救生艙防護(hù)密閉門操作手柄機(jī)構(gòu)熱傳導(dǎo)分析

楊福芹，丁中敏

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

0 引言

如果煤礦發(fā)生爆炸、火災(zāi)等事故，救生艙會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫?zé)煔猸h(huán)境［1］。試驗(yàn)證明這種來(lái)自艙外熱空氣的傳熱是救生艙熱載荷的主要來(lái)源［2］，嚴(yán)重影響到救生艙內(nèi)人員的生存安全，因此救生艙艙體的隔熱性能成為救援能否成功的重要因素。為保障救生艙內(nèi)避難人員的生命安全，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦用可移動(dòng)式救生艙通用技術(shù)條件》中規(guī)定:在極限救援條件下，外界環(huán)境溫度持續(xù)55 ℃，救生艙必須將艙內(nèi)溫度控制在35 ℃以下［3-4］。故設(shè)計(jì)救生艙時(shí)，為了減緩艙外高溫環(huán)境向艙內(nèi)傳熱，必須對(duì)救生艙的高溫防護(hù)性能進(jìn)行深入研究。本文主要對(duì)某企業(yè)初步設(shè)計(jì)的一種煤礦用可移動(dòng)式救生艙艙門的關(guān)鍵傳熱部件操作手柄機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱分析，即在ANSYS Workbench 中施加實(shí)際環(huán)境溫度的情況下，觀察艙內(nèi)溫度變化，了解所設(shè)計(jì)手柄機(jī)構(gòu)的隔熱性能，并對(duì)其結(jié)構(gòu)作出改進(jìn)，盡可能提升其熱防護(hù)性能。

圖1 救生艙防護(hù)密閉門的基本結(jié)構(gòu)

1 救生艙防護(hù)密閉門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

救生艙共有三道門，外側(cè)第一道門為向外開(kāi)啟的防護(hù)密閉門，第二道門為密閉門，第三道門為應(yīng)急逃生用的逃生門。前兩道門之間為過(guò)渡艙，密閉門以內(nèi)為生存艙，逃生門是當(dāng)爆炸或礦井坍塌造成過(guò)渡艙門出現(xiàn)故障無(wú)法正常開(kāi)啟時(shí)，艙內(nèi)礦工用來(lái)逃生的一個(gè)備用門［4］。圖1為某企業(yè)初步設(shè)計(jì)的一種煤礦用可移動(dòng)式救生艙的防護(hù)密閉門，主要由艙門門扇、門框、合頁(yè)組件、手柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四大部分組成。其中的門扇用于抵抗沖擊力，門框是門扇和艙體的過(guò)渡件，合頁(yè)組件主要用來(lái)連接門扇和門框并實(shí)現(xiàn)一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要完成艙門的開(kāi)啟和關(guān)閉鎖緊功能［5］。

救生艙艙門是救生艙的關(guān)鍵部件，當(dāng)瓦斯爆炸發(fā)生時(shí)艙門必須具有較強(qiáng)的隔熱保溫能力，救生艙所提供的畢竟是一個(gè)狹小的空間，要想保持一定的溫度，艙內(nèi)降溫是必需的，然而隔絕外部溫度傳入艙內(nèi)也是一種有效方式［6］。本文主要是對(duì)防護(hù)密閉門的關(guān)鍵傳熱部件操作手柄機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析。

