射流泵用抽真空阀的研究.docx

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射流泵用抽真空阀的研究

太原理工大学

硕士学位论文

题目射流泵抽真空本安控制阀的研究

英文并列题目ResearchOnTheInjectorVacuum-Pumping

EssentialSecurityControl-Valve

研究生姓名：

王晓飞

学号：

S20060206

专业：

机械设计及理论

研究方向：

机电液一体化

导师姓名：

寇子明

职称：

教授

论文提交日期：

2009年4月20日学位授予单位：

太原理工大学

射流泵抽真空本安控制阀的研究

摘要

煤矿井下排水系统是煤矿安全生产的有力保障，随着科学技术的发展和煤矿安全要求的提高，传统的手动排水系统已经不能满足煤矿安全高效生产的要求，井下自动排水系统必将成为煤矿井下排水系统发展的必然趋势。

从传统的排水系统到自动排水系统的转换设计中，如何对排水系统各环节进行控制是井下自动排水系统运行的关键。

射流泵抽真空装置是井下排水系统的关键组成部分。

在现如今设计的一套自动排水系统中存在如下问题：

用传统的电磁阀对射流泵抽真空装置控制时，无法实现对水泵泵腔抽真空，排水系统也就无法运行；另外，在市场上找不到合适的射流泵抽真空用的控制阀。

针对自动排水系统设计中存在问题，本课题提出了对抽真空本安控制阀进行设计研究并从理论和实验两方面研究射流泵抽真空装置。

抽真空本安控制阀的设计主要从三部分着手进行，首先，通过理论分析抽真空装置控制中存在的问题，总结出影响射流泵抽真空的主要因素，为抽真空控制阀的阀体的选型提供了有力依据；其次，根据控制阀开启时间和开启转矩等条件对执行机构传动系统进行详细设计，并对主要结构件（齿轮、蜗轮蜗杆、轴）作了强度校核；最后，根据本安型电路的设计要求和煤矿安全规程对抽真空控制阀的控制电路进行了设计,并运用Protel软件对控制电路的电路板进行了设计。

抽真空本安控制阀的各部分设计制作完成后，对整个抽真空本安控制阀进行组装，并通过实验检测设计的控制阀的相关特性参数，实验证明所有参数都符合现场使用条件。

射流泵抽真空的理论研究主要是运用流体仿真软件Fluent对射流泵抽真空装置的模型进行仿真，并对仿真结果进行分析。

通过对射流泵抽真空装置仿真结果中各关键部位的压力和速度云图等的比较，分析射流泵抽真空系统控制阀节流口处和射流泵喷嘴处的压力和速度变化情况，并总结得出影响射流泵抽真空的主要因素。

为检验设计的抽真空本安控制阀的现场使用情况和理论研究得出的结论，将设计的控制阀做现场（煤矿井下）试验，并使用不同通径的控制阀做抽真空试验比较。

系统运行正常，控制阀也能达到预期的设计效果；通过比较系统运行时不同通径下泵腔真空度的变化曲线，分析得出影响射流泵抽真空的主要因素，也验证理论仿真研究结果。

关键词：

抽真空，本安控制阀，自动排水，电路设计，流场仿真

RESEARCHONTHEINJECTORVACUUM-PUMPINGESSENTIALSECURITYCONTROL-VALVE

ABSTRACT

Thecoalminedrainagesystemisthepowerfulsafeguardofcoalminesafetyproduction.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheenhancementofcoalminesafetyrequest,thetraditionalmanualdrainagesystemhasalreadynotsatisfiedtherequestofthecoalminesafetyhighlyeffectiveproduction,themineautomaticdrainagesystemwillcertainlytobecomethecoalminedrainagesystemdevelopmenttheinevitabletrend.Fromthetraditionaldrainagesystemtotheautomaticdrainagesystem'stransformationdesign,howtocarryoncontrollingdrainagesystemvariouslinksisthekeyofmineautomaticdrainagesystemrunning.

Theinjectorvacuum-pumpingdeviceisthekeyconstituentofminedrainagesystem.Nowadays,asetofautomaticdrainagesystembeingdesignedhasthefollowingproblem:

Pullsoutwhenusingthetraditionalsolenoidvalvetocontrolthevacuum-pumpingdevice,itisunabletoachievethegoalofpumpingvacuum,itwillcausethedrainagesystemtobeunabletomove;Besides,theappropriatecontrol-valveusedforcontrollingtheinjectorvacuum-pumpingdevicecouldnotbefoundinthemarket.Inviewoftheproblemexistingintheautomaticdrainagesystem,thistopicproposeddesigningthevacuum-pumpingcontrolvalveanddoingresearchoninjectorvacuum-pumpingdevicefromthetheorytoexperiment.

