宋勝偉,　劉富利,　楊　志,　劉永立

(1. 黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱　150022； 2. 黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱　150022)

?

礦井自動(dòng)隔離門強(qiáng)度的數(shù)值模擬分析

宋勝偉1,劉富利1,楊志1,劉永立2

(1. 黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱150022； 2. 黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱150022)

為了探明礦井毒害氣體自動(dòng)隔離門的門皮厚度、工字梁尺寸、支撐間距在瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷作用下對(duì)隔離門強(qiáng)度的影響，利用有限元軟件ANSYS Workbench，分析了自動(dòng)隔離門的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)及其影響。結(jié)果表明：當(dāng)門皮厚度增大至12 mm、工字梁尺寸增大至16#時(shí)，隔離門應(yīng)力值低于屈服極限值235 Mpa，且形變較小，滿足防爆要求，支撐間距變化過(guò)程中，應(yīng)力值始終大于屈服極限值；隔離門應(yīng)力值隨著門皮厚度、工字梁尺寸增大而減小，隨著支撐間距增大而增大；通過(guò)極差分析，對(duì)應(yīng)力值影響主次關(guān)系為：工字梁尺寸、門皮厚度、支撐間距。該研究對(duì)合理確定礦井瓦斯爆炸毒害氣體自動(dòng)隔離門的結(jié)構(gòu)和尺寸具有一定的參考。

自動(dòng)隔離門；沖擊載荷；強(qiáng)度分析；防爆

0　引　言

目前，我國(guó)在應(yīng)對(duì)瓦斯爆炸等災(zāi)害事故時(shí)，采取機(jī)械式隔斷和滅火方式[1]的方法進(jìn)行處置。機(jī)械式較為笨拙，一旦強(qiáng)度不夠則起不到很好的作用，而滅火方式也不盡理想，很難準(zhǔn)確地滅掉火焰，只是減小了火焰，若能將兩種方法配合使用，將會(huì)受到良好的效果。礦井瓦斯爆炸毒害氣體自動(dòng)隔離門[2]在2011年首次以專利形式出現(xiàn)。一些學(xué)者也研究了瓦斯煤塵爆炸的預(yù)防措施，但主要的研究方面是利用水槽棚、巖粉棚等撲滅、阻滯爆炸火焰，利用井下避難艙、避難硐室為工人提供避難場(chǎng)所，以及一些其他的措施均起到了一定的作用，但是效果甚微[3-4]。為解決礦井瓦斯爆炸后存在的問(wèn)題以及傳統(tǒng)措施的不足，筆者研究不同工況下，自動(dòng)隔離門在沖擊載荷下應(yīng)力應(yīng)變的變化特征，以改進(jìn)隔離門的設(shè)計(jì)和提高其工作的可靠性與穩(wěn)定性。

1　結(jié)構(gòu)參數(shù)與初始載荷

1.1門體結(jié)構(gòu)參數(shù)

煤礦巷道中自動(dòng)隔離門結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1所示。根據(jù)某礦巷道斷面及綜合因素考慮，并根據(jù)礦井阻爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5-6]，門扇的尺寸為1 700 mm×1 355 mm×154 mm，門扇單層鋼板厚度為7 mm, 支撐梁腹板中心間距選擇210 mm。該結(jié)構(gòu)根據(jù)塑性設(shè)計(jì)，能夠抵抗的最大沖擊壓強(qiáng)為0.44 Mpa，滿足《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》技術(shù)要求中，門體應(yīng)能承受至少0.3 MPa的要求。

1承壓板窗口； 2延時(shí)開(kāi)關(guān)復(fù)位窗口； 3隔離門門扇；

1.2等效載荷計(jì)算

當(dāng)?shù)V井發(fā)生爆炸后，沖擊波沿巷道傳播，自動(dòng)隔離門迅速關(guān)閉，此后門體受到?jīng)_擊波作用力，該力也是數(shù)值模擬過(guò)程中施加的等效載荷，它與爆炸沖擊波入射壓力、反射超壓有關(guān)[7]。

(1)入射壓力

(1)

式中:K——實(shí)際影響因素值，取值1.01；

r——空氣比熱比，取值1.4；

M——沖擊波速度與介質(zhì)中音速比，取值1.5。

計(jì)算可得入射壓力ΔP為0.145 MPa。

(2)反射超壓

與入射沖擊波傳播方向不同的反射超壓，也會(huì)對(duì)門扇結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，計(jì)算公式如下：

(2)

式中:ΔPm——反射超壓，計(jì)算得0.44 MPa。

(3)等效靜載

門與門框的自振周期較接近，自動(dòng)隔離門的等效靜載按彈性構(gòu)件突加等效靜載計(jì)算，根據(jù)公式：

qd=K1ΔPmKd，

(3)

