咸士玉，張曉升，王永崗，王武魁，李 凱

(長(zhǎng)治清華機(jī)械廠， 山西 長(zhǎng)治市 046012)

礦用救生艙(以下簡(jiǎn)稱救生艙)是煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”中緊急避險(xiǎn)設(shè)施的重要裝備，是國(guó)家安監(jiān)總局、煤礦安監(jiān)局要求各煤礦必須配備的安全裝備。救生艙能夠?yàn)榈V難發(fā)生后被困的幸存人員提供躲避爆炸沖擊、有毒有害氣體及其它傷害的避險(xiǎn)空間。這對(duì)于保障礦工生命安全，將礦難造成的損失降到最低，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[1-3]。

救生艙艙體作為避險(xiǎn)人員的第一道防護(hù)屏障，是救生艙最主要的組成部分。礦難發(fā)生時(shí)，瓦斯爆炸、煤塵爆炸會(huì)對(duì)艙體產(chǎn)生很大的爆炸沖擊力；同時(shí)，可能伴有頂部坍塌等現(xiàn)象。因此，要保證救生艙應(yīng)有的防護(hù)功能，艙體必須具備抗沖擊、抗壓、高強(qiáng)度及高剛度等性能[4-6]。

1 救生艙艙體結(jié)構(gòu)方案的提出

1.1 救生艙艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

由于我國(guó)煤礦井下巷道尺寸普遍比較狹小，為了降低救生艙井下運(yùn)輸與安裝的難度，提出了模塊化分段式的設(shè)計(jì)理念。因此，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，為了節(jié)約時(shí)間成本，首先對(duì)各方案的單個(gè)艙段進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算分析與比較，確定最佳方案，最后對(duì)最佳方案的整艙進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算。

救生艙艙體設(shè)計(jì)可承受壓力為0.5 MPa，假設(shè)均勻作用于救生艙艙體的外表面上；根據(jù)救生艙所處的實(shí)際工作環(huán)境以及艙內(nèi)生存空間的基本設(shè)計(jì)要求，提出模塊化艙段的方案和結(jié)構(gòu)形式。綜合考慮焊接性能和強(qiáng)度要求，艙體結(jié)構(gòu)件材料選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q345A。

1.2 模塊化艙段的結(jié)構(gòu)方案

方案一：采用90 mm×40 mm×5 mm的矩形管+局部加強(qiáng)筋(δ10鋼板)焊接成骨架+蒙皮(δ6鋼板)，單個(gè)艙段外形尺寸為1000 mm×1500 mm×1800 mm，重量為0.85 t(見圖1)。

圖1 方案一艙段模型

方案二：主梁(δ12鋼板折彎件)+加強(qiáng)筋(40×40方鋼)焊接成骨架+端面法蘭(δ30鋼板)+蒙皮(δ6鋼板)，單個(gè)艙段外形尺寸為1000 mm×1500 mm×1800 mm，重量為0.86 t。

圖2 方案二艙段模型

方案三：艙段采用厚度為6 mm的鋼板冷沖壓成瓦楞板作為艙體的面板，與端面法蘭(δ30鋼板)、中間法蘭(δ40鋼板)焊接而成，單個(gè)艙段外形尺寸為1000 mm×1500 mm×1800 mm，重量為0.81 t。

圖3 方案三艙段模型

2 有限元仿真計(jì)算與分析

2.1 不同模塊化艙段方案分析與比較

本文通過Pro/E軟件分別建立3個(gè)方案的實(shí)體模型，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析仿真軟件ANSYS Workbench中，進(jìn)行仿真計(jì)算分析[7]。其中，網(wǎng)格劃分采用程序默認(rèn)的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在艙體底部加載固定約束，兩端面加載無摩擦支撐約束，側(cè)面及頂部施加0.5 MPa的載荷，進(jìn)行應(yīng)力及變形計(jì)算。表1為3種模塊化方案計(jì)算分析數(shù)據(jù)輸出，圖4～圖6為3種模塊化方案應(yīng)力和變形分布云圖。