2 防護(hù)密閉門操作手柄機(jī)構(gòu)的熱傳導(dǎo)分析

圖2 操作手柄機(jī)構(gòu)的有限元模型

艙門操作手柄機(jī)構(gòu)的傳熱性能是影響艙體隔熱效果的重要因素。如圖2 所示，防護(hù)密閉門操作手柄機(jī)構(gòu)由外手柄組件、內(nèi)手柄組件和一個(gè)傳動(dòng)軸組成，操作手柄組件是借鑒輪船方向盤(pán)和汽車方向盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，為了便于生產(chǎn)制造，去掉手柄環(huán)，設(shè)計(jì)成有四個(gè)手柄和一個(gè)軸頭蓋裝配而成。在手柄頂端車有螺紋，手柄和軸頭蓋之間采用螺紋連接。因手柄長(zhǎng)期暴露在潮濕的礦井環(huán)境內(nèi)，手柄材料選用不銹鋼，為了防滑，在手柄末端加工防滑花紋。艙門操作手柄機(jī)構(gòu)各零件裝配過(guò)程中使用完全接觸裝配。所以可以認(rèn)為零件之間是完全的熱接觸傳導(dǎo)，也就是說(shuō)，接觸面上不會(huì)存在溫度差［7］。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱總是自動(dòng)地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分，根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種［8］。本次分析沒(méi)有建立操作手柄機(jī)構(gòu)以外的流體模型，并忽略了熱對(duì)流和熱輻射這兩種傳熱方式，只對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析。

1）前處理。使用Pro/E 軟件繪制好三維模型并導(dǎo)入Workbench 中，如圖2。因?yàn)橥饨绛h(huán)境溫度是隨時(shí)間而變化的，因此選擇分析類型為瞬態(tài)熱分析，手柄和軸頭蓋的材料為不銹鋼，傳動(dòng)軸的材料為45 鋼，定義材料的屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

各零件的接觸都是完全接觸的，故選擇接觸類型為綁定接觸，采用四面體10 節(jié)點(diǎn)單元SOLID187 對(duì)操作機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行離散網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)數(shù)是21 813 個(gè)，單元數(shù)是11 462 個(gè)單元。

2）施加熱載荷和邊界條件。設(shè)置模型的初始溫度為22 ℃，《礦用可移動(dòng)式救生艙通用技術(shù)條件》中對(duì)真人生存實(shí)驗(yàn)規(guī)定:外界環(huán)境溫度要持續(xù)55 ℃至少5 h，隨后保持溫度在30 ℃以上。本救生艙的額定防護(hù)時(shí)間為106 h（即381 600 s），因此分析中施加在操作手柄機(jī)構(gòu)的外手柄組件表面如圖3 所示的外界溫度。

圖3 施加的溫度曲線

3）求解。插入裝配體和內(nèi)側(cè)各零件的溫度場(chǎng)命令，點(diǎn)擊求解，經(jīng)過(guò)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)計(jì)算得到各部件的溫度變化。

2.1 結(jié)果分析

圖4 操作手柄機(jī)構(gòu)的溫度曲線圖

圖5 操作手柄機(jī)構(gòu)的溫度云圖

圖4 和5 表明的是操作手柄機(jī)構(gòu)的溫度變化情況。圖中B 線顯示的是艙門外側(cè)零部件的溫度變化，與外界環(huán)境溫度一致，A 線顯示的是艙門內(nèi)側(cè)零部件的溫度變化，走勢(shì)與B 線相似，最后穩(wěn)定在30℃上。但從上面兩個(gè)圖中無(wú)法清晰地看出內(nèi)手柄組件的溫度變化。

從圖6 和圖8 的曲線中可以清晰看到，艙門內(nèi)軸頭蓋和內(nèi)手柄的溫度都是先急劇上升再急劇下降至37 ℃后緩慢穩(wěn)定在30 ℃上下，與艙外環(huán)境溫度達(dá)到平衡。內(nèi)軸頭蓋和內(nèi)手柄都是在6 h 后到達(dá)最高溫度，溫度值為43.828 ℃和43.1 ℃；圖7 和圖9 的云圖顯示雖然最大值不發(fā)生在軸頭蓋和手柄的外表面上，但外表面的峰值也達(dá)到了42 ℃。這個(gè)熱源帶給救生艙內(nèi)部大量的熱量，給艙內(nèi)降溫帶來(lái)了較大的困難，很大程度上影響了救生艙的隔熱性能。

圖6 內(nèi)側(cè)軸頭蓋的溫度曲線圖

圖7 內(nèi)側(cè)軸頭蓋的溫度云圖

圖8 內(nèi)側(cè)手柄的溫度曲線圖

圖9 內(nèi)側(cè)手柄的溫度云圖

分析得知，防護(hù)密閉門的操作手柄機(jī)構(gòu)的熱分析不滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，降低了艙體的整體隔熱性能，因此需要對(duì)操作手柄從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

