步进电机在跳汰机数控风阀设计开发中的应用
四川省威远银星实业有限公司技术部
【摘 要】四川省威远银星实业有限公司成功开发出跳汰机用步进电机驱动数控蝶阀的新型结构，并申请实用新型专利（专利号：201020619915.8）。该结构的新型风阀具有高效、可靠、节能、环保的特点，对洗选煤企业跳汰机的技术改造升级具有应用价值。
1.概述
风阀是跳汰机的核心关键部件之一，随着数控技术在选煤行业的广泛应用，国内外所使用的数控跳汰机，普遍采用数控电磁风阀作为其风阀的执行系统。多年的应用表明，数控电磁风阀具有反应迅速、可控性高、便于调整和操作等优点，得到了广泛的应用。但是，目前国内研发的数控风阀，基本上都是采用独立的高压空气做动力源，在电磁阀的控制下驱动风阀的开闭过程，造成周期性的进气和排气，周期性从而实现跳汰分选过程。在实际生产应用中，由于高压风系统和电磁阀存在着自身难以克服的缺陷，导致跳汰机整机功率偏高，生产的稳定性及可靠性较差，故障率和运行成本较高，从而严重阻碍了跳汰分选技术的发展，因此，必须对传统风阀结构不断地加以改进和优化设计。
步进电机是一种将数字脉冲量转换为旋转或直线增量的特殊电机,具有快速起停，精确步进,直接接受数字量的优点。近年来,随着步进电机细分驱动技术的出现，显著的减少了步进电机的步距角，提高了进给分辨率，增加了电机运行平稳性。步进电动机因为其简单可靠的特性而广泛应用于工业设备控制。
因此，改变传统数控电磁风阀利用高压空气做动力源的驱动方式，直接利用步进电机驱动风阀开闭过程的新型数控风阀替代传统的数控电磁风阀也就成为了必然趋势。下面，就以四川省威远银星实业有限公司开发的跳汰机数控蝶阀为例，对用步进电机驱动的新型风阀与用气动驱动的传统电磁风阀从其工作机理以及现场应用情况做一详细的技术比较，同时提出步进电机驱动数控蝶阀的新型结构。
2、技术比较
图1 数控电磁蝶阀结构示意图
1-高压风管（空压机供风） 2-气源三联体 3-电磁阀 4-气缸 5-进气蝶阀 6-排气蝶阀 7-排气风箱（与大气相通） 8-低压进气风箱 9-手动蝶阀 10-空气室
2.1 主要结构比较
由图1可以看出，传统数控电磁风阀要正常工作，其高压风需要经过气源三联体，将高压风滤清、调压、油雾后送入气缸，驱动气缸活塞上下运动，再通过曲柄带动蝶阀的开启和闭合。其风阀系统主要包含：空压机、高压风管线、气源三联体、电磁阀、气缸和蝶阀；而步进电机驱动的新型风阀，直接利用步进电机的转动来驱动蝶阀的开闭过程，其系统仅包含：步进电机和蝶阀（见图2）。因此传统数控电磁风阀所包含的元器件和管线相对较多。根据现代机电一体化产品设计要求：中间执行环节要尽可能少。我们不难看出传统数控电磁风阀中间执行环节远远多于步进电机驱动的新型风阀，中间环节过多将造成设备能量传递效率降低，元器件维修工作量大，系统工作的可靠性降低，故障率较高。
图2 步进电机驱动新型蝶阀结构示意图
1-步进电机 2-联轴器 3主轴 4-蝶片阀芯 5-阀体
2.2 能耗比较
传统数控电磁风阀主要能耗为空压机产生高压气体时所消耗的电能，步进电机驱动的新型风阀主要能耗为步进电机所消耗的电能。以选煤厂常用的三段跳汰机为例，其所需空压机功率为18.5KW，要支持电磁风阀正常运转，其单位小时能耗为18.5kw•h ；而利用步进电机驱动风阀正常工作，6台步进电机的单位小时总能耗约为1.2 kw•h ，因此，利用步进电机驱动的风阀要比传统数控电磁风阀节能17.3 kw•h ,节能93%以上，按选煤厂一天工作8小时，一年300天工作计算，步进电机驱动的新型风阀每年要比传统数控电磁风阀节能：17.3×8×300=41520 kw•h。
