矿用救生舱舱体结构设计与分析

咸士玉，张晓升，王永岗，王武魁，李 凯

(长治清华机械厂， 山西 长治市 046012)

矿用救生舱(以下简称救生舱)是煤矿井下安全避险“六大系统”中紧急避险设施的重要装备，是国家安监总局、煤矿安监局要求各煤矿必须配备的安全装备。救生舱能够为矿难发生后被困的幸存人员提供躲避爆炸冲击、有毒有害气体及其它伤害的避险空间。这对于保障矿工生命安全，将矿难造成的损失降到最低，促进煤矿安全生产具有十分重要的意义[1-3]。

救生舱舱体作为避险人员的第一道防护屏障，是救生舱最主要的组成部分。矿难发生时，瓦斯爆炸、煤尘爆炸会对舱体产生很大的爆炸冲击力；同时，可能伴有顶部坍塌等现象。因此，要保证救生舱应有的防护功能，舱体必须具备抗冲击、抗压、高强度及高刚度等性能[4-6]。

1 救生舱舱体结构方案的提出

1.1 救生舱舱体结构设计原则

由于我国煤矿井下巷道尺寸普遍比较狭小，为了降低救生舱井下运输与安装的难度，提出了模块化分段式的设计理念。因此，在进行方案设计时，为了节约时间成本，首先对各方案的单个舱段进行了有限元仿真计算分析与比较，确定最佳方案，最后对最佳方案的整舱进行应力和变形计算。

救生舱舱体设计可承受压力为0.5 MPa，假设均匀作用于救生舱舱体的外表面上；根据救生舱所处的实际工作环境以及舱内生存空间的基本设计要求，提出模块化舱段的方案和结构形式。综合考虑焊接性能和强度要求，舱体结构件材料选用碳素结构钢Q345A。

1.2 模块化舱段的结构方案

方案一：采用90 mm×40 mm×5 mm的矩形管+局部加强筋(δ10钢板)焊接成骨架+蒙皮(δ6钢板)，单个舱段外形尺寸为1000 mm×1500 mm×1800 mm，重量为0.85 t(见图1)。

图1 方案一舱段模型

方案二：主梁(δ12钢板折弯件)+加强筋(40×40方钢)焊接成骨架+端面法兰(δ30钢板)+蒙皮(δ6钢板)，单个舱段外形尺寸为1000 mm×1500 mm×1800 mm，重量为0.86 t。

图2 方案二舱段模型

方案三：舱段采用厚度为6 mm的钢板冷冲压成瓦楞板作为舱体的面板，与端面法兰(δ30钢板)、中间法兰(δ40钢板)焊接而成，单个舱段外形尺寸为1000 mm×1500 mm×1800 mm，重量为0.81 t。

图3 方案三舱段模型

2 有限元仿真计算与分析

2.1 不同模块化舱段方案分析与比较

本文通过Pro/E软件分别建立3个方案的实体模型，然后将实体模型导入到有限元分析仿真软件ANSYS Workbench中，进行仿真计算分析[7]。其中，网格划分采用程序默认的单元进行网格划分，在舱体底部加载固定约束，两端面加载无摩擦支撑约束，侧面及顶部施加0.5 MPa的载荷，进行应力及变形计算。表1为3种模块化方案计算分析数据输出，图4～图6为3种模块化方案应力和变形分布云图。

表1 三种模块化方案计算数据输出

图4 方案一应力和变形分布云图

图5 方案二应力和变形分布云图

图6 方案三应力和变形分布云图

通过计算结果的比较，方案二的最大应力已超过了Q345的屈服强度，该结构在同等条件下不能满足基本的抗压要求；方案一和方案三在同等条件下具有良好的抗压效果，且舱体变形较小，但方案一相对于方案三局部加强筋较多，焊接量大，工人劳动强度高，且各舱段焊后外形尺寸很难保证一致，实施比较困难。方案三冷冲压瓦楞面板自然形成的加强作用，具有很高的强度，不必焊接局部加强筋，焊接量相对较小。因此，方案三为模块化舱段的最佳方案。

2.2 最佳方案整舱模拟计算

以KJYF-96/8救生舱(8人舱)为例进行整舱模拟计算，该型号产品主要由10个舱段组成，前后封头板厚度为30 mm，前后门板厚度为25 mm。在进行计算时，在舱体底部加载固定约束，其余面施加0.5 MPa载荷，进行应力及变形模拟计算，图7为最佳方案整舱应力分布云图，图8为最佳方案整舱总变形位移图。

图7 最佳方案整舱应力分布云图

从整舱模拟计算应力分布图来看，整舱最大应力为342.42 MPa，低于舱体所选材质Q345的屈服强度；从整舱总变形位移图来看，最大变形为5.02 mm，变形较小。因此，救生舱防爆抗冲击舱体结构采用独特的冷冲压瓦楞面板结构具备抗冲击、抗压、高强度和高刚度等性能，同时，还大大减轻了整舱重量，降低了生产成本。

图8 最佳方案整舱总变形位移

3 结 论

(1) 舱体采用模块化分段式的设计理念，降低了救生舱井下运输、安装的难度。

(2) 独特的冷冲压瓦楞面板结构,具备抗冲击、抗压、高强度和高刚度等性能，同时，还大大减轻了整舱重量，降低了生产成本。超强瓦楞面板结构舱段现已成功应用于10人舱、12人舱、16人舱等多个型号救生舱产品。

(3) 通过对不同设计方案舱段结构进行计算分析与比较，确定了最佳方案为冷冲压瓦楞面板舱段结构，为矿用救生舱舱体结构的研制提供了一种抗冲击、抗压、高强度的新型结构。

参考文献：

[1]杨大明.关于井下紧急避险系统设计的探讨[J].煤炭安全，2011，43(1)：118-121.

[2]汪 声，金龙哲，栗 婧.国外矿用应急救生舱技术现状[J].中国安全科学生产技术，2010，6(4)：119-123.

[3]刘述慈，金龙哲，栗 婧，等.救生舱内化学氧使用特性的研究[J].建井技术，2011，32(1/2)：58-63.

[4]樊小涛.矿用救生舱抗暴性能试验研究[J].矿业安全与环保，2010，37(3)：25-30.

[5]王全海.矿用救生舱在塔山煤矿的试用[J].煤炭工程，2011(4)：112-115.

[6]高广伟，张禄华.煤矿井下移动救生舱的设计思路[J].中国安全生产科学技术，2009，5(4)：162-164.

[7]蒲广义.ANSYS Workbench基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010：72-93.