Designingthevacuum-pumpingcontrol-valvemainlytakethreesteps.Firstly,summarizingtheprimaryfactorswhichinfluencepumpingvacuumwithinjectorthroughtheoreticallyanalyzingtheproblemexistingintheinjectorvacuum-pumpingdevice,inordertoprovidethepowerfulbasisfordesigningthevacuum-pumpingcontrol-valve;Secondly,accordingtocontrol-valveconditionsonopeningtimeandopeningtorque,thetopiccarriedonthedetaileddesigntotheimplementingagencytransmissionsystem,andmadetheintensityexaminationonthemainstructuralelement（gear,wormandgear,axis）;Finally,accordingtoessentialsecuritycircuit'sdesignrequirementsandthecoalminesafetyregulations,itcarriedondesigningcontrolcircuitofthevacuumpumpingcontrol-valve,andcarriedondesigningthePCBofcontrol-valvewithProtel2004software.Afterthedesignandmanufactureofthecontrol-valvebeingcompleted,assemblethemandexaminecontrol-valve'srelatedcharacteristicparametersthroughtheexperiment,theresultoftheexperimentprovedthatallparametersmeetsthefieldworkingconditions.

Thefundamentalresearchoftheinjectorvacuum-pumpingdeviceismainlycarryingonthesimulationonthemodelofinjectorvacuum-pumpingdevicewithfluidsimulationsoftwareFluent,andcarriesontheanalysistothesimulationresult.Throughcomparingthepressureandthespeedcontourofvariousessentialspot,andanalyzingthepressureandthespeedchangesituationofinjectorvacuum-pumpingdevice’sthrottleandtheinjectorspurts,thetopicsummarizestheprimaryfactorinfluencinginjectorpumpingvacuum.

Inordertoexaminethefieldworkingsituationofvacuum-pumpingcontrol-valveandthefundamentalresearchconclusion,designedcontrol-valvewastakentothescene（coalmine）todoexperiment,meantimeusingdifferentcontrol-valvewhichhasdifferentdiametertodovacuum-pumpingexperiment.Theresultisthesystemsoperationisnormalandthecontrol-valvecanalsoachievetheanticipateddesigneffect.Throughcomparingdifferentcurveobtainedfrominjectorvacuum-pumpingexperiment,thetopicobtainedtheprimaryfactorinfluencinginjectorpumpingvacuum,andconfirmsthetheorysimulationresult.

Keywords:

vacuum-pumping,essentialsecuritycontrol-valve,automaticdrainagesystem,circuitdesign,fluidsimulation

第一章绪论

煤炭行业是我国的支柱产业，井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务，对保证矿井正常生产起着重要的作用。

随着煤炭行业高产高效的发展，井下排水问题更成为制约煤炭生产的关键因素。

目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，泵站的起停操作和判断包括射流泵（或真空泵），真空表示数的观测，水泵机组的启动，水泵出口压力表示数的观测，闸阀的开关过程，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程，自动化程度低，应急能力差，存在很大的安全隐患。

为了改善煤矿原有的井下排水系统，现正在开发一种新型矿井自动化排水系统，与传统的排水系统相似，主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成，但增加采用液位传感仪、总流量传感仪、用于自动引水的电动调节阀、与可控闸阀相配套的液压站、装有PLC的电控装置，并采用PLC控制与PC监视相结合的方式，提高煤矿的应急能力，很大程度地降低了煤矿存在的安全隐患。

在这种新型自动化排水系统中，启动水泵进行排水前必须用射流泵对水泵泵腔进行抽真空操作，从而使水泵泵腔充满水，因此对射流泵抽真空动作的控制是一重要环节。

对于射流泵抽真空的控制，设计思路是通过一电动调节阀来控制为射流泵提供高压水源管路的通断，也就是在射流泵入口前的管路上安装一电动调节阀，这样，阀开启时，有高压水源通过射流泵的入口，射流泵就开始抽真空；阀关闭时，高压水源被切断，无高压水进入射流泵，抽真空动作被停止。

在该排水系统试验中，曾试图用电磁阀控制射流泵的抽真空动作，但射流泵抽了很长时间，水泵泵腔仍无法充满水，射流泵无法完成抽真空动作，另外市场也没有合适的电动调节阀用于井下排水系统中。

