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井下 移动式 煤矿 救生 舱舱体 结构设计 CAD

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摘要本文的设计题目是“移动式煤矿救生舱舱体结构设计”。近几年随着中国经济的快速发展，对于煤炭能源的需求量变得越来越大，煤矿坍塌事故也频繁发生。因此煤矿安全越来越引起国家、企业、以及工人们的关注，移动式煤矿救生舱将为煤矿井下矿工提供一种紧急避难场所，尽可能的保护工人的生命安全减少事故所带来的各项损失。本文对移动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，自行设计了救生舱舱体结构， 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：移动式煤矿救生舱；舱体结构；设计计算IVABSTRACTIn this paper, the design of the topic is portable coal mine rescue capsule hull structure design.With the rapid development of Chinas economy in recent years, the coal energy demand is becoming more and more big, the coal mine collapse also occurred frequently.And the coal mine safety is more and more aroused the concern of the state, enterprises and workers, portable coal mine rescue capsule will provide an emergency for coal mine underground miners refuge, as far as possible to protect workers life safety to reduce accidents caused by the loss.In this paper, the mobile capsule in domestic and foreign research and application status of simple introduction, analyzes the problems should be noticed in the structure design of capsule, designed the capsule hull structure, and the capsule outline dimensions, wall thickness and strengthen the floor layout, sealing and heat insulation check calculation has carried on the detailed design and mechanics.Key words: mobile mine capsule;The hull structure;Design calculation目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 研究井下救生舱的目的和意义11.2 国内外对该领域的研究成果21.2.1 国外移动式煤矿救生舱研究成果21.2.2 国内移动救生舱研究成果3第二章设计参数要求33.1外形设计4第三章 救生舱整体设计43.2 整体尺寸设计53.2.1救生舱应该满足的条件：53.2.2 舱体的整体布局：63.2.3 救生舱结构要求：63.2.4 救生舱内部尺寸设计63.2.5 通用段长度设计方案73.3 舱体结构特点：9第四章 生存舱结构设计104.1 舱体设计思路104.2 生存舱结构设计104.2.1 初步确定舱体尺寸104.2.2 加强肋板的布置114.2.3 纵向肋板刚度校核134.2.4 横向肋板刚度校核154.3 生存舱之间所用连接螺栓的尺寸的确定17第五章舱体密封及隔热材料的选定195.1 舱体密封材料195.1.1 舱体密封技术目标195.1.2 密封部位195.1.3 密封材料确定195.2 隔热材料225.2.2 保温部位：225.2.3 保温材料选择22结论26致谢27参考文献28第一章绪论1.1 研究井下救生舱的目的和意义目的：近几年来煤矿事故已经成为煤矿安全生产的“第一杀手”。