表1 三種模塊化方案計(jì)算數(shù)據(jù)輸出

圖4 方案一應(yīng)力和變形分布云圖

圖5 方案二應(yīng)力和變形分布云圖

圖6 方案三應(yīng)力和變形分布云圖

通過計(jì)算結(jié)果的比較，方案二的最大應(yīng)力已超過了Q345的屈服強(qiáng)度，該結(jié)構(gòu)在同等條件下不能滿足基本的抗壓要求；方案一和方案三在同等條件下具有良好的抗壓效果，且艙體變形較小，但方案一相對(duì)于方案三局部加強(qiáng)筋較多，焊接量大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，且各艙段焊后外形尺寸很難保證一致，實(shí)施比較困難。方案三冷沖壓瓦楞面板自然形成的加強(qiáng)作用，具有很高的強(qiáng)度，不必焊接局部加強(qiáng)筋，焊接量相對(duì)較小。因此，方案三為模塊化艙段的最佳方案。

2.2 最佳方案整艙模擬計(jì)算

以KJYF-96/8救生艙(8人艙)為例進(jìn)行整艙模擬計(jì)算，該型號(hào)產(chǎn)品主要由10個(gè)艙段組成，前后封頭板厚度為30 mm，前后門板厚度為25 mm。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在艙體底部加載固定約束，其余面施加0.5 MPa載荷，進(jìn)行應(yīng)力及變形模擬計(jì)算，圖7為最佳方案整艙應(yīng)力分布云圖，圖8為最佳方案整艙總變形位移圖。

圖7 最佳方案整艙應(yīng)力分布云圖

從整艙模擬計(jì)算應(yīng)力分布圖來看，整艙最大應(yīng)力為342.42 MPa，低于艙體所選材質(zhì)Q345的屈服強(qiáng)度；從整艙總變形位移圖來看，最大變形為5.02 mm，變形較小。因此，救生艙防爆抗沖擊艙體結(jié)構(gòu)采用獨(dú)特的冷沖壓瓦楞面板結(jié)構(gòu)具備抗沖擊、抗壓、高強(qiáng)度和高剛度等性能，同時(shí)，還大大減輕了整艙重量，降低了生產(chǎn)成本。

圖8 最佳方案整艙總變形位移

3 結(jié) 論

(1) 艙體采用模塊化分段式的設(shè)計(jì)理念，降低了救生艙井下運(yùn)輸、安裝的難度。

(2) 獨(dú)特的冷沖壓瓦楞面板結(jié)構(gòu),具備抗沖擊、抗壓、高強(qiáng)度和高剛度等性能，同時(shí)，還大大減輕了整艙重量，降低了生產(chǎn)成本。超強(qiáng)瓦楞面板結(jié)構(gòu)艙段現(xiàn)已成功應(yīng)用于10人艙、12人艙、16人艙等多個(gè)型號(hào)救生艙產(chǎn)品。

(3) 通過對(duì)不同設(shè)計(jì)方案艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析與比較，確定了最佳方案為冷沖壓瓦楞面板艙段結(jié)構(gòu)，為礦用救生艙艙體結(jié)構(gòu)的研制提供了一種抗沖擊、抗壓、高強(qiáng)度的新型結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊大明.關(guān)于井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討[J].煤炭安全，2011，43(1)：118-121.

[2]汪 聲，金龍哲，栗 婧.國(guó)外礦用應(yīng)急救生艙技術(shù)現(xiàn)狀[J].中國(guó)安全科學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，2010，6(4)：119-123.

[3]劉述慈，金龍哲，栗 婧，等.救生艙內(nèi)化學(xué)氧使用特性的研究[J].建井技術(shù)，2011，32(1/2)：58-63.

[4]樊小濤.礦用救生艙抗暴性能試驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(3)：25-30.

[5]王全海.礦用救生艙在塔山煤礦的試用[J].煤炭工程，2011(4)：112-115.

[6]高廣偉，張祿華.煤礦井下移動(dòng)救生艙的設(shè)計(jì)思路[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(4)：162-164.

[7]蒲廣義.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010：72-93.