礦用救生艙艙體結構設計與分析

咸士玉，張曉升，王永崗，王武魁，李 凱

(長治清華機械廠， 山西 長治市 046012)

礦用救生艙(以下簡稱救生艙)是煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”中緊急避險設施的重要裝備，是國家安監(jiān)總局、煤礦安監(jiān)局要求各煤礦必須配備的安全裝備。救生艙能夠為礦難發(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空間。這對于保障礦工生命安全，將礦難造成的損失降到最低，促進煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[1-3]。

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

1 救生艙艙體結構方案的提出

1.1 救生艙艙體結構設計原則

由于我國煤礦井下巷道尺寸普遍比較狹小，為了降低救生艙井下運輸與安裝的難度，提出了模塊化分段式的設計理念。因此，在進行方案設計時，為了節(jié)約時間成本，首先對各方案的單個艙段進行了有限元仿真計算分析與比較，確定最佳方案，最后對最佳方案的整艙進行應力和變形計算。

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

1.2 模塊化艙段的結構方案

方案一：采用90 mm×40 mm×5 mm的矩形管+局部加強筋(δ10鋼板)焊接成骨架+蒙皮(δ6鋼板)，單個艙段外形尺寸為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)+加強筋(40×40方鋼)焊接成骨架+端面法蘭(δ30鋼板)+蒙皮(δ6鋼板)，單個艙段外形尺寸為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個方案的實體模型，然后將實體模型導入到有限元分析仿真軟件ANSYS Workbench中，進行仿真計算分析[7]。其中，網(wǎng)格劃分采用程序默認的單元進行網(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，側面及頂部施加0.5 MPa的載荷，進行應力及變形計算。表1為3種模塊化方案計算分析數(shù)據(jù)輸出，圖4～圖6為3種模塊化方案應力和變形分布云圖。

表1 三種模塊化方案計算數(shù)據(jù)輸出

圖4 方案一應力和變形分布云圖

圖5 方案二應力和變形分布云圖

圖6 方案三應力和變形分布云圖

通過計算結果的比較，方案二的最大應力已超過了Q345的屈服強度，該結構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，但方案一相對于方案三局部加強筋較多，焊接量大，工人勞動強度高，且各艙段焊后外形尺寸很難保證一致，實施比較困難。方案三冷沖壓瓦楞面板自然形成的加強作用，具有很高的強度，不必焊接局部加強筋，焊接量相對較小。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算

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

圖7 最佳方案整艙應力分布云圖

從整艙模擬計算應力分布圖來看，整艙最大應力為342.42 MPa，低于艙體所選材質(zhì)Q345的屈服強度；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構采用獨特的冷沖壓瓦楞面板結構具備抗沖擊、抗壓、高強度和高剛度等性能，同時，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 論

(1) 艙體采用模塊化分段式的設計理念，降低了救生艙井下運輸、安裝的難度。

(2) 獨特的冷沖壓瓦楞面板結構,具備抗沖擊、抗壓、高強度和高剛度等性能，同時，還大大減輕了整艙重量，降低了生產(chǎn)成本。超強瓦楞面板結構艙段現(xiàn)已成功應用于10人艙、12人艙、16人艙等多個型號救生艙產(chǎn)品。

(3) 通過對不同設計方案艙段結構進行計算分析與比較，確定了最佳方案為冷沖壓瓦楞面板艙段結構，為礦用救生艙艙體結構的研制提供了一種抗沖擊、抗壓、高強度的新型結構。

參考文獻：

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[2]汪 聲，金龍哲，栗 婧.國外礦用應急救生艙技術現(xiàn)狀[J].中國安全科學生產(chǎn)技術，2010，6(4)：119-123.

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[7]蒲廣義.ANSYS Workbench基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010：72-93.