【正文】 ................................................................................58 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 研究井下救生艙的意義 我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，但是，我國的煤炭開采帶來的人身傷亡率也是最高的，礦難事故的頻繁發(fā)生不僅給人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來了巨大損失，同時(shí)也嚴(yán)重影響了礦業(yè)的生產(chǎn)和社會(huì)的和諧發(fā)展。 我國 煤礦各類事故頻發(fā)，導(dǎo)致煤礦事故死亡人數(shù)占世界首位，煤炭生產(chǎn)百萬噸死亡率橫向比較仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平，而目前我國煤礦井下使用的救生設(shè)備的技術(shù)還跟不上， 一旦發(fā)生礦難，礦工的逃生幾率很小， 因此急需一種有效的救生設(shè)施來盡量避免在發(fā)生礦難是所造成的損失。 國內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究成果 國外一般規(guī)定，避難所的類型由煤礦企業(yè)根據(jù)自身的特點(diǎn)自主選擇，以滿足礦工避險(xiǎn)需要為原則。 研究分析南非、美國、加拿大和澳大利亞隊(duì)礦山井下避難所的法律規(guī)定和做法，可以發(fā)現(xiàn)，建立井下避難所。井下避難所應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的全覆蓋，選擇避難所的類型時(shí)應(yīng)考慮所服務(wù)區(qū)域的特點(diǎn)及可能發(fā)生的主要災(zāi)害類型。避難所應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有下井人員的全容納，包括生產(chǎn)人員、管理人員及可能出現(xiàn)的臨時(shí)人員。避難所應(yīng)由專人管理，確保始終完好、時(shí)刻能用，并將避難所安全使用作為員工培訓(xùn)和應(yīng)急演練的重要內(nèi)容，確保人人會(huì)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，國內(nèi)有十幾家企業(yè)、單位在進(jìn)行礦用救生艙的研制工作。 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 設(shè)計(jì)參數(shù)要求 救生艙在井下工作，為礦工在發(fā)生礦難時(shí)提供一個(gè)可以臨時(shí)躲避的空間，由于礦難發(fā)生后，井下條件十分惡劣，因此對(duì)救生艙的技術(shù)要求較高 。 圖 31救生艙 外形圖 整體尺寸設(shè) 計(jì) 救生艙應(yīng)該滿足的 條件： ① 由于救生艙安置在巷道內(nèi)，并且在配置前需要做防爆試驗(yàn)，因此巷道尺寸限制了救生艙的尺寸 。 ④ 應(yīng)急艙門面積不小于 。 （ 2）艙體由緩沖艙、人員艙和設(shè)備艙三個(gè)部分構(gòu)成。 救生艙結(jié)構(gòu)要求： （ 1）由主艙門、與人員艙之間的過渡艙門和艙室構(gòu)成 （ 2）主艙門：向外開啟。 （ 3）緩沖艙與人員艙的過渡艙門：開啟方向由緩沖艙開向人員艙。 （ 4）設(shè)備艙與人員艙的 過渡艙門：開啟方向由設(shè)備艙開向人員艙。 救生艙內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì) （ 1）艙內(nèi)凈寬度 mm1400 。 （ 3）基于模塊化設(shè)計(jì)的思想，將緩沖艙設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立封閉結(jié)構(gòu)。其長度根據(jù)艙內(nèi)設(shè)備需求，確定為 mm900 。 （ 5）艙體下部設(shè)置滑靴（或 滾輪 ）進(jìn)行牽 引 。 ② 每人座椅 寬度 ，一邊坐 6個(gè)人，座椅總長度為 m3 。 6段 = ② 方案二：每段長度 800mm。 5段 = （ 3） 700mm方案比 較： 優(yōu)點(diǎn) :每段長度較小，有利于提高艙體剛度和強(qiáng)度， 并且運(yùn)輸方便 ，對(duì)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 。 結(jié)論： 選用 mm700 方案 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 32 單節(jié)艙體尺寸 如上圖所示為單節(jié)生存艙的結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)上面論述，得出下列結(jié)論：生存藏內(nèi)部凈尺寸為： mmmm 1 8 0 01 4 0 0 ??? 高寬 ， 艙體材料選擇 45鋼，壁厚為 12mm，其 強(qiáng)度和剛度要求在下一章中進(jìn)行校核，為加強(qiáng)艙體在受壓時(shí)的剛度，在艙體四周布置加強(qiáng)肋板，肋板材料選用熱軋槽鋼，在艙體縱向接橫向均需布置。 計(jì)算救生艙艙體的外部尺寸為： 外部總高度： mmh 19002382121800 ?????? 外部總寬度： mmb 15002382121400 ?????? 救生艙總長度： mml 6 3 0 02 4 09 2 04 2 0 09 4 0 ????????? 手輪緩沖艙生存艙設(shè)備艙 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 艙體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 圖 33 艙體外廓設(shè)計(jì)圖 圖 34 艙體內(nèi)部設(shè)計(jì)圖 （ 1） 單元組合式結(jié)構(gòu)： 1）便于根據(jù)需要增減單元； 2）可拆分運(yùn)輸，滿足井下運(yùn)輸要求； 3）模塊化設(shè)計(jì)，便于標(biāo)準(zhǔn)化； （ 2）殼體：基板內(nèi)外側(cè)分別焊接加強(qiáng)元素，強(qiáng)度和剛度可以得到有效加強(qiáng)； 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 3）逃生門：艙體兩端分 別設(shè)計(jì) 安裝防爆防水閣氣門，其中一端為緊急逃生門； （ 4） 緩沖艙：設(shè)在主門與人員艙之間，與人員艙經(jīng)隔氣門隔開，內(nèi)設(shè)干式座便及氣幕系統(tǒng)； （ 5） 人員艙：圖列為可容納十二人結(jié)構(gòu)，由六節(jié) 700mm、長標(biāo)準(zhǔn)單元艙連接而成，內(nèi)寬 1400mm，高 1780mm，六瓶供氧氧氣瓶置于人員艙遠(yuǎn)離主艙門端，個(gè)檢測裝備固定于艙體內(nèi)壁； （ 6） 設(shè)備艙：兩個(gè)分體制冷控溫水柜分別立于艙內(nèi)兩層中間保留 500mm寬的人員逃生通道，廢氣吸附過濾系統(tǒng)也置于該艙；艙內(nèi)供電蓄電池裝在聯(lián)通外部的緊急逃生門下，設(shè)備艙與人員艙之間直接連通，由三節(jié) 700mm標(biāo)準(zhǔn)艙構(gòu)成。