械化采媒工作面的主要裝備之一，它是一種把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗艿哪芰哭D(zhuǎn)換裝置。綜采工作面的液壓支架之所以能夠支撐頂板，并能實現(xiàn)推移刮板輸送機、移架、調(diào)架、護壁、側(cè)護、防倒、防滑等動作，都是乳化液泵站供給的壓力液使各種千斤頂動作的結(jié)果。所以說，乳化液泵站是液壓支架的動力源，它的好壞直接影響著液壓支架的工作性能和使用效果。 除液壓支架、單體液壓支柱是靠乳化液泵站供給的壓力液工作外，在某些綜采工作面，可彎曲刮板輸送機的緊鏈液壓馬達、采煤機牽引鏈的張緊千斤頂、橋式轉(zhuǎn)載機的固定與推移千斤頂，以及工作面上下出口處超前支護用的單體液壓支柱等，都是靠乳化液泵站供給的高壓液工作的。目前我國礦用乳化液泵站，都是面向綜采工作面的大型泵站，超高壓、大流量是其發(fā)展的主要方向，而且絕大多數(shù)的乳化液泵站都不帶配液裝置。在一些臨時作業(yè)場所需要動力時，這種大型乳化液泵站使用起來極不方便，急需多種多樣的輕型動力源裝置。 乳化液泵站是由乳化液濃度自動配比裝置、乳化液泵組、乳化液箱及附屬裝置組成。乳化液泵站在實際使用時，往往是同時安裝兩臺乳化液泵和一個乳化液箱，所以通常稱“兩泵一箱”。同時安裝兩臺乳化液泵的好處是，在正常情況下，一臺泵運轉(zhuǎn)，另一臺泵作為備用或進行輪換檢修，當(dāng)工作面液壓支架等液壓設(shè)備需要增加供液量時，也可讓兩臺乳化液泵并聯(lián)工作，從而滿足生產(chǎn)的需要。 1.2 工業(yè)防爆技術(shù)概況 工業(yè)用電氣設(shè)備的選擇主要瞄準(zhǔn)在惡劣工業(yè)環(huán)境中的長期可靠運行和良好的工作性能。當(dāng)電氣設(shè)備用于爆炸性氣體環(huán)境中時,要特別注意防止電氣設(shè)備因火花或熱表面而引起的爆炸。因此,選擇的目的在于把電氣設(shè)備可能引起爆炸的概率減小到容許的最低限度。引起爆炸的條件是,必須同時存在爆炸性氣體和引燃兩個條件。在某一場所,爆炸性氣體存在的可能性很高,電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)使產(chǎn)生點燃源的可能性盡可能小,相反,對于那些爆炸性氣體存在的可能性很小的場所,則可允許點燃源存在的概率稍高些。因此,電氣設(shè)備與實際危險條件必須謹(jǐn)慎匹配,以便一方面保證滿足電氣設(shè)備的安全等級要求,另一方面避免電氣設(shè)備不必要的造價和系統(tǒng)設(shè)計等方面的復(fù)雜化。 如果工業(yè)上不可能使用無火花電器,一些專用方法可保證電氣設(shè)備不發(fā)生爆炸，這些特殊方法稱為“防爆型式”。防爆型式是為防止電氣設(shè)備引起周圍爆炸性氣體環(huán)境引燃而采取的特定措施。各種防爆型式通常用字符表示,這些符號的介紹及特殊防爆形式意義簡要解釋如下。 d:隔爆外殼一種防爆型式。在這種防爆型式中,能夠引起爆炸的電氣設(shè)備元件均封閉在一個外殼內(nèi),該外殼能承受內(nèi)部爆炸性混合物的爆炸壓力而不受損壞,或阻止內(nèi)部火焰通過殼內(nèi)任何接合面及各結(jié)構(gòu)開口向外部爆炸性環(huán)境傳播。 e:增安型防止產(chǎn)生過高溫度和產(chǎn)生電弧和火花的可能性,從而達到增加安全所提供的一種防爆形式。 h:氣密型氣密殼體中含有防止機械損壞的潛在點燃措施用裝置。 i:本質(zhì)安全型在這種防護形式中,所有電路的設(shè)計均作到:符合設(shè)計規(guī)范而電氣地和機械地、或在規(guī)定的故障條件下所產(chǎn)生的任何火花或熱效應(yīng)均不能引起規(guī)定的爆炸混合物引燃。本質(zhì)安全防護分兩類:ia類具有規(guī)定電流和/或電壓安全系數(shù)的電氣設(shè)備不會在正常運行中,或由所施加的單個故障,或兩個故障并合產(chǎn)生引燃。ib類具有規(guī)定電流和/或電壓安全系數(shù)的電氣設(shè)備不會在正常運行中,或由所施加的單個故障產(chǎn)生引燃。 m:澆封型在這種防爆形式中,潛在的點燃源被灌封在阻燃的固體絕緣材料中。這種材料應(yīng)能在內(nèi)部故障條件下防止斷裂。 n:無火花電器正常運行中既不能產(chǎn)生以引燃的電弧或火花,也不能產(chǎn)生能引燃熱表面的電氣設(shè)備認(rèn)為是無火花電器。 o:充油型電氣設(shè)備或電氣設(shè)備部件浸入油中的一種防爆形式,這種浸漬方法使油上面或殼外的爆炸性氣體均不會引燃。 p:正壓型這種防爆形式分三類。