【文章內(nèi)容簡介】 縱向肋板剛度校核 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 MPa2 ，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，該載荷大小 : mNmpaq / 66 ????? 艙體在受彎方向的橫截面如圖所示，可分為 4 部分組成，分別求個部分的慣性矩： 圖 43 艙體縱向截面圖 第一部分為矩形，其慣性矩為： 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 4331 9312 cmbhI ???? 第二部分為矩形，其慣性矩為 4331 9312 cmbhI ???? 第三部分為矩形，其慣性矩為 4331 cmbhI ???? 第四部分為槽鋼，其慣性矩由上表可以查出： 44 cmI ? 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： 第三部分的面積為 23 cmhbS ????? 第四部分面積查表可得： ?S 第三部分慣性軸距離截面中性軸距離為： mml 53 ? 第四部分槽鋼慣性軸距離截面中性軸距離為 mml ???? 第三部分形心軸距離中性軸的距離為： 3 cm? 第四部分形心軸距離中性軸的距離為： 4 cm? 則該橫截面對 y 軸總的慣性矩為： 2444233321 lSIlSIIII ????????總 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 22 ???????? 4517cm? 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： EIql8 4?? 其中： mNq / 6?? ， ml ? ， 41 0 3 425 1 7 cmI ??? ，艙體材料選用45 鋼，其彈性模量 GPaE 206? ，將上述數(shù)據(jù)代入公式可得艙體的最大變形量為： cmEIql 9 464 ???? ????? 變形量小于艙體總高度的 )%(1 cm ，故其剛度滿足使用要求。 橫向肋板剛度校核 救生艙橫向 同縱向一樣，也受到均勻載荷的作用，為了增加救生艙的剛度，在艙體橫向也需布置加強肋板， 同樣選取 10號槽鋼作為加強肋，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如上表所述。橫向受載時，其受力模型相當(dāng)于簡支梁受均布載荷。受力情況如下圖： 圖 44 艙體橫向受力模型 在受載的一側(cè)面的平面部分均勻布置 10 號槽鋼加強肋板，其截面形狀圖如下圖所河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 示，每兩個肋板之間距離相隔為 20cm，布置 4 塊加強肋板。 圖 45 艙體橫向截面圖 該側(cè)面所受的均布載荷大小為： 662 1 0 1 .4 2 .8 1 0 /q P a m N m? ? ? ? ? 根據(jù)上圖所示的簡直梁截面，計算其各部分面積對中性軸的慣性矩： 第一部分為矩形，其慣性矩為： 33 41 1 4 0 1 . 2 2 0 1 . 61 2 1 2bhI c m?? ? ? 第一部分面積為： 21 14 0 16 8S bh cm? ? ? ? 第二部分與第三第四第五部分同為槽鋼，根據(jù)槽鋼主要結(jié)構(gòu)尺寸表，查得： 42345 25 .6I I I I cm? ? ? ? 第二、第三、第四、第五部分的面積為： 22345 1 2 .7 4 8S S S S cm? ? ? ? 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： 第一部分矩形的慣性軸距離中性軸的距離為： 1 3 cm cm cm? ? ? 第二部分槽鋼的形心軸距離慣性軸的距離為： 2 3 cm cm cm? ? ? 則該橫截面對中性軸總的慣性矩為 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 221 1 1 2 2 2= 4 ( )I I S l I S l? ? ? ? ? ?總 22201 .6 168 4 ( 25. 6 12. 748 8 )? ? ? ? ? ? ? ? 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： 4max 5384qlEI? ? 其中： 10 /q N m?? ， 6 ? ? ? ， cm? ，艙體材料選用45 鋼，其彈性模量 GPaE 206? ，將上述數(shù)據(jù)代入公式可得艙體的最大變形量為： 4 6 4m a x 95 5 2 . 8 1 0 4 . 2 3 . 9 83 8 4 3 8 4 2 0 6 1 0 1 3 8 3 . 4ql cmEI? ? ? ?? ? ?? ? ? 變形量小于總長度的 1%( )cm ，故其剛度滿足使用要求。 生存艙之間所用連接螺栓的尺寸的確定 由于生存艙是由模塊化設(shè)計而成，每節(jié)生存艙的長度為 mm700 ，這樣便于在巷道內(nèi)運輸，當(dāng)救生艙的所有部件都運至安置位置后，需要在井下將單獨的艙體連接起來，成為一體。