毕业设计--井下救生舱结构设计.doc

河南理工大学本科生毕业设计（论文） I 摘要摘要 本文的设计题目是“井下救生舱结构设计” 。随着我国经济的高速发展，对煤炭等能 源的需求量越来越大，而煤矿安全也越来越引起国家和企业的注意，井下救生舱的问世 将为煤矿井下矿工提供一种紧急避难场所，尽量减少矿难所带来的生命损失。本文对井 下救生舱在国内外的研究和应用状况进行了简单介绍，分析了在救生舱的结构设计时应 该注意的问题，自行设计了救生舱不同舱段之间连接的舱门，对舱门机构进行了运动分 析，并对救生舱轮廓尺寸，壁厚与加强肋板的布置，密封和隔热进行了详细的设计和力 学校核计算。 关键词：井下救生舱； 整体结构； 舱门； 设计计算 河南理工大学本科生毕业设计（论文） II Abstract The design topic of this paper is Design of underground life-saving cabin structure. With Chinas rapid economic development, the demand for coal and other energy increasing, while the coal mine safety has drawn increasing attention of the state and enterprises, will the advent of underground coal mine rescue chamber to provide a underground miners emergency shelter minimize loss of life caused by mining accidents. The research and application status of life-saving cabin in chian and abroad is introduction in this paper,it also includs the analysis of the structure in the life-saving cabin design should be pay attention to, to design a rescue capsule connection between the different cabin door, the door institutions of the movement, and life-saving module outline dimensions, wall thickness and the arrangement of costal board, sealing and insulation carried out a detailed check of the design and mechanical calculations. KeyKey wordswords: life-saving cabin; overall structure; cabin door; design calculation 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 1 目录目录 1 绪论1 1.1 研究井下救生舱的意义.1 1.2 国内外对该领域的研究成果.1 2 设计参数要求3 3 救生舱整体设计5 3.1、外形设计.5 3.2 整体尺寸设计5 3.2.1 救生舱应该满足的条件：5 3.2.2 舱体布局：6 3.2.3 救生舱结构要求：6 3.2.4 救生舱内部尺寸设计.6 3.2.5 通用段长度设计方案.7 3.3 舱体结构特点：9 4 生存舱结构设计11 4.1 舱体设计思路.11 4.2 生存舱结构设计11 4.2.1 初步确定舱体尺寸.11 4.2.2 加强肋板的布置12 4.2.3 纵向肋板刚度校核.13 4.2.4 横向肋板刚度校核.15 4.3 生存舱之间所用连接螺栓的尺寸的确定17 5 救生舱舱门设计20 5.1、救生舱舱门方案确定：.20 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 2 5.1.1、主舱门方案:.20 5.1.2、过渡舱门结构方案：21 5.1.3、应急门方案22 5.2 舱门结构参数计算22 5.2.1 舱门人机工程学22 5.2.2、主舱门结构计算：23 5.2.2 缓冲门结构计算34 5.2.3 紧急门结构计算40 5.3 结论50 6 舱体其他设计52 6.1 舱体密封材料52 6.1.1 舱体密封技术目标52 6.1.2 密封部位包含以下部位：.52 6.1.3 密封材料确定52 6.2 隔热材料54 6.2.1 舱体隔热技术要求.54 6.2.2 保温部位：54 6.2.3 保温材料选择54 致谢57 参考文献58 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 1 1 绪论绪论 1.1 研究井下救生舱的意义研究井下救生舱的意义 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，但是，我国的煤炭开采带来的人身伤 亡率也是最高的，矿难事故的频繁发生不仅给人民的生命和财产带来了巨大损失，同时 也严重影响了矿业的生产和社会的和谐发展。