如果通過保持外殼內(nèi)的空氣壓力大于外部環(huán)境壓力來防止爆炸性氣體進入電氣設(shè)備中,則應(yīng)用空氣正壓。如果通過保持外殼內(nèi)惰性氣體的壓力大于外部環(huán)境壓力來防止外部氣體進入電氣設(shè)備中,則應(yīng)用惰性氣體正壓。連續(xù)稀釋(人工通風(fēng))是用足量的保護氣體(通常為空氣)通入外殼,以驅(qū)散和稀釋因易燃物質(zhì)從內(nèi)部釋放而可能產(chǎn)生的可燃性氣體或蒸汽,從而防止爆炸。在爆炸危險場所,為了防止外部環(huán)境氣體進入外殼內(nèi),應(yīng)在外殼內(nèi)保持適量的過壓力。如果不能保持外殼內(nèi)保護氣體的供給,為了防止危險情況的發(fā)生,應(yīng)設(shè)置視覺裝置或音響裝置報警。一經(jīng)發(fā)生警報,應(yīng)立即采取正確的措施恢復(fù)保護氣體的供給,必要時,手動切斷電氣設(shè)備的電源。如果不能手動切斷電源,必須能夠自動切斷電源。 q:充沙型一種用細粒狀材料充填外殼的防爆形式,使預(yù)期使用狀態(tài)下電氣設(shè)備外殼內(nèi)產(chǎn)生的電弧不能引燃外部環(huán)境氣體,典型的充填材料是石英砂。 r:限制呼吸型一種防爆形式。引燃源封閉在密封的外殼內(nèi),在有限時間內(nèi)足以防止外部環(huán)境氣體大量滲入而在內(nèi)部產(chǎn)生爆炸性混合物,且外部元件不能產(chǎn)生爆炸。 s:特殊防爆形式這種防爆形式不能整個地歸入到上述防爆形式中任何一種形式中,一個電氣設(shè)備內(nèi)可綜合有幾種防爆形式。對于具有這種防爆形式的電氣設(shè)備,相關(guān)文件應(yīng)指出該專用的防爆形式對哪一種危險能適用。表1.1指出了特殊危險條件下提供合適安全級別的防爆形式。在這些合適的防爆形式中,大部分實際上沒有必要,或?qū)δ程厥馕ｋU過于良好,因此,對所有使用細節(jié)需要作進一步分析,以便對特殊危險場所所要求的防爆形式達到最佳選擇。 表1.1 現(xiàn)在的防爆形式 危險種類 防爆形式符號（注1） 內(nèi)部釋放 正常 非正常 無 無 無 是 是 注2 場所分類 2區(qū) 1區(qū) 0區(qū) 2區(qū) 1區(qū) 0區(qū) 2,1或0區(qū) d A A - 2 2 - - e A A - A A - - h A A - A A - - ia A A A A A A A ib A A - A A - - m A - - A A - - m A A - A - - - o A A - - - - - p - - - - - - - q A A - - - - - r A - - - - - - s A A A A A A A 根據(jù)危險條件中的通用考慮和上述防爆形式,有關(guān)選擇步驟總結(jié)如下: 第一步:研究場所分類圖,并盡可能地將電氣設(shè)備安裝在非爆炸危險場所,如開關(guān)間或控制室。 第二步:大多數(shù)剩余電氣設(shè)備應(yīng)盡可能安裝在2區(qū)危險場所。在這種情況下, 只要正常工作條件下不能引燃,應(yīng)首先考慮使用一般工業(yè)電氣設(shè)備。 第三步:在第二步不適用的地方,應(yīng)從表1.1選擇適當(dāng)?shù)姆辣问健１?.1給出的各種可能性中,對特定危險的情況應(yīng)優(yōu)先選擇,但不能滿足危險場所。 第四步:當(dāng)已選擇“隔爆外殼”和“本安型”時,要確定電氣設(shè)備的適當(dāng)溫度等級和適合的氣體組別。 第五步:由所選擇的防爆型式、適當(dāng)?shù)臏囟鹊燃壓?必要時)適當(dāng)?shù)臍怏w組別,確定電氣設(shè)備的工業(yè)有效性。如果失敗的話,選擇適宜于更危險的電氣設(shè)備。 第六步:存在幾種可能性時,應(yīng)比較設(shè)備成本和運行成本,作出最后選擇。 本課題研究開發(fā)的隔爆兼本質(zhì)安全型雙速真空電磁起動器采用的防爆型式為:隔爆兼本質(zhì)安全型。 1.3 礦用防爆電器產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展趨勢 1.3.1 礦用防爆電器產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新 礦用防爆電氣產(chǎn)品經(jīng)過這幾年的發(fā)展已經(jīng)取得了許多的進步，煤礦電氣自動化技術(shù)，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等自動化產(chǎn)品達到了一定的水平，機電一體化技術(shù)、電力電子調(diào)速技術(shù)在煤礦井下運輸機械、提升機械和采煤機械中開始得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)該說經(jīng)過多年發(fā)展，目前已形成較完整的防爆電工產(chǎn)品的制造體系，基本上滿足了煤礦井下當(dāng)前供配電、井下機械化，及控制、保護的發(fā)展需要。 