兩節(jié)艙體之間選用螺栓連接的方式，可靠性高，便于裝配。救生艙有嚴格的密封性要求，因此，在艙體連接法蘭之間需要鑲嵌密封材料（密封材料規(guī)格為= 30 20m m m m??寬 厚 ），根據(jù)理論計算當(dāng)密封條的壓縮量達到 3mm 時，密封條件最好，為達到上述壓縮量，計算兩法蘭之間要求的壓緊力為 F 。 法蘭 面的周長： 1400 2 1500 1700 6000C mm? ? ? ? ? 密封材料面積為： 5260 00 30 1. 8 10A C b m m m m m m? ? ? ? ? ? 所需壓緊力： EA lF L?? 其中密封材料的彈性模量為 2E MPa? ，密封材料面積 10A mm?? ，壓縮量河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 3l mm?? ，密封材料厚度 20L mm? 。 則 62 1 0 0 . 1 8 3 5400020E A lFNL? ? ? ?? ? ? 螺栓的布置，查閱資料，對于有密封性要求的較高的的重要連接，螺栓的間距不得大于下表所推薦的數(shù)值： 表 61 螺栓間距推薦使用表 工作壓力 /MPa ? ~4? 4~10? 10~16? 16~20? 20~30? 螺栓之間的間距 /mm 7d 4d 3d 注：表中 d 為螺栓公稱直徑 根據(jù)表中規(guī)定 初步確定螺栓之間的間距為 100mm. 在法蘭四周均勻布 置螺栓，每個螺栓間距為 100mm，則整個法蘭盤需要布置的螺栓數(shù)目為： 6000 60100Cn t? ? ? （ 個 ） 分布到每個螺栓上的工作拉力為： 54000 90060FFNn? ? ?工 作 根據(jù)單個螺栓受力情況，確定法蘭間連接螺栓的尺寸： 為了保證連接的緊密性，防止連接受載后，結(jié)合面之間產(chǎn)生縫隙，因該使螺栓所受的殘余預(yù)緊力 1 0F? ，根據(jù)參考資料，推薦使用的 1F 為：對于有密封性要求的連接，1 ( ~ )FF? 。 取殘余預(yù)緊力為： 1 900 162 0F F N N? ? ? ? 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 則螺栓的總拉力等于殘余預(yù)緊力與工作拉力之和 21 = 16 20 + 90 0 = 25 20F F F N?? 工 作 考慮到螺栓在總拉力 2F 的作用下可能需要補充擰緊，故將總拉力增加 30% 已考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響，于是螺栓危險截面的拉伸強的條件為： 221 []4caFd????? 選 擇螺栓材料為 235Q ，性能等級為 的螺栓，由表差的材料的屈服極限240s MPa? ? ， 安 全 系 數(shù) 為 4S? ， 故 螺 栓 材 料 的 許 用 應(yīng) 力 為240[ ] 6 04s M P aS?? ? ? ? 根據(jù)上式計算螺栓危險截面的直徑（螺紋小徑）為 21 4 1 . 3 4 1 . 3 2 5 2 0 8 . 3 4[ ] 6 0Fd m m? ? ?? ??? ? ?? 按粗牙普通螺紋標(biāo)準（ GB/T 196— 2021）選用公稱直徑 12d mm? （螺紋小徑1 10. 106 4d m m m m??） 確定螺栓的公稱直徑后，螺栓的類型、長度、精度以及相應(yīng)的螺母、墊片等結(jié)構(gòu)尺寸，可根據(jù)法蘭厚度等約束條件根據(jù)螺栓性能表格選用。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 5 救生艙艙門設(shè)計 、 救生艙艙門方案確定 ： 根據(jù)救生艙艙體的 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,整個艙體分為三個部分即 :緩沖艙 ,生存 艙和設(shè)備艙 .相應(yīng)的救生艙應(yīng)包含主艙門 ,緩沖門和應(yīng)急艙門 。 、 主艙門方案 : （ 1） 主艙門的 基本 要求 : 向外開啟。 要求操作方便，性能可靠，具有良好的氣密和水密功能， 夠抵御 1200度 的瞬時（ )高溫和 60 度的持續(xù)高溫。 （ 2） 主艙門方案確定 : 鑒于以上分析，應(yīng)在滿足密封性要求的前提下，盡量結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，這樣也可以有效地控制成本。我們認為設(shè)計了以下兩種方案備選： 1)曲柄滑塊機構(gòu) (四點鎖緊 ) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高；由于導(dǎo)軌的約束強化作用，增強了立桿的高度。 缺點：鎖緊點較少，密封效果可能受到影響。 圖 51 曲柄結(jié)構(gòu) 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 2） 連桿機構(gòu) (六點鎖緊 ) 優(yōu)點：接觸點較多，密封均勻。 缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要求制造精度較高，否則可靠性較差。 綜合上述多種艙門方案比較 ,由于曲柄 滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 ,動作靈活可靠 ,可以達到主艙門關(guān)于氣密和水密的要求 ,因此最終確定曲柄滑塊機構(gòu)作為主艙門的結(jié)構(gòu)方案。 、 過渡艙門結(jié)構(gòu)方案： （ 1） 緩沖門的基本要求： 考慮到 要 減少熱源、噪音源和整潔，我們設(shè)計了設(shè)備艙門將主要設(shè)備與人員艙隔開，但結(jié)構(gòu)與過渡艙完全相同。 要求：密封性中等，可靠性高，開關(guān)方便。 （ 2） 艙門結(jié)構(gòu)方案確定 方案一： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。 缺點：豎桿太長，鎖緊力大時可能導(dǎo)致其變形大，時間長了密封性會下降。接觸點少，密封性較 圖 52 六點鎖緊 圖 53 十字架行 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 差。十字架不在正確的位置時，不便于開啟。 方案 2： 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工和安裝方便，效率高，可靠性高。 對方案進行比較，發(fā)現(xiàn)采用雙點鎖緊結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，并且能夠滿足其中等密封要求，因而最終選用 齒輪齒條機構(gòu) 作為緩沖門的結(jié)構(gòu)方案。 、 應(yīng)急門方案 （ 1） 應(yīng)急門的基本要求 ： 要求：密封、隔熱、耐沖擊性能強，可靠性高，開啟方便，在透水深度不高于 1m 的情況下 能 方 便 進 出 ，最 小 面 積 不 小于 m2(248。650mm)。 （ 2） 應(yīng)急艙門方案確定： 根據(jù)密封性和運動性要求，選擇 曲柄滑塊 作為應(yīng)急艙門的最終結(jié)構(gòu)方案。 艙門結(jié)構(gòu)參數(shù)計算 艙門人機工程學(xué) 設(shè)計艙門尺寸 時，應(yīng)充分考慮人機工程學(xué)的要求，使人能夠方便快捷的開門關(guān)門，圖 55 齒輪齒條型 圖 56 曲柄滑塊 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 并提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動力。 結(jié)構(gòu)尺寸：根據(jù)強度要求，門應(yīng)該設(shè)計的尺寸小一點，但為了方便進出，門的上緣高度選擇盡量高一點（ 1500mm，該尺寸受總高度的限制），下緣離艙體底部 25mm，防止透水早期開門時進水。實際艙門高度 1250mm，結(jié)構(gòu)強度明顯提高，又不影響進出 。 手輪高度：根據(jù)人機工程學(xué)的觀點，人在屈曲或彎腰時比直立時輸出的扭力大，因此外部艙門位置可適當(dāng)偏低點好。選在門的中間，手輪離底部高度 650mm。 人在此高度所能 提供的扭力：根據(jù)人機工程學(xué)知識 雙臂做扭轉(zhuǎn)操作時一般可分為身體直立雙臂扭轉(zhuǎn)、身體屈曲雙手扭轉(zhuǎn)和彎腰雙手扭轉(zhuǎn)三種不同的姿勢。其中身體直立雙手扭轉(zhuǎn) 較長 把手時男人的扭力為 N127381? ，女子的扭力為 N78200? ；身體屈曲雙手扭轉(zhuǎn)時男子的扭力為 N244544? ，女子的扭力為 N138267? 。有些把手很短時需要彎腰操作據(jù)測量彎腰雙手扭轉(zhuǎn)時男人的扭力為 N335943? ，女子的扭力為N196416? 。由于在礦下工作的都為男性，并且根據(jù)手輪高度，人在操作各種艙門時，都處于屈曲或彎腰狀態(tài)，因此，選擇人所能提供的扭力為 600N。 、主艙門結(jié)構(gòu)計算： （ 1） 、為達到密封要求所需正壓力計算： 根據(jù)艙體 尺寸選擇們的基本尺寸為： 高度 1250mm，寬度 650mm，門框?qū)挾?50mm。鎖緊機構(gòu)主要材料選取 45 鋼 ， M P aM P a sb 3 5 5,6 4 0 ?? ?? ， 所選密封橡膠的彈性模量為 2MPa，尺寸為 寬 10mm，厚 20mm。為達到密封要求 ，密封圈壓縮 量 mmL 3?? 。鎖緊裝置 所需 提供 壓力： 由公式 FLL EA?? 得， 3L mm?? ， 20L mm? ， 2E MPa? ， 22(125 0 650 ) 2 10 10Am ?? ? ? ? ? ?KNL LEAF 26 ???????? ? 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 對于 4 點密封門， 為達到密封要求 每個