在发生矿难后，如何有效拯救被困的井下 矿工成为了人们普遍关注的社会焦点问题。 我国煤矿各类事故频发，导致煤矿事故死亡人数占世界首位，煤炭生产百万吨死亡 率横向比较仍然远远高于世界平均水平，而目前我国煤矿井下使用的救生设备的技术还 跟不上，一旦发生矿难，矿工的逃生几率很小，因此急需一种有效的救生设施来尽量避 免在发生矿难是所造成的损失。因而救生舱的研究在近几年来受到国家和煤炭企业大力 重视，选择救生舱结构设计作为毕业设计课题，具有重要的实际意义。 1.2 国内外对该领域的研究成果国内外对该领域的研究成果 国外一般规定，避难所的类型由煤矿企业根据自身的特点自主选择，以满足矿工避 险需要为原则。目前，南非煤矿得宜避难硐室为主，较少使用可移动式救生舱；美国煤 矿以可移动式救生舱为主，共配备避难所 1193 台（个） ，其中软体式救生舱 1000 台，硬 体式救生舱 123 台，避难硐室只有 70 个；加拿大煤矿井下避难硐室与可移动式救生舱配 备比例约为 1:5，使用的可移动式救生舱以硬体为主；澳大利亚则使用“空气呼吸器+加 气站”的避险设施，灾害事故发生后，遇险人员佩戴随身携带的自救器，迅速跑到空气 呼吸器存放点换戴后逃生，对维持时间不足的空气呼救器，通过快速加气站加气，或者 换配后逃生。 研究分析南非、美国、加拿大和澳大利亚队矿山井下避难所的法律规定和做法，可 以发现，建立井下避难所。已是世界主要采煤国家的硬性法律规定和行政做法，并须从 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 2 矿井整体安全角度考虑避难所的布局、建设和管理。井下避难所应实现对矿井的全覆盖， 选择避难所的类型时应考虑所服务区域的特点及可能发生的主要灾害类型。设置时要考 4 方面因素，即所服务区域的特点（空间结构、危险源分布、作业类型等） ；灾变时期人 员抵达难易程度、所需时间；随身佩戴自救器的防护时间；岩体稳定性和支护有效性。 避难所应实现对所有下井人员的全容纳，包括生产人员、管理人员及可能出现的临时人 员。有效防护时间不低于 36-96h, 具体应根据矿井灾变时期应急救援所需时间来确定。 避难所应由专人管理，确保始终完好、时刻能用，并将避难所安全使用作为员工培训和 应急演练的重要内容，确保人人会用。 与国外相比，国内对矿用救生舱的研究起步较晚，其设计思路还不成熟，缺少必需 的实验和检验支持，更无行业标准可以依据。据不完全统计，到目前为止，国内有十几 家企业、单位在进行矿用救生舱的研制工作。其中北京科技大学承担的“十一五”国家 科技支撑计划对救生舱的研究进展较快，2008 年 7 月，在山西潞安集团模拟巷道内玩策 划你够了 4 人、96 小时的安全验证试验 综合分析国外可移动式救生舱的基本技术特点，可以发现以下共同特点：具备包括 气密性、隔热性、供氧等生存保障性能，以及有害气体去除、监测、通信指示等基本功 能，具体指标不同。 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 3 2 设计参数要求设计参数要求 救生舱在井下工作，为矿工在发生矿难时提供一个可以临时躲避的空间，由于矿难 发生后，井下条件十分恶劣，因此对救生舱的技术要求较高。根据煤炭工业矿井设计 规范GB 502152005， 煤矿安全规程2010 年版， 防治煤与瓦斯突出规定2009 年版， 矿山救助规程2009 年版，国家煤矿安全监察局煤矿井下避难所试点建设基 本要求 （煤安监司办 2010 年第 9 号） ，国家安全监管总局国家煤矿安监局关于建设完 善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知 ， （安监总（2010）146 号）等相关文献资料 规定，对井下救生舱提出以下技术要求： 表 2-1 救生舱技术参数表 项目参数要求 额定人数，人 12 额定防护时间，h96 抗冲击力，MPa1.5 抗爆炸冲击力，MPa2 瞬时耐高温能力（） ，0.2sC1200 舱外持续耐高温能力，C55 舱内持续温度，C322 舱内持续湿度85% 最大耐水压力，MPa 0.1 人均占有容积， 3 m 1.0 舱内正压力，Pa 200300 供电电压，V 380/660/1140 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 4 续表一： 救生舱技术参数表 项目参数要求 舱内设备启动时间，s20 舱内含量，% 2 O 18.5 23.0 舱内含量，% 2 CO 1.0 舱内含量，%CO 6 24 10 舱内含量，% 4 CH 1.0 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 5 3 救生舱整体设计救生舱整体设计 3.1、外形设计、外形设计 救生舱作为矿难发生后矿工们的紧急避难场所，需要固定在井下巷道内的某个位置， 因此其外形应该与巷道整体外形相匹配，根据查阅资料，类比市场上各厂商所生产的救 生舱， 舱体大体外形也采用长方体结构。 图 3-1 救生舱外形图 3.2 整体尺寸设计整体尺寸设计 3.2.1 救生舱应该满足的条件：救生舱应该满足的条件： 由于救生舱安置在巷道内，并且在配置前需要做防爆试验，因此巷道尺寸限制 了救生舱的尺寸。