近幾年來，礦用防爆電器產(chǎn)品在樣式、規(guī)格上得到許多擴充，如礦用防爆高低壓軟起動器、礦用防爆變頻調(diào)速裝置、礦用防爆高低壓組合開關(guān)等一批新技術(shù)產(chǎn)品，也開始在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。由于有持續(xù)、穩(wěn)定的需求，我國的礦用電器產(chǎn)品生產(chǎn)已形成了一個較大制造產(chǎn)業(yè)，同行競爭也日趨激烈。如何避開價格競爭、避開低水平重復(fù)生產(chǎn)，通過技術(shù)創(chuàng)新來發(fā)展企業(yè)，成為我們每個礦用電器產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)營者思考的問題。企業(yè)成功發(fā)展的路線在哪里，唯獨只有技術(shù)的創(chuàng)新，通過開發(fā)高技術(shù)、高附加值的礦用電器產(chǎn)品來贏得市場。同時從社會效益來講，也只有通過技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展采煤機械化、電氣化和自動化，才能促進建立真正意義上的本質(zhì)安全的現(xiàn)代化礦井。 技術(shù)創(chuàng)新，是衡量一個企業(yè)是否具有先進性，是否具備市場競爭力，是否能不斷領(lǐng)先于競爭者的重要指標(biāo)依據(jù)。隨著我國礦用電器市場的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)，必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點。了解國內(nèi)外礦用電器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動向、工藝裝備、技術(shù)應(yīng)用及趨勢等對于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場競爭力十分關(guān)鍵。雖然高低壓軟起動器、高低壓組合開關(guān)、變頻調(diào)速裝置等新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，但這些產(chǎn)品在發(fā)展上還是受到許多的制約，許多防爆電器產(chǎn)品核心的組件依然依賴國外技術(shù)。這些核心組件的生產(chǎn)水平與國外同類產(chǎn)品還是有很大的差距。技術(shù)創(chuàng)新由初始研發(fā)到走向成熟一般要經(jīng)歷三個階段：引入期、成長期和成熟期。在引入期時，技術(shù)發(fā)展很慢，往往要經(jīng)過相當(dāng)長的時間才能突破；例如，我們現(xiàn)階段的變頻調(diào)速裝置，約有50%的礦用防爆企業(yè)采用直接購買國外機芯組裝生產(chǎn)；40%的企業(yè)采用國內(nèi)技術(shù)加以吸收利用，只有約10%的企業(yè)能做到自主開發(fā)生產(chǎn)。同時針對變頻器的EMC性能的研究還是處于初級階段，但是這種階段給予我們挑戰(zhàn)，如何克服變頻器輸出諧波對電網(wǎng)供電、監(jiān)控設(shè)備的影響，成為許多企業(yè)攻克的目標(biāo)，井下電網(wǎng)諧波治理也將成為下階段發(fā)展目標(biāo)。當(dāng)技術(shù)創(chuàng)新在成長期時，技術(shù)發(fā)展很快，技術(shù)性能迅速改進；例如，現(xiàn)階段的變頻牽引采煤機，利用變頻恒功率調(diào)速和PLC集中控制的特性，在采煤機的應(yīng)用上日趨成熟，提高了采煤機的工作效率和可靠性，基本上取代了液壓牽引技術(shù)；又如液壓絞車集電、油、氣三能源為一體，操作繁雜、落后、噪音大、維護工作量也大，采用防爆變頻器技術(shù)后完全改變了生產(chǎn)工藝，得到煤炭企業(yè)用戶的認(rèn)可。當(dāng)技術(shù)創(chuàng)新進入成熟期時，技術(shù)相對穩(wěn)定，不再有大的變化，技術(shù)進步體現(xiàn)為局部改進。