礦用救生艙生存艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)校核

郭正達(dá)

（西山煤電集團(tuán)德威礦業(yè)管理公司德順煤業(yè)公司，山西 孝義 032300）

·試驗研究·

礦用救生艙生存艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)校核

郭正達(dá)

（西山煤電集團(tuán)德威礦業(yè)管理公司德順煤業(yè)公司，山西 孝義 032300）

礦用救生艙采用模塊化組裝式結(jié)構(gòu)，由主艙、生存艙、輔助艙等部件組成，模塊之間采用螺栓連接，煤礦可根據(jù)工作面實際情況選取相適應(yīng)規(guī)格的救生艙。本文根據(jù)礦井普遍情況，對救生艙中生存艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計比選和力學(xué)校核，得出這個結(jié)構(gòu)完全可以滿足生存艙的設(shè)計要求，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，通過對救生艙生存艙的設(shè)計，為國內(nèi)煤礦緊急避險系統(tǒng)構(gòu)建提出指導(dǎo)性依據(jù)，為今后礦用救生艙的標(biāo)準(zhǔn)化提供了理論依據(jù)。

礦用救生艙；生存艙；設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

礦用可移動式救生艙主要由主艙、生存艙、輔助艙等部件組成（見圖1）；另配有空調(diào)裝置、壓縮空氣瓶、壓縮氧氣瓶及瓶架、空氣處理箱、便攜式多參數(shù)測定器、通訊系統(tǒng)、食物貯藏柜、急救箱、集便器、照明燈具及開關(guān)等功能性部件或組件。救生艙具有環(huán)境檢測、呼吸環(huán)境再造、溫濕度保持、生命保障、通訊與照明、動力保障系六大保障系統(tǒng)。救生艙適用于各類型煤礦和非煤礦山礦井，主要用于礦工在井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸、冒頂塌方、火災(zāi)阻隔、沖擊地壓等災(zāi)害事故受困情況下的緊急避災(zāi)待救，滿足井下采掘作業(yè)隊、班組為單位人員的快速避災(zāi)救護(hù)需求。緊急避險設(shè)施與礦井安全監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、壓風(fēng)自救、供水施救、通信聯(lián)絡(luò)等系統(tǒng)相配合，形成井下整體性的安全避險系統(tǒng)。

圖1 救生艙結(jié)構(gòu)示意圖

1 模塊設(shè)計思路

救生艙整體采用模塊化設(shè)計，將救生艙分為3個部分：緩沖倉、生存艙、設(shè)備艙。3種艙體分別單獨(dú)設(shè)計，其中生存艙分節(jié)設(shè)計，之后用螺栓或其他連接件將各節(jié)艙體緊固連接起來，形成生存艙，這樣可以增加艙體的承載能力，而且方便運(yùn)輸和安裝，并且對救生艙的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化有重大意義。

2 生存艙結(jié)構(gòu)設(shè)計比選

生存艙內(nèi)部凈尺寸為凈寬度1 400 mm、凈高度1 900 mm，設(shè)為定值（斷面積為2．66 m2），每節(jié)生存艙要求空間V≥10．56 m3，每節(jié)由4～6段生存艙艙體通用段組成。

現(xiàn)對其通用段長度進(jìn)行比選：

方案一：每段長度700 mm，由體積可知要求長度4 m，計算出要求6段同用段。

方案二：每段長度800 mm，由體積可知要求5段通用段。

方案三：每段長度900 mm，由體積可知要求5段通用段。

對3種方案進(jìn)行比選：要求每段長度盡量小，所用通用段數(shù)目盡量少，這樣既可以增加抗壓能力，也方便運(yùn)輸安裝。經(jīng)比選，最終選用方案一，每段長度適中，有利于提高艙體剛度和強(qiáng)度，并且運(yùn)輸方便，對巷道的適應(yīng)性強(qiáng)（小巷道通過能力強(qiáng)），模塊化擴(kuò)展方便，有利于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

生存艙通用段結(jié)構(gòu)示意圖見圖2：凈寬度1 400 mm、凈高度1 900 mm，長度800 mm。

圖2 生存艙結(jié)構(gòu)示意圖

艙體四周用12 mm的45鋼鋼板沖壓而成，每2節(jié)艙體之間由法蘭盤相連接，為達(dá)到密封性要求，法蘭盤之間鑲嵌密封材料，通過螺栓將兩節(jié)艙體連接在一起。其中法蘭盤的尺寸為厚度30 mm，寬度90 mm，布置在艙體的四周。為了提高艙體的剛度，在艙體的四周布置加強(qiáng)肋板。肋板選用槽鋼，焊接在艙體外輪廓上，查閱金屬材料手冊選用10＃槽鋼作為加強(qiáng)肋板，其主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 10＃槽鋼結(jié)構(gòu)尺寸表