救生舱外廓最大宽度，高度mm1700mm2600 缓冲舱：体积不小于 3 2 . 1 m 主舱：人均净容积不小于，主舱容纳 12 人，总净容积不小于 3 8 . 0 m 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 6 ，考虑到的余量，设计净容积不小于。 3 0.8 12=9.6m10% 2 10.56m 应急舱门面积不小于。 2 0.3m 储存每天每人食物饮用水所占容积： 饮用水：LL72124/5 . 1人天天人 食物：（需换算成相应体积的压KJKJ240000124/5000人天天人 缩饼干） 3.2.2 舱体布局：舱体布局： （1）舱体结构采用分段组合式模块化设计。 （2）舱体由缓冲舱、人员舱和设备舱三个部分构成。 （3）救生舱包含主舱门、过渡舱门和应急舱门。 3.2.3 救生舱结构要求：救生舱结构要求： （1）由主舱门、与人员舱之间的过渡舱门和舱室构成 （2）主舱门：向外开启。要求操作方便，性能可靠，具有良好的气密和水密功 能，能够抵御 1200 度的瞬时（0.2s)高温和 60 度的持续高温。 （3）缓冲舱与人员舱的过渡舱门：开启方向由缓冲舱开向人员舱。要求具有良 好的气密功能，且开闭方便。 （4）设备舱与人员舱的过渡舱门：开启方向由设备舱开向人员舱。要求具有良 好的气密功能，且开闭方便。 3.2.4 救生舱内部尺寸设计救生舱内部尺寸设计 （1）舱内净宽度。mm1400 （2）舱内净高度。mm1800 （3）基于模块化设计的思想，将缓冲舱设计成一个独立封闭结构。该结构可以 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 7 应用于各种不同型号的救生舱。其长度根据舱内设备需求，确定为。mm900 （4）人员舱与设备舱由长度和结构相同的通用段组合而成。 （5）舱体下部设置滑靴（或滚轮）进行牵引。 3.2.5 通用段长度设计方案通用段长度设计方案 （1）已知条件： 人员舱净容积（2）由舱内净宽度，净高度， 3 56.10mmm1400mm1800 每人所需的最小净空间为，可算出人员舱最小净长度为， 3 8 . 0 m （取） 。ml19 . 4 )8 . 14 . 1 (56.10m2 . 4 每人座椅宽度，一边坐 6 个人，座椅总长度为。 （座椅的人机工程m5 . 0m3 学参数: ）mmm45. 045 . 0 45 . 0 （2）通用段长度的三种设计方案： 方案一：每段长度 700mm。6 段0.7=4.2m 方案二：每段长度 800mm。6 段0.8=4.8m 方案三：每段长度 900mm。5 段0.9=4.5m （3）700mm 方案比较： 优点:每段长度较小，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。 缺点：连接面多，组装工作量较大，密封面过多。 结论：选用方案mm700 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 8 图 3-2 单节舱体尺寸 如上图所示为单节生存舱的结构尺寸，根据上面论述，得出下列结论：生存藏内部 净尺寸为：，舱体材料选择 45 钢，壁厚为 12mm，其强度mmmm 18001400高宽 和刚度要求在下一章中进行校核，为加强舱体在受压时的刚度，在舱体四周布置加强肋 板，肋板材料选用热轧槽钢，在舱体纵向接横向均需布置。为了满足连接要求，每节生 存舱两端均需设置连接法兰，法兰之间通过螺栓连接来实现舱体的连接，初步确定法兰 盘的宽度为 90mm，厚度为 30mm，采用焊接的方式连接在舱体上，由于两节舱体连接时有 密封性要求，因此需要在法兰连接之间，加隔密封材料。 计算救生舱舱体的外部尺寸为： 外部总高度： mmh19002382121800 外部总宽度： mmb15002382121400 救生舱总长度： mml63002409204200940手轮缓冲舱生存舱设备舱 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 9 3.3 舱体结构特点：舱体结构特点： 图 3-3 舱体外廓设计图 图 3-4 舱体内部设计图 （1）单元组合式结构： 1）便于根据需要增减单元； 2）可拆分运输，满足井下运输要求； 3）模块化设计，便于标准化； （2）壳体：基板内外侧分别焊接加强元素，强度和刚度可以得到有效加强； 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 10 （3）逃生门：舱体两端分别设计安装防爆防水阁气门，其中一端为紧急逃生门； （4）缓冲舱：设在主门与人员舱之间，与人员舱经隔气门隔开，内设干式座便及气 幕系统； （5）人员舱：图列为可容纳十二人结构，由六节 700mm、长标准单元舱连接而成， 内宽 1400mm，高 1780mm，六瓶供氧氧气瓶置于人员舱远离主舱门端，个检测装备固定于 舱体内壁； （6）设备舱：两个分体制冷控温水柜分别立于舱内两层中间保留 500mm 宽的人员逃 生通道，废气吸附过滤系统也置于该舱；舱内供电蓄电池装在联通外部的紧急逃生门下， 设备舱与人员舱之间直接连通，由三节 700mm 标准舱构成。 （7）紧急逃生门防护段：下部安装制冷压缩机，上部为应急舱门，最低点离地高度 超过 1m。