例如，現(xiàn)階段的高低壓組合開關(guān)已接近現(xiàn)有國外水平，PLC、DSP、現(xiàn)場總線等電子技術(shù)的應(yīng)用，對組合開關(guān)的 穩(wěn)定運行提供了技術(shù)支持，相關(guān)電纜引入裝置也基本達到了國產(chǎn)化，組合開關(guān)的單元式結(jié)構(gòu) 也取得了長足的進步。認(rèn)識到技術(shù)創(chuàng)新的三個發(fā)展過程，才能準(zhǔn)確定位我們產(chǎn)品的發(fā)展思路。 許多企業(yè)也認(rèn)識到技術(shù)創(chuàng)新的必要性，但又苦于找不到突破口，針對目前產(chǎn)品的狀況，企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新目標(biāo)在哪里呢？其實，以往的起動器、饋電開關(guān)、電控箱主要以分立元件電路進行保護，存在元件不穩(wěn)定、漂移較大的缺點，單片技術(shù)在保護器上的應(yīng)用，帶來了操作方便，性能穩(wěn)定的優(yōu)點；人機界面的配合應(yīng)用使操作更加清晰，故障記憶功能，為煤礦企業(yè)分析問題提供了依據(jù)。技術(shù)的創(chuàng)新也是專注于自身產(chǎn)品性能的不斷提高。如某企業(yè)生產(chǎn)的GM系列采煤機用隔離開關(guān)在市場占有率已達90%以上，性能的穩(wěn)定得到同行業(yè)的認(rèn)可；某企業(yè)的小型化隔爆兼本安型水位控制起動器也得到行業(yè)和煤炭企業(yè)用戶的認(rèn)可。許多企業(yè)的成功案例都值得學(xué)習(xí)和借鑒，我們應(yīng)該改變盲目跟風(fēng)的思想，在產(chǎn)品上一概求全，只考慮面的覆蓋，而忽視了對自身專長產(chǎn)品性能的提高。技術(shù)創(chuàng)新，擁有自主的知識產(chǎn)權(quán)，同樣也是礦用防爆企業(yè)發(fā)展的保障。 1.3.2 礦用防爆電器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢 把握產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，同樣就把握了市場，針對礦用產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，提出礦用防爆電器方面以下三點： 第一、電器的基礎(chǔ)性能研究 我國80年代初開始應(yīng)用真空管，目前礦用防爆型真空開關(guān)在井下已普及使用。真空管的運用為煤礦井下安全供電起了很大的作用，如礦用隔爆型真空電磁起動器產(chǎn)品，具有較強極限分?jǐn)嗄芰Γm合于礦井下電機頻繁起動，維護量少；礦用隔爆型真空饋電開關(guān)的全分?jǐn)鄷r間小，與快速漏電保護配合，提高了防觸電和防瓦斯爆炸的安全性。真空接觸器、真空斷路器的需求量非常的大，但目前市場上，真空管的質(zhì)量卻參差不齊，許多生產(chǎn)工藝還是停留在80年代初的基礎(chǔ)上，與國外的工藝比較起來還是有較大差距。在真空管的應(yīng)用上也是存在操作過電壓的影響，以及真空度的保證問題，真空度的下降，容易在井下產(chǎn)生漏電事故，影響生產(chǎn)，出現(xiàn)事故，一些企業(yè)也開始致力于真空管電器的研究，以及漏氣保護的研究，在漏氣保護、真空管粘連保護方式上已取得進展，這為今后的井下電器安全運行提供保證。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，利用功率電子器件取代真空管實現(xiàn)對電機的啟?？刂?，將是發(fā)展方向，在煤電鉆綜保的控制中已被使用，如可控硅的無觸點關(guān)斷控制，增加了使用壽命，安全可靠。大功率可控硅在起動器上的應(yīng)用也改變了傳統(tǒng)起動器的性能。功率電子器件運用給防爆電氣產(chǎn)品的性能和可靠性能賦予新的生命力的同時也給產(chǎn)品的防爆和安全技術(shù)要求帶來新的課題。 第二、低壓饋電開關(guān)的選擇性漏電研究 漏電保護是煤礦井下電器三大保護之一，其保護的可靠性影響到煤礦安全生產(chǎn)。目前的低壓饋電開關(guān)的選擇性漏電保護原理仍基于零序電壓、零序電流的保護方式；另外采用外加直流對供電網(wǎng)絡(luò)的絕緣情況進行連續(xù)監(jiān)視方式。由于供電網(wǎng)絡(luò)的加長及屏蔽電纜的應(yīng)用，以及變頻器等功率電子器件應(yīng)用等原因，使井下供電網(wǎng)路復(fù)雜，在選擇性漏電保護上存在許多雜散性，分布電容的不確定性，這些都對漏電保護提出了要求。