應(yīng)急艙門一般不開啟，當(dāng)主艙門無法開啟時(shí)，或在水淹一定高度情況下供人員進(jìn)出。其中緩沖艙和設(shè)備艙單獨(dú)設(shè)計(jì)，生存艙分節(jié)設(shè)計(jì)， 然后用螺栓將各段艙體連接起來， 這樣便于不同型號(hào)的救生艙進(jìn)行裝配， 又有利于各部件的運(yùn)輸和提升 ,并且對(duì)救生艙的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化有重大意義。生存艙內(nèi)部凈尺寸為凈寬度1400mm，凈長 1800mm。其 結(jié)構(gòu) 示意圖如下： 艙體四周用 mm12 的 45 鋼鋼板沖壓而成，每兩節(jié)艙體之間由法蘭盤相連接，為達(dá)到密封性要求， 圖 41 人員艙結(jié)構(gòu)圖 河南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 法蘭盤之間鑲嵌密封材料，通過螺栓將將兩節(jié)艙體連接在一起。 為了提高艙體的剛度，在艙體的四周布置加強(qiáng)肋板。當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，空氣沖擊波的壓力十分強(qiáng)大，根據(jù)上述第二章中救生艙的技術(shù)要求，需要 抗擊 2MPa 的爆炸沖擊，因此 對(duì)救生艙的強(qiáng)度和剛度要求比較高，為了但又不能單純的依靠增加壁厚來提高其強(qiáng)度和鋼度，如果壁厚過厚，則造成救生艙 質(zhì)量增加，不僅為救生艙的生產(chǎn)制造造成困難，并且使救生艙難以運(yùn)輸，提升和裝配。 橫向變形量即在救生艙受到爆炸沖擊時(shí)，艙壁由于沖擊波作用所發(fā)生的凹陷應(yīng)小于救生艙總長 的 )%(1 mm 。 根據(jù)上述救生艙的剛度要求，需要在救生艙的四周即橫向和縱向上都布置加強(qiáng)肋板。橫向方向，初步布置 4 條肋板，即每相距 20cm 布置一條，艙體頂部布置兩根肋板，均勻布置。 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(shí)，其瞬間壓力可達(dá) MPa2 ，當(dāng)該壓力作用在救生艙的一側(cè)面時(shí)，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(gè)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(jì)（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(jì)算為各面積對(duì)其自身形心軸的慣性矩，需要通過平行位移公式計(jì)算出其對(duì)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(duì) 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(jì)（論文） 15 22 ???????? 4517cm? 根據(jù)懸臂梁在受均布載荷時(shí)的彎曲變形公式計(jì)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。橫向受載時(shí)，其受力模型相當(dāng)于簡支梁受均布載荷。 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(jì)算其各部分面積對(duì)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(jì)算為各面積對(duì)其自身形心軸的慣性矩，需要通過平行位移公式計(jì)算出其對(duì)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(duì)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(jì)（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(shí)的彎曲變形公式計(jì)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。兩節(jié)艙體之間選用螺栓連接的方式，可靠性高，便于裝配。 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(jì)（論文） 18 3l mm?? ，密封材料厚度 20L mm? 。 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(jì)（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(bǔ)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(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)的條件為： 221 []4caFd????? 選 擇螺栓材料為 235Q ，性能等級(jí)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(jì)算螺栓危險(xiǎn)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(zhǔn)（ 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。 、 主艙門方案 : （ 1） 主艙門的 基本 要求 : 向外開啟。 （ 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。 缺點(diǎn)：鎖緊點(diǎn)較少，密封效果可能受到影響。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要求制造精度較高，否則可靠性較差。 、 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?cè)O(shè)計(jì)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。 （ 2） 艙門結(jié)構(gòu)方案確定 方案一： 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。接