应急舱门一般不开启，当主舱门无法开启时，或在水淹一定高度情况下供人员 进出。 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 11 4 生存舱结构设计生存舱结构设计 4.1 舱体设计舱体设计思路思路 救生舱整体采用模块化设计，将救生舱分为三个部分：缓冲仓、生存舱、设备舱。 其中缓冲舱和设备舱单独设计，生存舱分节设计，然后用螺栓将各段舱体连接起来，这 样便于不同型号的救生舱进行装配，又有利于各部件的运输和提升,并且对救生舱的系列 化和标准化有重大意义。 4.2 生存舱结构设计生存舱结构设计 4.2.1 初步确定舱体尺寸初步确定舱体尺寸 （1）根据第四章中救生舱的整体尺寸设计可知。生存舱内部净尺寸为净宽度 1400mm，净长 1800mm。长度为 700mm。其结构示意图如下： 舱体四周用的 45 钢钢板冲压而成，每两节舱体之间由法兰盘相连接，为达到mm12 密封性要求， 图 4-1 人员舱结构图 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 12 法兰盘之间镶嵌密封材料，通过螺栓将将两节舱体连接在一起。其中法兰盘的尺寸 为厚度，宽度，布置在舱体的四周。为了提高舱体的刚度，在舱体的四周mm20mm90 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 号槽钢 作为加强肋板，其主要结构尺寸如下: 表 4-1 10 号槽钢结构参数表 尺寸（cm）参考数值型 号hbd 截面面积 2 cm 4 () x Icm 4 () y Icm 0( )z cm 10100485.312.74819825.61.25 4.2.2 加强肋板的布置加强肋板的布置 由于井下发生矿难时，条件十分恶劣，并伴随爆炸，塌方，透水等诱发灾害。当爆 炸发生时，空气冲击波的压力十分强大，根据上述第二章中救生舱的技术要求，需要抗 击 2MPa 的爆炸冲击，因此对救生舱的强度和刚度要求比较高，为了但又不能单纯的依 靠增加壁厚来提高其强度和钢度，如果壁厚过厚，则造成救生舱 质量增加，不仅为救生 舱的生产制造造成困难，并且使救生舱难以运输，提升和装配。因此合理的布置加强肋 图 4-2 槽钢结构示意图 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 13 板就易发显得意义重大， 救生舱在受到冲击时，其刚度条件要求救生舱的变形量不能太大，最大变形量必须 保证小于整体尺寸的，并且横向，纵向对变形量都有要求。%1 横向变形量即在救生舱受到爆炸冲击时，舱壁由于冲击波作用所发生的凹陷应小于 救生舱总长的。)2 . 4%(1mm 纵向变形量即在救生舱受到爆炸冲击时，舱体整体在高度方向上的最大变形挠度小 于其总高的的。)9 . 1%(1cm 根据上述救生舱的刚度要求，需要在救生舱的四周即横向和纵向上都布置加强肋板。 纵向方向，每节生存舱之间布置一条肋板，肋板分布在救生舱中间。横向方向，初步布 置 4 条肋板，即每相距 20cm 布置一条，舱体顶部布置两根肋板，均匀布置。其刚度校 核在下一节中计算。 4.2.3 纵向肋板刚度校核纵向肋板刚度校核 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，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，MPa2 该载荷大小: mNmpaq/104 . 17 . 0102 66 舱体在受弯方向的横截面如图所示，可分为 4 部分组成，分别求个部分的惯性矩： 图 4-3 舱体纵向截面图 第一部分为矩形，其惯性矩为： 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 14 4 33 1 5 . 364 12 93 12 cm bh I 第二部分为矩形，其惯性矩为 4 33 1 5 . 364 12 93 12 cm bh I 第三部分为矩形，其惯性矩为 4 33 1 216 . 9 12 2 . 164 12 cm bh I 第四部分为槽钢，其惯性矩由上表可以查出： 4 4 6 . 25 cmI 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： 第三部分的面积为 2 3 8 . 76642 . 1cmhbS 第四部分面积查表可得： 748.12 4 S 第三部分惯性轴距离截面中性轴距离为： mml5 3 第四部分槽钢惯性轴距离截面中性轴距离为 mml 8 . 27 2 . 15245 4 第三部分形心轴距离中性轴的距离为： 3 0.5lcm 第四部分形心轴距离中性轴的距离为： 4 2.78lcm 则该横截面对 y 轴总的惯性矩为： 2 444 2 33321 lSIlSIIII 总 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 15 22 78 . 2 748.12 6 . 255 . 0 8 . 76216 . 9 4 . 365 4 . 365 4 517cm 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： EI ql 8 4 其中：， ，舱体材料选用mNq/104 . 1 6 ml9 . 