矿用救生舱生存舱的结构设计及力学校核

郭正达

（西山煤电集团德威矿业管理公司德顺煤业公司，山西 孝义 032300）

·试验研究·

矿用救生舱生存舱的结构设计及力学校核

郭正达

（西山煤电集团德威矿业管理公司德顺煤业公司，山西 孝义 032300）

矿用救生舱采用模块化组装式结构，由主舱、生存舱、辅助舱等部件组成，模块之间采用螺栓连接，煤矿可根据工作面实际情况选取相适应规格的救生舱。本文根据矿井普遍情况，对救生舱中生存舱的结构进行了设计比选和力学校核，得出这个结构完全可以满足生存舱的设计要求，符合设计标准，通过对救生舱生存舱的设计，为国内煤矿紧急避险系统构建提出指导性依据，为今后矿用救生舱的标准化提供了理论依据。

矿用救生舱；生存舱；设计标准

矿用可移动式救生舱主要由主舱、生存舱、辅助舱等部件组成（见图1）；另配有空调装置、压缩空气瓶、压缩氧气瓶及瓶架、空气处理箱、便携式多参数测定器、通讯系统、食物贮藏柜、急救箱、集便器、照明灯具及开关等功能性部件或组件。救生舱具有环境检测、呼吸环境再造、温湿度保持、生命保障、通讯与照明、动力保障系六大保障系统。救生舱适用于各类型煤矿和非煤矿山矿井，主要用于矿工在井下发生瓦斯（煤尘）爆炸、冒顶塌方、火灾阻隔、冲击地压等灾害事故受困情况下的紧急避灾待救，满足井下采掘作业队、班组为单位人员的快速避灾救护需求。紧急避险设施与矿井安全监测监控、人员定位、压风自救、供水施救、通信联络等系统相配合，形成井下整体性的安全避险系统。

图1 救生舱结构示意图

1 模块设计思路

救生舱整体采用模块化设计，将救生舱分为3个部分：缓冲仓、生存舱、设备舱。3种舱体分别单独设计，其中生存舱分节设计，之后用螺栓或其他连接件将各节舱体紧固连接起来，形成生存舱，这样可以增加舱体的承载能力，而且方便运输和安装，并且对救生舱的系列化和标准化有重大意义。

2 生存舱结构设计比选

生存舱内部净尺寸为净宽度1 400 mm、净高度1 900 mm，设为定值（断面积为2．66 m2），每节生存舱要求空间V≥10．56 m3，每节由4～6段生存舱舱体通用段组成。

现对其通用段长度进行比选：

方案一：每段长度700 mm，由体积可知要求长度4 m，计算出要求6段同用段。

方案二：每段长度800 mm，由体积可知要求5段通用段。

方案三：每段长度900 mm，由体积可知要求5段通用段。

对3种方案进行比选：要求每段长度尽量小，所用通用段数目尽量少，这样既可以增加抗压能力，也方便运输安装。经比选，最终选用方案一，每段长度适中，有利于提高舱体刚度和强度，并且运输方便，对巷道的适应性强（小巷道通过能力强），模块化扩展方便，有利于标准化、系列化。

生存舱通用段结构示意图见图2：净宽度1 400 mm、净高度1 900 mm，长度800 mm。

图2 生存舱结构示意图

舱体四周用12 mm的45钢钢板冲压而成，每2节舱体之间由法兰盘相连接，为达到密封性要求，法兰盘之间镶嵌密封材料，通过螺栓将两节舱体连接在一起。其中法兰盘的尺寸为厚度30 mm，宽度90 mm，布置在舱体的四周。为了提高舱体的刚度，在舱体的四周布置加强肋板。肋板选用槽钢，焊接在舱体外轮廓上，查阅金属材料手册选用10＃槽钢作为加强肋板，其主要结构尺寸见表1。