从历史的角度来看：综合建国 65 年来看，全国发生一次性死亡百人以上的事故 25 起，占了全国百人以上事故的 16%。通过对比，煤矿非常容易发生事故，并且对矿工的生命安全用着严重威胁。从现实的角度来看:随着我国经济的发展需要，煤矿的开采量逐年增加，矿井的数量也在激增。因此煤矿带来的危害也逐年增加，需要对此重视起来。从经济方面来看：2013 年，阳煤集团寺家庄煤业公司“17” 瓦斯爆炸事故，死亡 7 人，直接经济损失 808.9 万元。从中可以看出煤矿事故给个人、企业、社会以及国家带来的严重危害。因此，为了人民、为了企业、为了国家搞好煤矿建设、搞好煤矿安全是时代所需，是刻不容缓的。应该切实增强做好煤矿事故防治工作的责任感和紧迫感。企业和国家也应该为矿工为提供一个安全的工作环境意义：最近几年来，因为我国政策支持力度的逐渐加大，对于煤矿安全也越来越重视，煤矿救生舱方面的研究也越来越成熟和得到完善。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，但是，我国的煤炭开采给工人们带来的人生灾难也逐渐增加，煤矿事故的不断发生不仅对旷工心里上、生活环境上还对其企业以及国家经济上造成严重的伤害，同时也阻碍了煤矿挖掘的进度，影响了企业的收益。总体来说一次煤矿事故带来的损失和伤害是不可估量的，也是不可挽回的。对此我们不可以坐以待毙，我们应该勇敢面对，安全责任重于泰山，要全力降低伤亡事故的发生。对于其中的问题我们应该积极想办法解决，最大减少以后事故的发生次数，以及所带来的损失。因为一个煤矿爆炸的发生就是一个个鲜活生命的消失、一个个家庭悲剧的开始、一个个社会和谐因素的消逝。所有的一切是无法用金钱来衡量和弥补的。事故的发生，它与井下避难设施的28完善、旷工所处的工作环境、旷工们的安全意识以及企业的监管力度等有着脱不开的关系。我们应该从事件发展的因来着手一一解决，国家、企业、个人应该对此问题给予重视，因为每次事故的发生都是一次血的教训。所带来的危害也是不可磨灭的，不仅是经济上的也是精神上。每次事故发生之后，不管是个人、企业还是国家都应该从中吸取教训，也应该积极从阴影中走出来，因为只有积极面对，解决问题才能尽量避免类似事故的再次发生。把心里的压力转变成我们工作执行的压力，将压力有效地传递下去。必须做到严格管理。改善的道路任重而道远，但是只要我们拥有永不放弃不怕失败的精神，我相信结果肯定是美好的。但是，目前我国煤矿事故频繁发生，导致煤矿事故死亡人数占世界第一位， 因为井下移动救生舱救可以大大减少煤矿事故中所带来的损失。因而煤矿救生舱的研究在最近几年来受到国家和煤炭企业的关注与重视，所以最终我大学毕业前的毕业设计的课题定为：井下煤矿救生舱舱体的结构设计。我相信我的设计会具有很大的实际意义。1.2 国内外对该领域的研究成果1.2.1 国外移动式煤矿救生舱研究成果国外所研发的救生舱类型是根据企业生产的需要。例如：生产环境的不同、救援人数的不同，这样针对性的研究及生产更有利于企业。国外一些发达国家的救生舱类型主要分以下几类：避难硐室、可移动式救生舱、“空气呼吸器+加气站”的避险舱。可移动救生舱又分为：软体式救生舱、硬体式救生舱。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，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。设置时要考虑 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。1.2.2 国内移动救生舱研究成果国内对于移动救生舱的研究相对国外一些发达国家相比比较落后，因为对于救生舱的研究近几年才得到广大群众、企业以及国家的重视，所以没啥经验也没有有用的理论知识支持。2012 年党的十八大就煤矿生产安全进行了重要讨论， 此后才开始逐渐研究起移动救生舱。刚开始缺少设计理念、缺乏设计经验设计上困难重重。但最后经过研究人员的不懈努力，当下国内对井下煤矿救生舱进行研究的研发单位已经有了十几家，也设计出了一些优秀的产品。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通过分析我们可以发现国内外的移动式救生舱都有相同的基本特征：都具备抗压、抗爆、隔热、密封条件良好、通讯畅通、温度调节、食物饮用水充足、有毒气体的去除等一些生存条件的保障，因为要求不同具体指标也不同。第二章设计参数要求救生舱被安置在巷道内，给井下的煤矿工人提供了一个可以临时躲避的地方，使他们的生命安全得到暂时的保障，可以给予救援队员多一些救援时间。