1 4 10342517cmI 45 钢，其弹性模量，将上述数据代入公式可得舱体的最大变形量为：GPaE206 cm EI ql 07 . 1 1034102068 9 . 1104 . 1 8 9 464 变形量小于舱体总高度的，故其刚度满足使用要求。)9 . 1%(1cm 4.2.4 横向肋板刚度校核横向肋板刚度校核 救生舱横向同纵向一样，也受到均匀载荷的作用，为了增加救生舱的刚度，在舱体 横向也需布置加强肋板，同样选取 10 号槽钢作为加强肋，其结构参数如上表所述。横向 受载时，其受力模型相当于简支梁受均布载荷。受力情况如下图： 图 4-4 舱体横向受力模型 在受载的一侧面的平面部分均匀布置 10 号槽钢加强肋板，其截面形状图如下图所示， 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 16 每两个肋板之间距离相隔为 20cm，布置 4 块加强肋板。 图 4-5 舱体横向截面图 该侧面所受的均布载荷大小为： 66 2 101.42.8 10/qPamN m 根据上图所示的简直梁截面，计算其各部分面积对中性轴的惯性矩： 第一部分为矩形，其惯性矩为： 33 4 1 140 1.2 201.6 1212 bh Icm 第一部分面积为： 2 1 140 1.2168Sbhcm 第二部分与第三第四第五部分同为槽钢，根据槽钢主要结构尺寸表，查得： 4 2345 25.6IIIIcm 第二、第三、第四、第五部分的面积为： 2 2345 12.748SSSScm 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： 第一部分矩形的惯性轴距离中性轴的距离为： 1 30.62.4lcmcmcm 第二部分槽钢的形心轴距离惯性轴的距离为： 2 31.521.48lcmcmcm 则该横截面对中性轴总的惯性矩为 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 17 22 111222 =4 ()IISlISl 总 22 201.6 168 2.44 (25.6 12.748 1.48 ) 4 1383.4cm 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： 4 max 5 384 ql EI 其中：，舱体材料选用 6 2.8 10/qN m0.7 64.2lm 4 1383.4Icm 45 钢，其弹性模量，将上述数据代入公式可得舱体的最大变形量为：GPaE206 464 max 9 55 2.8 104.2 3.98 384384 206 101383.4 ql cm EI 变形量小于总长度的，故其刚度满足使用要求。1%(4.2)cm 4.3 生存舱之间所用连接螺栓的尺寸的确定生存舱之间所用连接螺栓的尺寸的确定 由于生存舱是由模块化设计而成，每节生存舱的长度为，这样便于在巷道mm700 内运输，当救生舱的所有部件都运至安置位置后，需要在井下将单独的舱体连接起来， 成为一体。两节舱体之间选用螺栓连接的方式，可靠性高，便于装配。救生舱有严格的 密封性要求，因此，在舱体连接法兰之间需要镶嵌密封材料（密封材料规格为 ） ，根据理论计算当密封条的压缩量达到时，密封条件最=3020mmmm宽厚3mm 好，为达到上述压缩量，计算两法兰之间要求的压紧力为。F 法兰面的周长：1400 2 1500 17006000Cmm 密封材料面积为： 52 6000301.8 10ACbmmmmmm 所需压紧力： EA l F L 其中密封材料的弹性模量为，密封材料面积，压缩量2EMPa 52 1.8 10Amm 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 18 ，密封材料厚度。3lmm 20Lmm 则 6 2 100.18 3 54000 20 EA l FN L 螺栓的布置，查阅资料，对于有密封性要求的较高的的重要连接，螺栓的间距不得 大于下表所推荐的数值： 表 6-1 螺栓间距推荐使用表 工作压力/MPa 1.61.6 44 1010 1616 2020 30 螺栓之间的间距/mm 7d5.5d4.5d4d3.5d3d 注：表中为螺栓公称直径d 根据表中规定初步确定螺栓之间的间距为 100mm. 在法兰四周均匀布置螺栓，每个螺栓间距为 100mm，则整个法兰盘需要布置的螺栓 数目为： 6000 60 100 C n t （个） 分布到每个螺栓上的工作拉力为： 54000 900 60 F FN n 工作 根据单个螺栓受力情况，确定法兰间连接螺栓的尺寸： 为了保证连接的紧密性，防止连接受载后，结合面之间产生缝隙，因该使螺栓所受 的残余预紧力，根据参考资料，推荐使用的为：对于有密封性要求的连接， 1 0F 1 F 。 