利用先進的數(shù)字化采集技術(shù)，如何分析井下分布電容狀況，實現(xiàn)精準(zhǔn)的選擇性跳閘切斷故障支路而不影響其他工作支路，保證井下可靠安全供電也是急需研究的新課題。 第三、礦用交流變頻器產(chǎn)品的發(fā)展 由于科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，大功率電子電器在井下應(yīng)用發(fā)展速度很快，其中交流變頻調(diào)速裝置具有效率高、故障率低、控制性能好等優(yōu)點，能明顯改善生產(chǎn)工藝，越來越受煤礦生產(chǎn)行業(yè)的重視，礦用變頻調(diào)速裝置過去主要用于采煤機電牽引部件等100kW左右的調(diào)速，一般前級有專用變壓器來供電，對電網(wǎng)影響小。但隨著變頻器技術(shù)不斷成熟，從上世紀(jì)80年代電牽引采煤機成功運用開始，煤礦生產(chǎn)設(shè)備如通風(fēng)機、絞車、提升機、空壓機等機械設(shè)備上都開始采用變頻調(diào)速技術(shù)，不但改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，主要還體現(xiàn)在高效節(jié)能上。如礦井主扇。 1.4 起動裝置的防爆技術(shù)要求 隔爆開關(guān)按防爆型式分為礦用隔爆型“ExdI”和礦用隔爆兼本質(zhì)安全型“Exd［ib］I”。本文研究的隔爆開關(guān)為隔爆兼本質(zhì)安全型。型號按MT/T154.2-1996的規(guī)定，基本參數(shù)：額定電壓：660V、1140V；額定電流：符合GB/T762-2002的規(guī)定（除非產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)另有規(guī)定)；額定頻率：50HZ；電流過載倍數(shù)：≥4。 QJ起動器外殼應(yīng)具備耐爆性和隔爆型結(jié)構(gòu)隔爆外殼屬電氣設(shè)備的一種防爆型式，其外殼能夠承受通過外殼任何結(jié)合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，而且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點燃。隔爆外殼的防爆型式通常稱為隔爆型，用字母“d”表示。隔爆型電氣設(shè)備的要求之一是設(shè)備外殼必須具有耐爆性,實際就是外殼的強度問題。當(dāng)隔爆外殼內(nèi)部發(fā)生爆炸時,應(yīng)使其不發(fā)生變形和損壞,不致使爆炸火焰直接點燃礦井中的瓦斯混合物,從而達到耐爆要求,它是由外殼的材質(zhì)和機械結(jié)構(gòu)強度來保證。因此,外殼應(yīng)有足夠的堅固性,以及外殼在熱源的作用下,經(jīng)燒灼及過熱不會受到損傷。外殼的隔爆性,又稱不傳爆性,它是隔爆型電氣設(shè)備的一個重要因素。所謂隔爆性就是要求外殼各個部件的連接要符合一定的隔爆構(gòu)造參數(shù),而使其在下列情況下不能點燃周圍爆炸性介質(zhì):當(dāng)電氣過載或短路,引起殼內(nèi)的油或有機絕緣物分解生成的可燃性氣體爆炸,其火焰?zhèn)鞒鐾鈿r,由于隔爆構(gòu)造參數(shù)對弧光短路目前還無法達到隔爆要求,因此只能在電氣方面加強絕緣,保證質(zhì)量,或采用迷宮式結(jié)構(gòu)。如電纜用電子管式的保護方法來達到防爆目的或者嚴(yán)格控制瓦斯的濃度。這些都是外殼內(nèi)可能出現(xiàn)的最危險情況,如果把它限制在外殼內(nèi)部,不讓它波及到殼外,或者雖然沖出了火焰和灼熱的金屬顆粒,但已被冷卻,就能有效地防止周圍可燃性瓦斯的爆炸。所謂不傳爆性,就是甲烷空氣混合物在外殼內(nèi)部爆炸時,向外噴出的火焰,不會引起殼外可燃性氣體的爆炸。它是由外殼的結(jié)構(gòu),即通過外殼裝配接合面的寬度、間隙和表面加工光潔度來實現(xiàn)的。這種接合面可以是法蘭盤對口式,也可以是圓筒或活動式的裝配。起動器防爆外殼采用快開門結(jié)構(gòu)，其隔離開關(guān)與隔爆外殼之間裝設(shè)可靠的機械連鎖，保證只有當(dāng)隔離開關(guān)處于斷開位置時，主腔才能打開；當(dāng)主腔打開后，以正常的操作方法不能使隔離開關(guān)閉和。隔爆接合面指隔爆外殼不同部位相對應(yīng)的表面配合在一起（或外殼連接處)且火焰或燃燒生成物可能會由此從外殼內(nèi)部傳到外殼外部的部位。外殼接合面寬度又稱火焰通路長度指從隔爆外殼內(nèi)部通過接合面到隔爆外殼外部的最短通路長度。隔爆間隙指隔爆接合面相對應(yīng)表面之間的距離。