所以本课题提出对该抽真空控制阀进行研究，并对射流泵抽真空系统进行理论和实验研究。

1.1井下排水系统中射流泵抽真空装置的介绍

1.1.1井下排水系统介绍

井下排水装置一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵[1]。

离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成，如图1-1所示。

1、滤水器和底阀

滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5m。

其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。

在滤水器内装有舌型底阀，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。

但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。

2、闸阀

调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。

其功用为：

调节水泵的流量和扬程、起动时将它完全关闭，以降低起动电流。

调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。

其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。

放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。

3、逆止阀

逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转（如突然停电）时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。

4、射流泵（或真空泵）

现在为了提高水泵的效率，排水系统中大都使用无底阀水泵。

离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵壳內注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。

在无底阀排水系统中，水泵每次起动都要向水泵和吸水管中灌引水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。

它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证系统正常工作[2]。

5、压力表和真空表

压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。

压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1个大气压。

真空表安装在水泵的吸水接管上，为检侧吸水管的真空度用。

真空表的测量范围为0~0.1MPa（一个大气压）[1]。

图1-1井下排水系统示意图

Fig.1-1Layoutofthedrainagesysteminmine

1.1.2射流泵抽真空在井下排水系统中的作用

射流泵抽真空是排水系统运行的前提条件，在离心式水泵启动前,必须利用射流泵抽真空系统对水泵泵腔内进行抽真空，当泵腔内达到一定的真空度并且吸水管和泵壳內注满水时水泵才能正常启动，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命[2]。

如图1-1所示，射流泵的进水管与煤矿使用的静压水连接，抽吸管与水泵泵腔连接，排水管直接通向井下蓄水井，在射流泵的入口之前安装一电动调节阀，用于控制射流泵的抽真空动作。

当系统发出开启水泵信号后，电动调节阀被开启，射流泵开始抽真空，当真空表达到设定真空度时（此时水泵泵腔已充满水），电动调节阀被关闭，抽真空动作结束，水泵开始启动。

1.2国内外发展状况

1.2.1发展历程

射流泵抽真空本安控制阀的主要作用是通过调节阀门的开关来控制射流泵抽真空的启停，属于调节阀类型。

调节阀从问世以来，经历了数代产品的更替，最早的调节阀是1880年由费希尔（WilliamFisher）制造的泵调节器，一种带重锤的自力式控制阀[3]。

随着工业的发展。

人们对流体流量的控制越来越重视，阀门工业得到很大的发展，其发展历程如下：

20世纪20年代：

原始的稳定压力用的调节阀问世。

30年代：

V型缺口（Y-notch）的单座阀（sing-plot）和双座阀（double-ported）调节阀（globevalve）产品问世，一直沿用到现在。

40年代：

随着阀门定位器的诞生。

调节阀新产品进一步发展，出现了适用于高压介质的角型调节阀（barrierdiaphragmvalve）等产品。

50年代：

普通球阀得到较大的推广使用，三通调节阀代替两台单座两通调节阀并投入使用。

60年代：

国内对上述产品进行系列化的改进设计，并形成完整的标准化和规范系列化产品。

现阶段我们还在大量使用的单座阀、双座阀、角型调节阀、三通阀、隔膜阀、普通蝶阀、普通球阀七类产品仍然是六十年代的水平和技术，而国外开始推出了新型结构的调节阀—套筒阀（cagevalve）。