救生艙艙門門扇和艙體的隔熱效果都是通過(guò)在內(nèi)壁上加礦物巖棉實(shí)現(xiàn)的，礦物巖棉以天然巖石及礦物等為原料制成的蓬松狀短細(xì)纖維，具有卓越的絕熱性能和不燃、不霉、不蛀等性能，廣泛地應(yīng)用于絕熱、隔音和其它產(chǎn)品的生產(chǎn)中。防護(hù)密閉門的操作手柄機(jī)構(gòu)暴露在外界環(huán)境中的只有外側(cè)軸頭蓋和4 個(gè)手柄。外界通過(guò)操作手柄機(jī)構(gòu)向內(nèi)部傳熱主要有兩個(gè)途徑：一個(gè)是手柄將熱傳遞給軸頭蓋，軸頭蓋再傳遞給與之接觸傳動(dòng)軸，此途徑傳遞的熱量不大，而且由于軸頭蓋與傳動(dòng)軸連接的地方需要傳遞力矩，不能對(duì)此進(jìn)行隔熱；另一個(gè)途徑則是熱量直接通過(guò)軸頭蓋傳導(dǎo)進(jìn)去，因此考慮在軸頭蓋的外表面進(jìn)行隔熱。

初步改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖10，在軸頭蓋外面加一層礦物巖棉氈，為了提高礦物巖棉氈的隔熱效果，在巖棉外側(cè)再加一層與軸頭蓋相同形狀的外殼，材料選擇為導(dǎo)熱系數(shù)小，防腐蝕不銹鋼。

圖10 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.3 改進(jìn)后機(jī)構(gòu)的熱傳導(dǎo)分析

將改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)裝配好導(dǎo)入到Workbench 中進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，礦物巖棉的材料屬性：密度為50 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 W/（m·K），比熱容為0.2 J/（kg·K），并將各個(gè)接觸定義為綁定接觸，劃分網(wǎng)格后在外殼的表面和手柄表面施加與上節(jié)相同的熱載荷和邊界條件，求解，結(jié)果如圖11～14 所示。

從內(nèi)側(cè)軸頭蓋溫度曲線圖（圖11）和溫度云圖（圖12）可以看出，暴露在艙體內(nèi)部的艙門操作手柄外殼在模擬的106 h 內(nèi)最高溫度為38.795 ℃，與改進(jìn)前的43.828 ℃相比，軸頭蓋隔熱性能有明顯的改善；從內(nèi)側(cè)手柄溫度曲線圖（圖13）和溫度云圖（圖14）可以看出，內(nèi)側(cè)手柄的最高溫度為39.975 ℃，與改進(jìn)前的43.1 ℃相比，手柄隔熱效果有明顯提高。

圖11 改進(jìn)后內(nèi)側(cè)軸頭蓋外殼的溫度曲線圖

圖12 改進(jìn)后內(nèi)側(cè)軸頭蓋外殼的溫度云圖

圖13 改進(jìn)后內(nèi)側(cè)手柄的溫度曲線圖

圖14 改進(jìn)后內(nèi)側(cè)手柄的溫度云圖

3 結(jié)論

當(dāng)煤礦發(fā)生瓦斯爆炸或火災(zāi)時(shí)，礦下溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)升高，救生艙防護(hù)密閉門操作手柄機(jī)構(gòu)成為艙外向艙內(nèi)進(jìn)行熱傳導(dǎo)的載體之一。合理設(shè)計(jì)操作手柄結(jié)構(gòu)，使其具有良好的熱防護(hù)性能，對(duì)有效控制救生艙艙內(nèi)溫度達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的35 ℃以下，以及對(duì)逃生人員安全等待救援具有重要意義。本文對(duì)某企業(yè)初步設(shè)計(jì)的一種煤礦用救生艙艙門操作手柄機(jī)構(gòu)在106 h 內(nèi)進(jìn)行了瞬態(tài)熱力學(xué)分析。分析結(jié)果表明在不影響機(jī)構(gòu)強(qiáng)剛度的前提下，在軸頭蓋外附加一層礦物巖棉氈和不銹鋼外殼，可以明顯改善救生艙艙門操作手柄機(jī)構(gòu)的隔熱效果，從而為產(chǎn)品進(jìn)一步的改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

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