式中:K1——安全系數(shù)，取值1.2；

Kd——?jiǎng)恿ο禂?shù)，取值2。

計(jì)算得門體的等效載荷qd約為1.05 Mpa，此載荷為沖擊載荷，作用時(shí)間為1 s,即仿真過(guò)程施加的爆炸沖擊波載荷為1.05 MPa。

2　有限元模型

采用UG三維建模軟件對(duì)隔離門進(jìn)行實(shí)體建模，利用ANSYS Workbench協(xié)同仿真環(huán)境將門扇模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，模型元素導(dǎo)入過(guò)程沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失。在保證模型尺寸及結(jié)構(gòu)正確的情況下，需要對(duì)模型的結(jié)構(gòu)做一定的簡(jiǎn)化，如對(duì)于隔離門的一些附屬結(jié)構(gòu)例如鉸鏈、門把手等對(duì)整體受力影響較小的構(gòu)件，在建模時(shí)，不予考慮，所選參數(shù)見(jiàn)表1。將結(jié)構(gòu)看成一個(gè)連續(xù)的整體，略去焊接造成的殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，主要考慮了隔離門的主要結(jié)構(gòu)部分。

2.1破壞準(zhǔn)則

隔離門材料與工字鋼材料為Q235E鋼,材料密度是7 850 kg/m3；彈性模量是E=206 GPa；泊松比是0.3；抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是[σ1]=215 MPa；抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是[σ2]=125 MPa；屈服點(diǎn)下限值為[σs]=235 MPa。文中隔離門的破壞形式主要為：隔離門結(jié)構(gòu)被爆炸沖擊波摧毀，即σ>σs時(shí)，門扇整體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，無(wú)法滿足防爆要求。而對(duì)于σ1<σ<σs時(shí)隔離門發(fā)生較小變形的情況，由于能起到阻斷沖擊波作用，保護(hù)巷道內(nèi)設(shè)備與人員的安全，隔離門視為處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

表1　仿真具體參數(shù)

2.2仿真工況類型

根據(jù)實(shí)際情況考慮對(duì)門扇結(jié)構(gòu)添加約束，門扇受門框影響，門扇上下邊緣面固定約束，左右為垂直于門扇方向位移自由[8-9]。施加荷載大小為1.05 MPa等效靜載，加載方式為面均布加載。仿真變量：門皮厚度、工字梁尺寸、支撐間距。考察參數(shù)：門扇應(yīng)力、門扇形變。仿真具體參數(shù)，如表1所示。

3　仿真結(jié)果與分析

3.1原始模型

對(duì)圖1所示門扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，當(dāng)對(duì)原始模型仿真，即門皮厚度為7 mm，工字梁尺寸為14#工字鋼，支撐間距為210 mm均勻分布的工況，添加作用均布的等效靜載荷1.05 MPa。隔離門正面仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，自動(dòng)隔離門門扇整體結(jié)構(gòu)在中心部位發(fā)生了約為2.34 mm的最大形變，且形變呈以門扇中心為起點(diǎn)環(huán)狀向外輻射減小的規(guī)律；從支撐梁工字鋼的形變?cè)茍D得出，分布在最中間的三根支撐梁均發(fā)生了最大值的形變。從圖2可見(jiàn)，最大值出現(xiàn)在門扇頂部、底端以及支撐梁的腹板邊緣處約290 MPa。

a　門皮與工字梁應(yīng)力云圖

b　門皮與工字梁形變?cè)茍D

3.2門皮厚度

當(dāng)其他參數(shù)不變，對(duì)門皮厚度為5、7、9和12 mm四種工況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：隨著門皮厚度的增加，應(yīng)力與應(yīng)變值降低，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，近似線性變化，門皮厚度d從5 mm增加到12 mm，最大應(yīng)力σmax值從313下降到233 MPa，下降19.17%，形變量ε值下降44.10%。當(dāng)門皮厚度為12 mm時(shí)，應(yīng)力值為233 MPa，介于設(shè)計(jì)值與屈服極限值之間，且此時(shí)形變值較小，滿足抗爆要求，如圖3所示。

a　應(yīng)力

b　形變

Fig. 3Door skin thickness effects on stress and deformation strain

3.3工字梁尺寸

工字梁尺寸對(duì)隔離門應(yīng)力與形變的影響圖4。

a　應(yīng)力

b　形變

在不改變其他參數(shù)的情況下，增大工字梁的尺寸，應(yīng)力值快速下降，工字梁尺寸從10#增大到16#，最大應(yīng)力值從571 MPa下降到227 MPa，下降60.25%，最大形變量值下降61.38%，即當(dāng)材料選擇16#鋼時(shí)，應(yīng)力值小于屈服極限值235 MPa，且形變值較小可以滿足抗爆性能要求。

3.4支撐梁間距

由圖 5可見(jiàn)，在不改變其他參數(shù)的情況下，增大支撐梁間距，應(yīng)力值呈先快速后緩慢上升，支撐梁間距從160 mm增大到300 mm，最大應(yīng)力值從268 MPa增加到297 MPa，增大10.82%，始終高于屈服極限值，形變量值增加69.31%。即如果發(fā)生類似爆炸，沖擊波將摧毀隔離門，對(duì)設(shè)備與人員造成危害。盡管間距為160 mm時(shí),門扇受力較小，但為了確保整個(gè)隔離門的結(jié)構(gòu)滿足要求，設(shè)計(jì)隔離門時(shí)選取間距最小值為210 mm。

a　應(yīng)力

b　形變

Fig. 5Support beam spacing effects on stress and deformation strain

4　極差分析

為考察三種因素對(duì)隔離門最大應(yīng)力值的影響權(quán)重，不改變施加的載荷值大小，將應(yīng)力作為目標(biāo)因子，通過(guò)仿真計(jì)算得到門皮厚度A、工字梁尺寸B和支撐梁間距C三因素下相應(yīng)的數(shù)值，如表2所示。并對(duì)其進(jìn)行極差分析，如表3所示。