1 (1.5 1.8)FF 取残余预紧力为： 1 1.81.8 9001620FFNN 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 19 则螺栓的总拉力等于残余预紧力与工作拉力之和 21 =1620+900=2520FFFN 工作 考虑到螺栓在总拉力的作用下可能需要补充拧紧，故将总拉力增加已考虑 2 F30% 扭转切应力的影响，于是螺栓危险截面的拉伸强的条件为： 2 2 1 1.3 4 ca F d 选择螺栓材料为，性能等级为 4.6 的螺栓，由表差的材料的屈服极限235Q ，安全系数为，故螺栓材料的许用应力为240 s MPa4S 240 60 4 s MPa S 根据上式计算螺栓危险截面的直径（螺纹小径）为 2 1 4 1.34 1.3 2520 8.34 60 F dmm 按粗牙普通螺纹标准（GB/T 1962003）选用公称直径（螺纹小径12dmm ） 1 10.1068.34dmmmm 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度以及相应的螺母、垫片等结构尺 寸，可根据法兰厚度等约束条件根据螺栓性能表格选用。 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 20 5 救生舱舱门设计救生舱舱门设计 5.1、救生舱舱门方案确定：、救生舱舱门方案确定： 根据救生舱舱体的结构设计,整个舱体分为三个部分即:缓冲舱,生存舱和设备舱.相应 的救生舱应包含主舱门,缓冲门和应急舱门。 5.1.1、主舱门方案、主舱门方案: （1）主舱门的基本要求）主舱门的基本要求: 向外开启。要求操作方便，性能可靠，具有良好的气密和水密功能，够抵御 1200 度的瞬时（0.2s)高温和 60 度的持续高温。 （2）主舱门方案确定）主舱门方案确定: 鉴于以上分析，应在满足密封性要求的前提下， 尽量结构简单，工作可靠，这样也可以有效地控制成 本。我们认为设计了以下两种方案备选： 1)曲柄滑块机构(四点锁紧) 优点：结构简单，工作可靠性高；由于导轨的约 束强化作用，增强了立杆的高度。 缺点：锁紧点较少，密封效果可能受到影响。 图 5-1 曲柄结构 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 21 2）连杆机构(六点锁紧) 优点：接触点较多，密封均匀。 缺点：结构较复杂，要求制造精度较高，否则可 靠性较差。 综合上述多种舱门方案比较,由于曲柄滑块机构 结构简单,动作灵活可靠,可以达到主舱门关于气密和 水密的要求,因此最终确定曲柄滑块机构作为主舱门 的结构方案。 5.1.2、过渡舱门结构方案：、过渡舱门结构方案： （1）缓冲门的基本要求：）缓冲门的基本要求： 考虑到要减少热源、噪音源和整洁，我们设计了 设备舱门将主要设备与人员舱隔开，但结构与过渡舱 完全相同。 要求：密封性中等，可靠性高，开关方便。 （2）舱门结构方案确定）舱门结构方案确定 方案一：优点：结构简单，工作可靠。 缺点：竖杆太长，锁紧力大时可能导致其 变形大，时间长了密封性会下降。接触点少，密封性 较 差。十字架不在正确的位置时，不便于开启。 图 5-2 六点锁紧 图 5-3 十字架行 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 22 方案 2： 优点：结构简单，加工和安装方便，效率高，可靠性高。 对方案进行比较，发现采用双点锁紧结构简单，加工方便，并且能够满足其中等密 封要求，因而最终选用齿轮齿条机构作为缓冲门的结构方案。 5.1.3、应急门方案、应急门方案 （1）应急门的基本要求：）应急门的基本要求： 要求：密封、隔热、耐冲击性能强，可靠 性高，开启方便，在透水深度不高于 1m 的情 况下能方便进出，最小面积不小于 0.3 m2(650mm)。 （2）应急舱门方案确定：）应急舱门方案确定： 根据密封性和运动性要求，选择曲柄滑块 作为应急舱门的最终结构方案。 5.2 舱门结构参数计算舱门结构参数计算 5.2.1 舱门人机工程学舱门人机工程学 设计舱门尺寸时，应充分考虑人机工程学的要求，使人能够方便快捷的开门关门， 并提供适当的驱动力。 结构尺寸：根据强度要求，门应该设计的尺寸小一点，但为了方便进出，门的上缘 高度选择尽量高一点（1500mm，该尺寸受总高度的限制） ，下缘离舱体底部 25mm，防 图 5-5 齿轮齿条型 图 5-6 曲柄滑块 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 23 止透水早期开门时进水。实际舱门高度 1250mm，结构强度明显提高，又不影响进出。 手轮高度：根据人机工程学的观点，人在屈曲或弯腰时比直立时输出的扭力大，因 此外部舱门位置可适当偏低点好。选在门的中间，手轮离底部高度 650mm。 人在此高度所能提供的扭力：根据人机工程学知识双臂做扭转操作时一般可分为身 体直立双臂扭转、身体屈曲双手扭转和弯腰双手扭转三种不同的姿势。其中身体直立双 手扭转较长把手时男人的扭力为，女子的扭力为；身体屈曲双N127381N78200 手扭转时男子的扭力为，女子的扭力为;有些把手很短时需要N244544N138267 弯腰操作据测量弯腰双手扭转时男人的扭力为，女子的扭力为。N335943N196416 由于在矿下工作的都为男性，并且根据手轮高度，人在操作各种舱门时，都处于屈曲或 弯腰状态，因此，选择人所能提供的扭力为 600N。 5.2.2、主舱门结构计算：、主舱门结构计算： （1） 、为达到密封要求所需正压力计算：、为达到密封要求所需正压力计算： 根据舱体尺寸选择们的基本尺寸为：高度 1250mm，宽度 650mm，门框宽度 50mm。锁紧机构主要材料选取 45 钢， MPaMPa sb 355,640 所选密封橡胶的弹性模量为 2MPa，尺寸为宽 10mm，厚 20mm。