3 校核其縱向剛度

救生艙受力模型可簡化為一懸臂梁，該梁受均布載荷作用：當(dāng)爆炸發(fā)生時，其瞬間壓力可達(dá)2 MPa，當(dāng)該壓力作用在救生艙的一側(cè)面時，相當(dāng)于該側(cè)面受到均布載荷作用，該載荷大?。?/p>

q=2×106Pa×0．8 m=1．6×106N／m艙體在受彎方向的橫截面見圖3，可分為4部分組成，分別求各部分的慣性矩。

圖3 艙體受彎方向截面圖

第1部分、第2部分為矩形，其慣性矩為：

第3部分為矩形，其慣性矩為：

第4部分為槽鋼，其慣性矩由表1可以查出：

上述計算為各面積對其自身形心軸的慣性矩，需要通過平行位移公式計算出其對彎矩梁本身中性軸的慣性矩。

第3部分的面積為：

第4部分面積查表可得：

第3部分慣性軸距離截面中性軸距離為：

第4部分槽鋼慣性軸距離截面中性軸距離為：

則該橫截面對y軸總的慣性矩為：

根據(jù)懸臂梁在受均布載荷時的彎曲變形公式計算其頂端最大變形量：

式中：

q=1．6×106N／m，l=1．9 m，I=887．78×2= 1 775．56 cm4，艙體材料選用45鋼，其彈性模量E= 206 GPa。

將上述數(shù)據(jù)代入公式可得艙體的最大變形量為：

變形量0．71 cm小于艙體總高度的1%（1．9 cm），故其剛度滿足使用要求。

4 橫向剛度的校核

同救生艙的縱向剛度一樣，其橫向也同樣受到了近似均勻的載荷，故在其橫向方向上同樣布置了加強(qiáng)肋，還選用10＃槽鋼，橫向受載模型可以簡化為簡支梁均勻受載荷，受力分布圖見圖4。

圖4 艙體橫向受力模型示意圖

在受載的一側(cè)面的平面部分均勻布置10＃槽鋼加強(qiáng)肋板，其截面形狀圖見圖5，每兩個肋板之間距離相隔為20 cm，布置4塊加強(qiáng)肋板。

圖5 艙體橫向截面圖

該側(cè)面所受的均布載荷大小為：

根據(jù)圖5所示的簡直梁截面，計算其各部分面積對中性軸的慣性矩：

第1部分為矩形，其慣性矩為：

第1部分面積為：

第2部分與第3、第4、第5部分同為槽鋼，根據(jù)槽鋼主要結(jié)構(gòu)尺寸表，查得：

第2、第3、第4、第5部分的面積為：

上述計算為各面積對其自身形心軸的慣性矩，需要通過平行位移公式計算出其對彎矩梁本身中性軸的慣性矩：

第1部分矩形的慣性軸距離中性軸的距離為：

第2部分槽鋼的形心軸距離慣性軸的距離為：

則該橫截面對中性軸總的慣性矩為：

根據(jù)簡支梁在受均布載荷時的彎曲變形公式計算其頂端最大變形量：

式中：q=2．8×106N／m，l=0．7×6=4．2 m，I= 1 383．4 cm4，艙體材料選用45鋼，其彈性模量E= 206 GPa，將上述數(shù)據(jù)代入公式可得艙體的最大變形量為：ωmax==0．039 8m，變形量3．98 cm，小于總長度的1%（4 cm），故其剛度滿足使用要求。

5 結(jié) 論

本文通過設(shè)計比選，設(shè)計救生艙生存艙通用艙凈寬度1 400 mm、凈高度1 900 mm，長度800 mm，通過校核其縱向剛度和橫向剛度，得出這個結(jié)構(gòu)完全可以滿足生存艙的設(shè)計要求，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，為今后礦用救生艙的標(biāo)準(zhǔn)化提供了理論依據(jù)。

［1］ 曾 偉．煤礦移動式避難艙標(biāo)準(zhǔn)的研究［G］／／第四屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集．北京：煤炭科學(xué)出版社，2009：278-281．

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［4］ 艾長波．礦用救生艙國內(nèi)外發(fā)展概況［J］．艦船防護(hù)，2010（6）：5-8．

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Structure Design and Mechanics Checking of Survival Space of Mine Rescue Capsule

Guo Zheng-da

Mine rescue capsule adopts modular assembly type structure．It is composed of the parts such as the main cabin，the survival cabin，the auxiliary cabin and so on．It adopts bolt connection between modules．According to actual situation of the working face in coal mine can select adapted specifications rescue capsule．According to the common condition of mine，the survival space structure of rescue capsule is designed，compared and selected as well as mechanical check，concluded that the structure can satisfy the design requirement of survival space completely，accord with the design standards．Through the design of survival cabin of capsule，puts forward guidance basis for the build of emergency action system in domestic coal mine，for the future standardization of mine rescue capsule provides a theoretical basis．

Mine rescue capsule；Survival space；Design standards

TD77+4

B

1672-0652（2013）09-0011-03

2013-06-16

郭正達(dá)（1963—），男，山西交城人，1984年畢業(yè)于大同煤校，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作（E-mail）112814471＠qq．com