当然，对于不同的型号的跳汰机以上能耗指标有所差异，但可以肯定，利用步进电机驱动的风阀与传统数控电磁风阀相比较，其节能降耗效果是非常显著的。
2.3 工作稳定性比较
气源三联体是由过滤器，调压阀，油雾器三个元件组成，故也叫三联件。气动元件稳定工作主要起决于①空压机产生高压气体的气压稳定性；②高压气体的洁净程度；③高压气体的油润程度；④工作环境温度。而在我国选煤生产现场，高压气源一般采用活塞式空压机，其气压稳定性很难长时间保证稳定。选煤厂现场的空气环境也不能保证完全洁净，压缩空气中难免含有大量有害物质，这对气动元件尤其对电磁阀是一个致命的损害，往往在不到一个月时间，就会出现故障。表现为：气源三联体中滤芯不通，减压阀不起作，油雾器吸油管或油路堵塞不滴油，或电磁阀不动、线圈烧坏等电气故障。而步进电机驱动的新型风阀采用的是步进电机，该电机大量用于设备的控制系统中，是一种全封闭电机，除受④工作环境温度影响外，基本不受外界任何环境因素的影响，而其工作环境的温度影响可采取配备风扇散热来控制，因此其工业性试验目前获得了不间断工作三个月无故障的优良记录。
2.4 工作性能比较
图3 一个跳汰周期示意图
根据跳汰机工作的基本理论，一个跳汰周期包括进气期、膨胀期、排气期、休止期4个阶段。从图3中可以看出，其进气期和排气期都需要一个开始时间（阀门从关闭到打开到最大面积的时间）和一个结束时间（阀门从最大打开面积关闭到面积为0的时间）。而该时间越短，风阀的实际工作效果才能越接近理论研究的理想状态效果。
传统数控电磁风阀阀门行程距离一般在10cm左右，理论中要求阀门的全开全闭时间大部分被浪费在阀门从全开到全闭或则从全闭到全开的行程时间上，直接造成跳汰机托举床层的爆发力不强，影响分选的可控性和效果。
新型步进电机驱动风阀阀门直接与步进电机轴连接，其风阀开闭速度可通过在线调整电机转速来实现，阀门从全开到全闭或从全闭到全开的行程时间大大缩短，工业性试验数据显示，新型步进电机驱动风阀的开闭行程时间平均不到传统数控电磁风阀的1/3，因此，新型步进电机驱动风阀跳汰机比传统数控电磁风阀跳汰机托举床层的爆发力更强，分选的可控性以及效果更加优良。
2.5 环保比较
传统数控电磁风阀主要采用气动元件，其高压气源必须采用空压机，而空压机工作产生的噪音是选煤厂噪音产生的主要来源之一，其产生的噪音一般不低于90分贝，远远超过了国家对工厂车间内部噪音的限制上限。新型步进电机驱动风阀是靠步进电机驱动，经过工业性试验显示，单台步进电机工作所产生噪音不超过40分贝，优于国家对工业生产车间所规定的噪音限制。
传统数控电磁风阀所需要的高压气源为压缩空气，一般要经过油润，含有润滑油气分子，大量油润压缩空气在工作过程中被直接排出气缸，对工厂环境也造成了直接的污染破坏；新型步进电机驱动风阀的动力源为电能，不会产生任何污染环境的有害物质。
3 结语
综上所述，新型步进电机驱动风阀是洗选煤企业追求设备高效、可靠、节能、环保要求下的必然产物，它可应用于洗选煤企业跳汰机的技术改造升级，最终转化为先进的生产力，并且具有节能降耗和环保降噪的社会影响力。
