气控无压风门(矿用气控风门)的结构及工作原理

通过对气控无压风门平衡机构的受力分析，得出两门板转矩与风压、转动的角度有很密切的关系,当风压大于(39.2Ab/SL)MPa 时，联接门扇和平衡杆的轴承将被拉断，因此要根据煤矿井下的实际风压选择强度合适的轴承及平衡机构，以保证气控无压风门的可靠使用，从而为现场实际应用提供理论依据。
矿用气控无压风门的平衡杆可以调节风门的开启和关闭， 是风门平衡机构中重要组成部分，其受力传动效果决定了风门运行的可靠程度，因此对平衡机构进行合理地研究与设计是非常重要的，本文基于文献[2]中气控无压风门结构及研究成果，就其平衡机构进行受力分析，并对联接门扇和平衡杆的轴承强度进行了强度校核。
1气控无压风门的结构及工作原理
（1）风门结构
气控无压风门主要由门框、左右门板、平衡机构、钢丝绳及气缸等组成。 其结构如图 1 所示。

图1 气控无压风门结构三维效果图 1.气缸 2.配重 3.钢丝绳 4.平衡杆 5.弯架

（2）工作原理
如图 1 所示， 气控无压风门采用煤矿井下高压气体作为气缸的动力源，由电磁阀控制气缸 1 推杆收缩，通过连接在推杆上的钢丝绳 3 来拉动平衡杆 4，从而带动直架和弯架 5，调控风门的开启。当推杆伸出时，钢丝绳呈现为松驰状态，此时钢丝绳对风门的牵制力为零， 风门则在配重坠陀 2 的作用下，回到关闭状态。
2 平衡机构受力分析
如图 2（a）所示，设弯架 CEF 距左门轴心距离 AF=a2， 伸出部分长 FE=b， 直架距右门轴心距离 BM=a1（设 a1>a2）。 若要保证平衡杆 CD 处于与门平AF′E′C′为原动杆，C′D′为连杆，D′M′B′为执行件，A 与 B 为固定端。线位置， 直架与弯架的伸出部分应相等，即MD=FE=b。
如图 2（b）所示，若要使得平衡杆 C′D′仍旧在与门平行的直线位置，弯架的弯曲部分长 C′E′=a1+a2。
这样，整个机构其实是一平行四连杆机构 AC′D′B′，将外推力作为作用于各个门板的内力考虑，作用点在门扇中心，则在打开过程中左门板受力矩
    Ml=Fcos αlb-Facos αl L    （1）
2 右门板受力矩
    My=Fcos αyb+Facos αy L    （2）
2
根据无压风门的工作原理，在风门开关过程中整个系统应处于平衡状态，总力矩为 0，即 Ml=My，即
Fcos αlb-Facos αl L ＝Fcos αyb+Facos αy L （3）
    2    2

图3 气控无压风门平衡机构分析图

气控无压风门的平衡机构受力情况如图 3 所示，图中的“′”上标表示末状态,由该图可知平衡杆两端点的运动位移为 CC′和 DD′。 假设 EF=MD＝b，平衡杆初始状态水平，门扇宽 L，门扇转动角为 α，由于钢丝绳与连杆捆绑在一起，因此对弯架施加力 f 的方向沿 CD 杆方向。

图3 气控无压风门平衡机构分析图
系统在水平方向所受外力为风压对风门产生的推力及门轴对门的支撑力， 推力对门有转动作用，而支撑力作用点在门轴上， 因此对门没有转动作用。
在理想状态下，左右门板开关速率、角度始终能够保持一致时，即αl=αy，根据式（3）可得
    Fa（cos αl＋cos αy） L ＝0    （4）
2
因此 Fa＝0，由此可见，在平衡杆的作用下，其外推力对门板的作用力为 0， 这正是无压风门的工作原理。
上述推导是在理想状态下的理论分析，而实际应用过程中的无压风门并不一定能够实现真正的无压。
以下情况：
（1）在不同风压作用下，左右门板转矩不同，会出现速度不同的开关动作，导致平衡杆两端受力不等而受到冲击。 风压越大，冲击越严重，势必会对平衡杆造成破坏。 如果平衡杆材料强度不够，在较大风压作用下，风门打开初期就会在平衡杆的两端点处出现破裂；
（2）风门不能及时打开，会与经过的矿车发生碰撞，造成事故；
产生漏风。 由于作用在门扇上的压力相当，在没有外力或门扇阻力较大的情况下，不易关闭或关不严密，给通风系统管理带来一定难度