隔爆開關(guān)隔爆接合面間隙，接合面寬度和表面粗糙度應(yīng)符合GB3836.2-2000第五章的要求,接合面表面平均粗糙度Ra不超過6.3um,無論是長期關(guān)閉或是經(jīng)常打開的外殼其所有接合面均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定要求,接合面表面應(yīng)進行防腐處理,但通常不允許使用漆或類似材料涂覆,除非已證明該材料和涂覆工藝不會影響隔爆性能。對于I類電氣設(shè)備，應(yīng)能直接或間接檢查經(jīng)常打開的門隔爆外殼應(yīng)能承受標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)部試驗壓力而不發(fā)生損壞或引起外殼結(jié)構(gòu)強度降低或接合面處間隙產(chǎn)生永久性增大使其超過表中規(guī)定間隙值的變形。根據(jù)規(guī)定，I類設(shè)備的外殼材質(zhì)應(yīng)符合附錄C中的補充規(guī)定，即采掘工作面用電氣設(shè)備的外殼須采用鋼板或鑄鋼制成。要求隔爆開關(guān)外殼能承受外殼耐壓試驗和內(nèi)部點燃的不傳爆試驗。外殼耐壓試驗的目的是證明外殼能否有效的承受內(nèi)部爆炸，外殼應(yīng)在帶有全套內(nèi)部裝置或在該位置上裝有等效作用的物體狀態(tài)下進行試驗，但是外殼若設(shè)計成在拆去內(nèi)部部分裝置后仍能使用時，則應(yīng)在檢驗單位認(rèn)為最嚴(yán)酷的條件下進行試驗，試驗時，若外殼未發(fā)生損壞，也未發(fā)生永久變形，則認(rèn)為試驗合格，在接合面的任何部位都不應(yīng)有永久性的增大。此外，隔爆外殼應(yīng)經(jīng)得起過壓試驗，包括靜壓和動壓試驗。靜壓試驗試驗壓力應(yīng)為參考壓力的1.5倍，但至少為0.35MPa。加壓時間應(yīng)為10s。對于容積大于10cm3而不經(jīng)受出廠試驗的外殼，試驗壓力應(yīng)為參考壓力的4倍。如果已知參考壓力，則進行動壓試驗時可使外殼承受的最大壓力為參考壓力的1.5倍。壓力上升速度不應(yīng)與測定參考壓力時的上升速度差別太大。特殊情況下可以通過預(yù)壓用于測定參考壓力的爆炸性混合物進行試驗。 內(nèi)部點燃的不傳爆試驗是將外殼放置在一個試驗罐內(nèi)，外殼內(nèi)和試驗罐內(nèi)應(yīng)充以相同的爆炸性混合物進行試驗。外殼內(nèi)的混合物應(yīng)采用一個高壓火花塞或其他低能點燃源來點燃。另外，若外殼內(nèi)裝有能點燃爆炸混合物的開關(guān)裝置時，可用該裝置來點燃。如果點燃沒有傳到試驗罐內(nèi)，則認(rèn)為試驗結(jié)果是合格的。I類使用的爆炸性混合物及其與空氣的體積比應(yīng)符合表中規(guī)定即甲烷58%氫24%。試驗次數(shù)至少5次。本裝置防爆性能試驗屬型式試驗項目，外殼靜壓試驗屬出廠檢驗項目。起動器外殼在精加工后應(yīng)進行壓力為1MPa的靜壓試驗，歷時10+20s，試驗以無結(jié)構(gòu)損壞或可能影響隔爆性能的永久變形為合格。 本質(zhì)安全電路指規(guī)定條件(包括正常工作和規(guī)定的故障條件)下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。隔爆開關(guān)的本質(zhì)安全電路設(shè)計與制造應(yīng)符合GB3836.4-2010規(guī)定,并通過GB3836.4-2010中10.4規(guī)定的火花點燃試驗。該裝置中本質(zhì)安全電路導(dǎo)線用蘭色絕緣導(dǎo)線或加蘭色導(dǎo)管，接線腔內(nèi)本安電路端子應(yīng)在附近加本質(zhì)安全標(biāo)志“i”；接線腔內(nèi)本安電路與非本安電路電氣間隙應(yīng)大于50mm。 本質(zhì)安全電路是防爆電氣設(shè)備中最安全的，因為即使在故障狀態(tài)下，它也不會引起爆炸，也就是從“本質(zhì)”上是安全的，故稱為本質(zhì)安全型(簡稱本安型)。全部電路均為本質(zhì)安全電路的電氣設(shè)備稱為本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，標(biāo)志符號為“i”。本質(zhì)安全型電氣設(shè)備按型式可分為單一式和復(fù)合式。單一式本安型電氣設(shè)備是指電氣設(shè)備的全部電路都是由本質(zhì)安全電路組成的，復(fù)合式本質(zhì)安全電氣設(shè)備是指電氣設(shè)備的部分電路是本質(zhì)安全電路，另一部分為非本質(zhì)安全電路，礦用隔爆兼本質(zhì)安全型軟啟動器輸入電路與動力電網(wǎng)關(guān)聯(lián)，不能設(shè)計成單一式本質(zhì)安全電路，只能是復(fù)合式本質(zhì)安全型，對非本質(zhì)安全部分須采用隔爆外殼、澆封等防爆措施。