为达到密封要求， 密封圈压缩量。锁紧装置所需提供压力：mmL3 由公式得， FL L EA ，3Lmm 20Lmm2EMPa 22 (1250650) 2 103.8 10Am KN L LEA F 4 . 11 02 . 0 003 . 0 108 . 3102 26 对于 4 点密封门，为达到密封要求每个着力点所需的力为: KNFF85 . 2 4 . 11 4 1 4 1 （2） 、计算驱动特性、计算驱动特性 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 24 在屈曲状态下的输出力为 600N。摩擦系数：静系 数 0.15，动系数 0.10.15，摩擦角5.43 度，不考 f 虑插销自身的变形，插销进 L，形成的对密封材料的 压缩量为： ，若 L=50mm，3.5 度，取楔 f LLtan f 角为。3.5 则。手轮直径 mmL05 . 3 5 . 3tan50 =400mm。 左图为主舱门在即将开启位置时的示意图。 对主舱门锁紧机构进行简化，并作受力分析，其 简化图形如下图所示，为一曲柄滑块机构：根据手轮 直径与门的尺寸，确定四杆锁紧机构各杆的尺寸为： ，。mmAB80mmCEmmBC17550801202650,120 根据对该机构进行 Pro/E 方针演示在机构刚开始运动时，由于压缩量小，所受阻力 非常小，人通过手轮所能提供的驱动力足以克服压紧时所需的阻力，因此，该机构启动 性能良好，当机构运行到一定角度时，压缩量逐渐增大，所需克服的阻力也随之增大， 因此需要手轮提供更大的驱动力才能锁紧门框，以达到密封要求，根据机构进行的运动 仿真，以 时开始为启动时校核驱动力是否能提供所需压紧力的位置。如下图，65A 当时，。65A78,37BACB 图 5-7 主舱门开启位置示意 图 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 25 图 5-8 启动位置受力分析图 1 、启动性能 （1）由手轮和曲柄的受力平衡式，人的正常扭力取=600（N） ，手轮直径 n F 。mm400 求 F1： 0 n 4 801 cos12FF （N） n 00 600 400 1766.75 4 80 cos124 80 cos12 F F （2）求阻力 在此位置，压紧杆 CE 主要受到密封材料受压缩时对其向上的反力，D 点支撑处 2 N 对其的支反力，以及，所产生的摩擦力。其受力分析如下图所示，图中 1 N 1 N 2 N 21, f f A 点距离轴的支撑处为 50mm，支撑的宽度 b=50mm： 图 5-9 受力分析图 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 26 列力的平衡方程： 10050 37sin 21 211 NN NNF 解得：，方向向上。方向向下。NNNN461,923 21 主动力： 0 d= 1 cos37 612.35()FFN 摩擦阻力： NNNfFf208)461923(15 . 0 )( 21 主动力远大于摩擦阻力，启动性能良好。 2 、锁紧时的动力性能 图 5-10 主舱门在即将锁紧时的示意图 当插销接触门框将密封材料压缩到所需密封量时，支撑所产生的摩擦阻力变得很小， 主要阻力来源是楔块的正压力和摩擦阻力，此时的受力分析如下图所示： 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 27 图 5-11 受力分析图 此时压紧杆所受到的支反力与摩擦力大小计算如下： NNNN2855,28505 . 3cos NfNFf25.42815 . 0 2855 5 . 3sin5 . 3cos 10050 21 21 f FNNN NN 解方程得： NNNN2820,5640 21 摩擦阻力： N fNNNfFf 16975 . 3cos2855 15 . 0 )28205640(15 . 0 5 . 3cos)( 21 正压力水平分量：NNF1745 . 3sin28555 . 3sin 水平 总的水平方向阻力：N1871 3 . 1741697 水平总 FFF ff 压紧时，手轮提供的驱动力： 当压紧杆运动到此位置时，手轮所能提供的驱动力也随着角度的减小而增大，ACB 下面就压紧杆运动到不同位置时的各种情况进行讨论，校核手轮所提供的驱动力是否能 提供所需密封要求时的压紧力。此时，压紧杆的受力分析图如下： 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 28 图 5-12 压杆受力分析图 分别就和时的两种情况进行受力分析：10ACB5ACB 当时，图中机构的各几何尺寸如下：10ACB 表 5-1 机构各几何尺寸 sinsinsin sin120sin10 sin 80 15 BCACAB BC AB LLL ACBAABC LACB A L A 此时手轮 提供的驱动力 为： N F F65.1774 65cos804 10cos 1 当时，图中机构的各几何尺寸如下：5ACB 表 5-2 机构各几何尺寸 ACBABCALABLBC 5167.57.580120 sin120sin5 sin 80 7.5 BC AB LACB A L A 可提供最大驱动力: N F F3452 5 . 