表1 10＃槽钢结构尺寸表

3 校核其纵向刚度

救生舱受力模型可简化为一悬臂梁，该梁受均布载荷作用：当爆炸发生时，其瞬间压力可达2 MPa，当该压力作用在救生舱的一侧面时，相当于该侧面受到均布载荷作用，该载荷大小：

q=2×106Pa×0．8 m=1．6×106N／m舱体在受弯方向的横截面见图3，可分为4部分组成，分别求各部分的惯性矩。

图3 舱体受弯方向截面图

第1部分、第2部分为矩形，其惯性矩为：

第3部分为矩形，其惯性矩为：

第4部分为槽钢，其惯性矩由表1可以查出：

上述计算为各面积对其自身形心轴的惯性矩，需要通过平行位移公式计算出其对弯矩梁本身中性轴的惯性矩。

第3部分的面积为：

第4部分面积查表可得：

第3部分惯性轴距离截面中性轴距离为：

第4部分槽钢惯性轴距离截面中性轴距离为：

则该横截面对y轴总的惯性矩为：

根据悬臂梁在受均布载荷时的弯曲变形公式计算其顶端最大变形量：

式中：

q=1．6×106N／m，l=1．9 m，I=887．78×2= 1 775．56 cm4，舱体材料选用45钢，其弹性模量E= 206 GPa。

将上述数据代入公式可得舱体的最大变形量为：

变形量0．71 cm小于舱体总高度的1%（1．9 cm），故其刚度满足使用要求。

4 横向刚度的校核

同救生舱的纵向刚度一样，其横向也同样受到了近似均匀的载荷，故在其横向方向上同样布置了加强肋，还选用10＃槽钢，横向受载模型可以简化为简支梁均匀受载荷，受力分布图见图4。

图4 舱体横向受力模型示意图

在受载的一侧面的平面部分均匀布置10＃槽钢加强肋板，其截面形状图见图5，每两个肋板之间距离相隔为20 cm，布置4块加强肋板。

图5 舱体横向截面图

该侧面所受的均布载荷大小为：

根据图5所示的简直梁截面，计算其各部分面积对中性轴的惯性矩：

第1部分为矩形，其惯性矩为：

第1部分面积为：

第2部分与第3、第4、第5部分同为槽钢，根据槽钢主要结构尺寸表，查得：

第2、第3、第4、第5部分的面积为：

上述计算为各面积对其自身形心轴的惯性矩，需要通过平行位移公式计算出其对弯矩梁本身中性轴的惯性矩：

第1部分矩形的惯性轴距离中性轴的距离为：

第2部分槽钢的形心轴距离惯性轴的距离为：

则该横截面对中性轴总的惯性矩为：

根据简支梁在受均布载荷时的弯曲变形公式计算其顶端最大变形量：

式中：q=2．8×106N／m，l=0．7×6=4．2 m，I= 1 383．4 cm4，舱体材料选用45钢，其弹性模量E= 206 GPa，将上述数据代入公式可得舱体的最大变形量为：ωmax==0．039 8m，变形量3．98 cm，小于总长度的1%（4 cm），故其刚度满足使用要求。

5 结 论

本文通过设计比选，设计救生舱生存舱通用舱净宽度1 400 mm、净高度1 900 mm，长度800 mm，通过校核其纵向刚度和横向刚度，得出这个结构完全可以满足生存舱的设计要求，符合设计标准，为今后矿用救生舱的标准化提供了理论依据。

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Structure Design and Mechanics Checking of Survival Space of Mine Rescue Capsule

Guo Zheng-da

Mine rescue capsule adopts modular assembly type structure．It is composed of the parts such as the main cabin，the survival cabin，the auxiliary cabin and so on．It adopts bolt connection between modules．According to actual situation of the working face in coal mine can select adapted specifications rescue capsule．According to the common condition of mine，the survival space structure of rescue capsule is designed，compared and selected as well as mechanical check，concluded that the structure can satisfy the design requirement of survival space completely，accord with the design standards．Through the design of survival cabin of capsule，puts forward guidance basis for the build of emergency action system in domestic coal mine，for the future standardization of mine rescue capsule provides a theoretical basis．

Mine rescue capsule；Survival space；Design standards

TD77+4

B

1672-0652（2013）09-0011-03

2013-06-16

郭正达（1963—），男，山西交城人，1984年毕业于大同煤校，工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作（E-mail）112814471＠qq．com