隔爆開關(guān)先導(dǎo)電路必須按照設(shè)計本安電路的基本原則與方法，更大范圍地把防爆電氣產(chǎn)品設(shè)計成本安型防爆電氣產(chǎn)品。 第二章 隔爆開關(guān)電路設(shè)計 2.1 隔爆開關(guān)的特點及主要性能 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙速真空電磁起動器適用于含有爆炸性危險的氣體和煤塵的礦井中，用于交流50HZ，電壓1140V，長期工作制、間斷工作制的三相交流雙速電機的起動、停止和在停止時進行換相之用，也可作遠距離的起動和遠距離的停止，具有過載、短路、斷相、漏電閉鎖等保護功能及故障顯示功能，能防止控制先導(dǎo)回路發(fā)生短路時的自動起動保護。 雙速起動器適用于下列工作條件 海拔高度不超過2000米 周圍介質(zhì)溫度不高于+40℃不低于-5 ℃ 周圍空氣相對濕度不大于95%（+25℃）； 安裝位置與垂直面傾斜不大于15°； 無強烈顛簸振動的場合 無足以腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體和蒸汽的場所 有防雨設(shè)備和防液體浸入的地方 雙速起動器型號表示方法如下： Q J Z 3 —— □ / □ S — 雙速 額定電壓 額定電流 設(shè)計序號 真空 隔爆兼本安型 起動器 控制方式：雙速起動器可進行遠方控制和就地控制低速起動、高速運行 控制先導(dǎo)回路為本質(zhì)安全型，其額定電壓為10V正常工作電流6毫安 保護功能 過載—反時限 短路—瞬動 斷相—延時10秒動作 欠壓保護—延時10秒動作 過壓保護—瞬時過壓：阻容吸收 顯示方式：中文液晶顯示 引入電纜裝置進線口、出線口各2個，引入電纜外徑φ32-φ66mm，控制線進出口四個，引入電纜外徑φ14.5—φ21mm。 本質(zhì)安全電路參數(shù)：本安變壓器輸入電壓：AC36V；熔斷器0.1A；本安電路輸出端最大開路電壓Uo：AC21V/DC11V；Io：AC68mA/DC21 mA。遠控電纜長度300m，分布電感：≤1mH/km；分布電容：≤0.1μF/km。 本安與非本安端子間距離應(yīng)大于50mm，本安端子旁設(shè)“ib”標(biāo)志，本安電路用導(dǎo)線應(yīng)使用蘭色， 并單獨布置。 保護應(yīng)雙重化，保護性元件應(yīng)經(jīng)老化篩選且在正常工作及故障狀態(tài)下的電壓、電流或功率不得超 過其額定值的2/3。 出廠檢驗時應(yīng)進行本安參數(shù)測量和工頻耐壓試驗,變壓器入廠時須進行例行試驗。 印制電路板厚度1.6mm，銅箔厚度不小于0.35mm，寬度不小于1mm，元件安裝調(diào)試完畢后，噴 涂兩遍三防漆。 本安變壓器例行試驗要求：(試驗期間漏泄電流≤5mA) 輸入有熔斷器保護，熔斷器額定電流為0.1A，變壓器采用0.075mm厚的銅箔作為屏蔽，并設(shè)置兩 根結(jié)構(gòu)上分開的接地導(dǎo)線,且每根均應(yīng)能承受1.7Ie流過,Ie為熔斷器額定電流，變壓器鐵芯應(yīng)接地。 兩個繞組并列在鐵芯的一個柱上，繞組之間加0.8mm的固體絕緣。 變壓器繞組應(yīng)用浸漬加以固定。 端子分開布置。 本安電路電氣間隙≥3mm，爬電距離≥3mm，涂層下爬電距離≥1mm。 漏電閉鎖檢測回路電壓≤DC18V,檢驗電流≤0.4mA。3.7 繼電器要求:繼電器的線圈連接到本質(zhì)安全電路時,正常工作時的觸頭應(yīng)不超過它的制造廠規(guī)定值,并且開閉不超過5A有效值或250V有效值或100VA，其本安線圈對非本安接點間應(yīng)小于1500V耐壓，歷時1min應(yīng)無擊穿與閃絡(luò)現(xiàn)象。 本安端子與接地間距離≥3mm,本安與非本安裸體間的電氣間隙，爬電距離≥3mm。 本標(biāo)準(zhǔn)通常選用的使用類別及代號按照下列要求： 電流使用類別典型用途舉例 AC AC-3 籠型異步電動機的起動、運轉(zhuǎn)中分段 AC AC-4 籠型感應(yīng)電動機的起動、反向轉(zhuǎn)動、點動 產(chǎn)品嚴(yán)格按照 MT111-1998《礦用防爆型低壓交流真空電磁起動器》、GB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》、GB3836.2-2010《爆炸性環(huán)境第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設(shè)備》、GB3836.3-2010《爆炸性環(huán)境第3部分：由增安型“e”保護的設(shè)備》；GB3836.4-2010《爆炸性環(huán)境第4部分：由安全型“i”保護的設(shè)備》生產(chǎn)。