表2　仿真結(jié)果

表3中，K值表示因素水平下的求和值，k表示因素水平下的算術(shù)平均值，根據(jù)算術(shù)平均值計(jì)算極差R=max{ki}-min{ki}，R越大，代表對(duì)目標(biāo)因子的影響越大，因此對(duì)隔離門應(yīng)力影響主次關(guān)系為：工字梁尺寸，門皮厚度，支撐間距。

表3　應(yīng)力的結(jié)果分析

5　結(jié)　論

(1)通過(guò)有限元仿真分析得到，門皮厚度由5 mm增加到12 mm，應(yīng)力值下降19.17%，形變量值下降44.10%；工字梁尺寸由10#增加到16#，應(yīng)力值下降60.25%，形變量值下降61.38%；支撐間距由160 mm均勻增加到300 mm，應(yīng)力值增大10.82%，形變量值增加69.31%。

(2)通過(guò)對(duì)門扇結(jié)構(gòu)的靜態(tài)有限元仿真分析，在保證其他參數(shù)為原始模型數(shù)據(jù)時(shí)，驗(yàn)證了門扇結(jié)構(gòu)在門皮厚度為12 mm或采用16#工字梁作為內(nèi)部支撐梁兩種工況，能夠有效抵抗沖擊載荷作用，且門體能夠保持整體結(jié)構(gòu)的良好性。

(3)通過(guò)ANSYS仿真與極差分析可知，對(duì)門扇的強(qiáng)度影響最大的是支撐梁尺寸，門皮厚度次之，支撐間距影響相對(duì)最小，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)影響程度進(jìn)行主次因素的選擇。

[1]邴吉杰.淺議瓦斯管路系統(tǒng)中阻爆裝置的應(yīng)用[J].煤礦安全，2000， 31(7): 11-12.

[2]劉永立， 宋勝偉. 礦井瓦斯爆炸毒害氣體自動(dòng)隔離門： 中國(guó)，zl. 201110203280.2[P]. 2012-07-11.

[3]趙益， 孫建華， 魏春榮. 氣體反沖式固體阻隔爆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械， 2011， 32(12): 156-158.

[4]伯志革.避難硐室防護(hù)密閉門抗爆炸沖擊性能的研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保， 2012， 41(6): 18-22.

[5]李海旺， 薛飛， 秦冬棋.爆炸荷載作用下平面鋼框架形態(tài)研究[J].工程抗震與加固改造， 2005， 28(S1): 161-167.

[6]岳建平， 董稹. 自動(dòng)阻爆裝置的研究[C]//中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)煤礦安全專業(yè)委員會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)， 張家界， 2009.

[7]高娜， 礦井避難硐室防火防爆密閉系統(tǒng)研究與試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2012,18(1), 132-136.

[8]王海洋.揚(yáng)巴300kt/a EO/EG裝置中防爆門的設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)計(jì)， 2004， 21(3): 23-25+11.

[9]TAVAKOLIA H R， KIAKOJOURIB F. Numerical dynamic analysis of stiffened plates under blast loading[J]. Latin American Journal of Solids and Structures, 2014(11): 185-199.

(編輯李德根)

Numerical simulation and analysis of strength of automatic isolation door in mine

SONGShengwei1,LIUFuli1,YANGZhi1,LIUYongli2

(1.School of Mechianical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China 2.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper arises from the need for identifying the effect of door skin thickness, I-shaped beam size, and support spacing of the automatic isolation door for poison gas on the strength of isolated gate when exposed to impact loading due to the gas explosion. The study analyzes the automatic isolating door for stress and strain field and its influence using the finite element software ANSYS Workbench. The results show that in the case of the door skin thickness greater than 12 mm and I-beam size up to 16, an isolation door which has a stress value lower than the yield limit 235 Mpa and experiences a smaller deformation is adequate for the explosion-proof requirements; the stress value is always greater than the yield limit if the spacing of the support is in the process of change; the isolation gate has a decreasing stress value due to an increase in the door skin thickness and flanged beam size; and an increasing stress value due to an increase in the spacing of the support. Range analysis shows that the relationships between primary and secondary affecting the stress values are I-shaped beam size, door skin thickness and spacing of the support. The study may provide

to the reasonable determination of the structure and the size of automatic isolation doors tailored for the gas explosion poison gas in the mines.

automatic isolation door; impact load; strength analysis; explosion protection

2015-12-06

宋勝偉(1968-)，男，黑龍江省樺南人，教授，碩士，研究方向：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail:song8045676@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.014

TD712.7；TH122

2095-7262(2016)01-0058-05

A