70年代：

套筒控制阀被广泛应用于工业生产过程的控制，研制的偏心旋转阀（eccentricplugvalve）成为角行程控制阀的佼佼者。

偏心旋转阀具有良好的密封性、大的流通能力，可应用于较大压差场合。

70年代末国内联合研发了套筒技术并有了自己的国产套筒阀系列产品。

80年代：

各种精小型控制阀诞生，它对控制阀执行机构进行的改革使控制阀的重量和高度降低，流通能力提高。

国内成功引进了石化装置中的调节阀技术，使套筒阀、偏心旋转阀得到了推广普及。

尤其是套筒阀大有取代单、双座阀之势，使用越来越广。

90年代：

随着计算机控制装置的广泛应用，对调节阀的要求也越来越强烈，相继诞生各种智能电气阀门定位器和带智能阀门定位器的现场总线控制阀。

我国的控制阀工业也在引进和消化国外的先进技术后开始飞速发展。

如国内以华林公司为代表推出了新结构产品—全功能超轻型阀，它突出特点是在可靠性、功能和重量上有所突破。

这是一种唯一具备全功能的调节阀产品，在重量上比主导产品（单座阀、双座阀、套筒阀）轻70~80%。

比精小型调节阀还轻40~50%；并解决了传统阀单一系列可靠性不高的问题（如密封可靠性、定位可靠性、动作可靠性）。

该产品的问世使中国的调节阀技术和应用水平达到了90年代末的国际先进水平。

21世纪初，现场总线控制阀得到应用，随着控制功能的下移，对控制阀的要求也越来越高。

1.2.2国内发展状况

我国的自动化仪表与国外的差距较大。

国内仪表行业的主要执行机构产品是DZ-I，DZ-I和DZ-S型，产品大量采用分立元件，只能接受输入模拟信号，伺服电机的制动器使用寿命短，可靠性低，使用维修困难。

虽然国内各主要生产厂家投入人力对电动执行机构进行了一些改进和开发，但总是不尽理想八十年代以来，行业中的几个骨干企业相继引进国外技术，如法国Ban3Td，德国SIEMENS、日本工装、英国ROTORK以及AB公司RS/RHA等电动执行机构。

通过引进技术、消化吸收，这些产品己成为国内系统配套的全要产品。

但是，这些产品都属于模拟仪表，不具有智能功能，只是在组合化多功能化和集成化方面有所进步。

近年来，我国电动阀门研制行业坚持技术进步，加快新产品开发，涌现出一批各具特色的高新技术产品。

如北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀（拥有专利）、宁波华液公司的电液比例压力流量阀（己申请专利），均为机电一体化的高新技术产品，并已投入批量生产，取得了较好的经济效益。

目前国内研制的新型智能电动执行器的主要特点是:

主要技术指标正在向国际90年代初水平看齐，工作死区小于0.8级，回差和基本误差都小于I级。

使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能[4]。

1.2.3国外发展状况

随着国外现代化大工业的迅速发展，阀门工业的生产发展也很迅速。

大约在上世纪50年代以前，不少国家就形成了独立的阀门专业及其行业体系，有了阀门行业组织或阀门专业学术组织。

例如:

两欧、美国、英国等就有阀门行业协会:

日本有阀门工业会和阀门研究会:

前苏联有阀门的设计研究院所。

这些阀门行业和专业组织，都是为了提高生产技术和对外竞争的需要而组建起来的。

阀门生产制造企业数量最多的是日本，职工人数最多的是美国。

日本阀门行业职工只有美国的二分之一，而企业总数将近美国的两倍。

与美国相比，日本阀门行业中小型居多数，较大的企业约有250家。

国际阀门贸易市场在最近几年中十分活跃，竞争也相当激烈。

势力较强的是德国和美国。

德国是世界最大的阀门出口国。

1985年意人利阀门贸易额超过美国，位居第二。

2004年工业发达国家的阀门总进出口额所占比重分别为:

德国22.2，意大利16.5%，美国10.9%，日本10.7%，法国9.7%。

2005年世界前八名阀门进出口贸易额的排名如下:

德国2739.8百万德国马可，意大利2工27.5百万德国马可，美国1833.1百万德国马克，日本1683.5百万德国马克，法国1545.7百万德国马克，英国1376.7百万德国马克.东亚和东南亚的阀门进出口增长迅速，北美的欧共体等发达国家间的市场贸易持续发展，德国、意大利、日本、中国等国家和地区的出口扩大，美国、英国、法国等国家进口的高速增长，形成了国际阀门市场繁荣的支撑点，再者，由于世界经济进一步国际化，跨国公司将不断推动国际阀门市场的发展，国际贸易地区化是毕成为另一大特点[5]。

1.3选题的目的和意义

1.3.1射流泵抽真空装置存在的问题

在整个自动排水系统的设计和试验过程中，射流泵抽真空装置一直存在以下两个问题：

1、试验中运用电磁阀控制时，射流泵长时间无法完成抽真空动作，也不知道其中的缘由，因此需要研究“运用电磁阀控制为什么不能实现抽真空？

”“影响射流泵抽真空的主要因素是什么？

”

2、设计中未找到合适的用于控制射流泵抽真空的阀，因此需要设计合适的射流泵抽真空本安控制阀，包括执行部分的设计，控制电路的设计，阀体的设计等。

1.3.2选题的目的和意义

煤矿井下自动排水装置是煤矿安全生产的组成部分，担负着井下积水排除的重要任务。

如果不能及时地将井下积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。

射流泵抽真空系统又是煤矿井下自动排水系统的重要组成部分，影响整个排水系统的运行，因此对于射流泵抽真空系统的研究至关重要。

第一、射流泵抽真空本安控制阀的成功设计可以保证抽真空系统实现自动控制，从而保证了矿