補充試驗方法:本安參數(shù)測量,用計量合格的儀表進行本安參數(shù)測量,其測量值不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Uo,Io值。本次電路部分的設(shè)計主要參考了GB3836.3-2010《爆炸性環(huán)境第3部分：由增安型“e”保護的設(shè)備》；GB3836.4-2010《爆炸性環(huán)境第4部分：由安全型“i”保護的設(shè)備》。 表2.1 電氣元件明細表 代號 名稱（文字符號） RD CKJ KB CJ PLC QYB AN BSB CH ZR GHK GF GF1 XS DY RJDQ 熔斷器（FU） 真空接觸器(KM) 控制變壓器(T) 空氣式接觸器(KM) 可編程控制器(PLC) 取樣板(-) 按鈕(SB) 閉鎖板(-) 電流互感器(TA) 阻容吸收(ZR) 隔離換相開關(guān)(QC) 接線柱(-) 接線柱(-) 中文顯示器(-) 開關(guān)電源(-) 熱繼電器(FR) 2.2 隔爆開關(guān)部分元件選型和主回路控制系統(tǒng)電路圖 2.2.1 隔爆開關(guān)主回路控制系統(tǒng)電路圖 圖2.1 隔爆開關(guān)主回路控制系統(tǒng)電路圖 2.2.2 隔爆開關(guān)接觸器選型 (1)接觸器的類型選擇： 根據(jù)接觸器所控制負(fù)載的輕重和負(fù)載電流的類型，來選擇交流接觸器或直流接觸器。 本文設(shè)定雙速電機的額定功率為80kw，主要運行于包括百分之九十AC-3和百分之十以上的AC-4的混合使用類別，負(fù)載電流為交流電，共三個接觸器，其中兩個為真空交流接觸器，一個為空氣式交流接觸器。 (2)額定電壓的選擇： 接觸器的額定電壓應(yīng)大于或等于負(fù)載電路的電壓。 (3)額定電流的選擇： 接觸器的額定電流應(yīng)大于或等于被控電路的額定電流。對于電動機負(fù)載可按下式計算： ………………………………（2.1） 式中------流過接觸器主觸點的電流（） ------電動機的額定功率（） ------電動機的額定電壓（） ------經(jīng)驗系數(shù)，一般取1-1.4。 選擇接觸器的額定電流應(yīng)大于等于。接觸器如果用在電動機頻繁起動、制動或正反轉(zhuǎn)的場合，一般將接觸器的額定電流降一個等級來使用。 由公式（2.1）得， (4)吸引線圈的額定電壓選擇: 吸引線圈的額定電壓應(yīng)與所接控制電路的額定電壓相一致。對簡單控制電路可直接選用交流電壓380V、220V，對復(fù)雜、使用電器較多者，應(yīng)選用更低的控制電壓110V。 綜上，兩個真空交流接觸器選擇CKJ5-125/1140,一個空氣式交流接觸器選CJ20-160/11。 尺寸分別為,，單位：mm 2.3 隔爆開關(guān)起動原理和保護 2.3.1 隔爆開關(guān)的起動原理 (1)供電：將隔離換相開關(guān)GHK置于正向或反向位置，控制變壓器KB供電，分別輸出220V、36V、24V、18V、12V、14V、9V供取樣板及PLC控制器電源電壓，為雙速起動器的起動做好準(zhǔn)備。 (2)參數(shù)整定 門蓋上的過流、漏電、復(fù)位按鈕同時也是參數(shù)整定按鈕，上電后由專業(yè)電工按所控電機的額定電流（或按實際工作電流）調(diào)整電流整定值，整定值應(yīng)稍大于工作電流值。 參數(shù)整定操作方法如下： 在分閘狀態(tài)下，同時按下過流、漏電按鈕進入?yún)?shù)整定界面。 按漏電按鈕，選擇需要整定的參數(shù)。 按復(fù)位按鈕，進入?yún)?shù)整定。 按漏電按鈕增加，按復(fù)位按鈕減少。 參數(shù)整定完成后，按過流按鈕確認(rèn)，界面自動返回。 (3)漏電閉鎖保護：雙速起動器起動前，保護器對網(wǎng)絡(luò)絕緣電阻進行檢測，若絕緣電阻小于規(guī)定值（1140V、40KΩ；660V、22KΩ）雙速起動器實施漏電閉鎖保護，不能起動，直到絕緣電阻恢復(fù)正常后，雙速起動器方可起動。 (4)起動過程，遠控：將取樣板上撥動開關(guān)置于“遠控”位置，按下遠控低速控制按鈕，KM1線圈得電，同時PLC給出合閘信號，切斷閉鎖檢測回路，KM1F輔助常開觸點閉合（自鎖），KM1主觸點閉合，電動機低速運轉(zhuǎn)。按下遠程高速控制按鈕，KM1線圈斷電；KM2線圈得電，KM2主觸點閉合；KM3線圈得電，KM3主觸點