77cos804 5cos 2 根据上述计算，当压紧杆锁紧时所提供的驱动力大于其压紧时的最大水平方向阻 2 F ACBABCALABLBC 101551580120 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 29 力。因此该机构无论是在启动位置还是压紧位置都能提供足够的压紧力密封。该曲柄滑 块机构满足主舱门的运动动力条件，可以作为主舱门的锁紧机构。 （3） 、计算压紧杆的直径：、计算压紧杆的直径： 1 、由杆的抗弯强度计算其直径 CE 杆的受力属空间力系，因此，选圆形截面杆。其抗弯截面模量为 3 32 d W 因为导向座的长度较大，DE 可以看做悬臂梁，端部在垂直方向的合力为 。NF2850 则 D 点所受最大弯矩： mmNmmNlFM DE 142500502850 max 选用压紧杆的材料是 45，许用弯曲应力， 1=60 aMP 1 max 1 W M mm M d 9 . 28 60 32 142500 32 33 1 max 则去 D 点处的直径为 30mm （4） 、根据稳定性确定、根据稳定性确定 BC 杆的横截面积杆的横截面积 BC 杆与 CD 杆在 C 处铰链，CD 杆的直径为 30mm。将 BC 杆做成矩形截面，根据 常规设计方法，C 点处为与压紧杆配合，将 BC 杆的尺寸初步定为，mmmmhb520 再按照压杆稳定性和挤压强度校核该尺寸是否符合动力要求。 CD 杆所受到的最大压力位置，在压紧杆最终达到锲块顶端，压缩量最大，压紧抗 力最大时。此时，BC 杆所受的最大压力即为 CD 杆的最大水平阻力。NF1871 BC 杆为二力杆，可简化为两端铰支，其长度因数，其承受的轴向压力为1 ，取稳定安全系数为。NF18718 st n BC 杆的最小横截面积惯性矩： 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 30 4 33 3 . 208 12 520 12 mm bh I BC 杆的惯性半径： mm A I i44 . 1 520 3 . 208 BC 杆的柔度为： 83 44 . 1 1201 i l 计算 45 钢的，查表可得：45 钢： 1 。MPaMPaGPaE sp 350,280,210 86 10280 10210 6 922 1 p E 比较两者柔度大小： 1 因此，不能使用欧拉公式来计算临界压力大小。 根据公式，计算 45 钢的。查表得：45 钢 b a s 22 ，则：MPabMPaaMPa s 568 . 2 ,461,350 2 .43 568 . 2 350461 2 b a s 可见 BC 杆的柔度介于和之间，属于中等系数压杆，需用直线公式计算其临界 1 2 压应力。根据公式可得： MPaba or 24883568 . 2 461 临界压力为： NAF or 24800)005 . 0 02 . 0 (10248 6 BC 杆的工作安全系数为： 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 31 st or n F F n13 1871 24800 max 满足工作要求。 确定 BC 杆的截面尺寸为：mmmmhb520 （5） 、销子的直径确定、销子的直径确定 链接销钉的破坏形式多为连接面被压溃或销钉被剪断，因此应该按照剪切强度和挤 压强度对销钉的截面尺寸进行校核。查表得 45 钢的许用剪切应力许用挤 ,80MPa 压应力为。MPa p 90 由挤压强度确定销钉尺寸： pp bd F mm b F d p 2 . 4 005 . 0 1090 1871 6 由剪切强度确定销钉的尺寸： 4 1 2 d F mm F d45 . 5 80 4 1 1871 4 1 由上述计算确定销钉直径为 6mm，则销钉能满足工作要求。 由销钉尺寸校核 BC 杆厚度是否满足挤压强度： 销钉与 BC 杆的有效挤压面积为： 2 3056mmhdA 则挤压应力为： MPaMPa A F p 90 3 . 62 100 . 3 1871 5 则 BC 杆厚度满足挤压强度。 （6） 、轴的支承处的螺栓尺寸计算、轴的支承处的螺栓尺寸计算 由于压紧杆的长度较长，为了增加杆的刚度，在杆的顶端设置支撑，并且此支撑还 河南理工大学本科生毕业设计（论文） 32 起着提供压紧力的作用。支撑采用剖分式滑动轴承，轴承宽，轴承与门板之50bmm 间采用螺栓链接，螺栓数目选用 4 个，轴承剖分面之间的连接也采用螺栓连接，数目为 4 个。根据上面计算的压紧时支撑处的支反力计算螺栓直径。 压紧时支承处的支反力为： NNNN2820,5640 21 其中方向向下，方向向上。 1 N 2 N 即门板与支撑之间所用链接螺栓所承受的总的最大工作载荷为： 5640FN 总 此载荷位于靠近压紧楔块处，主要由靠近楔块处的两个螺栓承担。则每个螺栓所承 受的工作载荷为： 11 =56402820 22 FFNN 总 门板与支承处之间的连接属于一般连接，并且工作载荷稳定，查阅资料，单纯受拉 伸载荷时，螺栓的残余预紧力，此处，选择残余预紧力： 1 (0.2 0.6)FF 1 0.40.4 28201128FFNN 则螺栓承受的总的拉伸力为： 21 2820 11284948FFFN 考虑到螺栓在总拉力的作用下可能需要补充拧紧，故将总拉力增加以考虑 2