因为发生煤矿事故后，事故现场将会十分混乱，各方面条件也会十分差，所以设计的救生舱应该满足各方面条件要求。例如：气密性、防水性、通讯系统、呼吸系统、强度要求、温度要求、抗冲击力等。对于这些要求，在不同环境下也有不同的要求。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 年版吗，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，（安监总煤装（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10额定防护时间，h 96抗冲击力，MPA 1.5抗爆炸冲击力，MPA 2瞬时耐高温能力（ 0.2s ）， C1200舱外持续耐高温能力， C 55舱内持续温度， C 32 2舱内持续湿度 85%最大耐水压力，MPA0.1人均占有容积， m31.0舱内正压力，Pa200300供电电压，V380/660/1140舱内设备启动时间，s 20舱内O2 含量，%18.5 23.0舱内CO2 含量，% 1.0舱内CO 含量，% 24 10-6舱内CH4 含量，% 1.03.1外形设计第三章 救生舱整体设计救生舱通常情况下为密闭性的舱体构造，可以容纳一定数量的逃生人员。依据详细的需要，具备良好的抗压性、抗爆性、结实性、隔热性、防水性、保温性、能源性，通常为钢、合金等牢固材料混合而成。通过查阅相关的资料，井下煤矿移动救生舱舱体整体外形通常被设计为长方体构造，底部安装滑靴或滚轮，并经过牵引、吊装等形式完成位置的挪动，适应井下挖掘工作要求的避险设备。 一般舱顶舱体顶端由圆弧连接，因为在受到灾变事故时，其顶端圆弧可以起到缓冲作用，以减小冲击波对舱体的破坏，缺点是，结构较方案稍微复杂，给加工带来一定的困难。因为救生舱是较为安全的设备，其安全方面是决定其使用功能性的主要因素，因此其强度、刚度必需满足要求，为在井下遇到灾害的工人们提供一个愈加安全可靠的避难地方，所以为了能够在一定范围内大大增加救生舱的安全系数，最终确定外形计划。3.2 整体尺寸设计3.2.1救生舱应该满足的条件： 企业选用的救生舱的类型是根据挖掘现场的环境特点以及可能发生爆炸的类型来选择的，救生舱的技术参数可以根据企业需要来确定。由于救生舱是安置在挖掘的通道里，所以救生舱的整体外形尺寸有了一定的限制。在此之前还要针对救生舱的各方面条件参数进行防爆实验。如下图所示，救生舱外廓最大宽度 1700mm ，高度 2600mm 。图 3-1 外轮廓大致图 救生舱的缓冲舱：体积不小于1.2m3 救生舱的主舱（生存舱）：平均每个人所占的空间不小于0.8m3 ，生存舱必须能够容纳 10 个个体，整体空间不小于0.810 = 8m3 ，因为要考虑到10% 的余量，所以设计的净空间不小于8.8m3 。 每人每天所需要储存的食物及饮用水所占容积：饮用水：1.5L / 人天 4天10人= 60L食物： 5000KJ / 人天 4天10人= 200000KJ （需换算成相应体积的压缩饼干）3.2.2 舱体的整体布局：（1） 舱体结构采用分段组合式模块化设计。（2） 舱体主要是由缓冲舱、生存舱和设备舱三个部分组成。（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：（1） 由主舱门、缓冲舱、过渡舱门、生存舱。设备舱和应急舱门构成（2） 主舱门：舱门必须朝外开启，操作起来须简单方便，各方面性能必须可靠，具有良好密封效果（防水性及气密性），在温度方面，能够抵御1200C 的瞬时高温（0.2S)和60C 的持续高温。（3） 缓冲舱和生存舱的过渡舱门：舱门在两个舱体之间，并且舱门的打开方向是朝向生存舱的。舱门要求具备良好密封效果（气密功能、防水功能），且方便开关。（4） 生存舱和过渡舱的过渡舱门：开启方向由设备舱开向人员舱。要求具有良好密封效果（气密功能、防水功能），且方便开关。3.2.4 救生舱内部尺寸设计在设计救生舱整体外形尺寸时我们先初步确定救生舱内部尺寸：（1） 救生舱内净宽度为：1400mm ，（2） 救生舱内净高度为：1900mm ，（3） 因为此舱体是组合式舱体，缓冲舱是一个密闭独立的空间构造。为了让该舱体可以与不同型号的舱体组合，它的总长度需要根据舱体内部组件的需要，先确定为600mm 。（4） 生存舱和设备舱：两个舱体我们采用一节节单个长度和构造一样的通用段拼接而成。（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（1）根据上述可得知以下条件： 生存舱净容积 8.8m3 救生舱舱内净宽度1400mm 及净高度1900mm ，每人所占最小空间体积为0.8m3 ，因此可计算出人员舱的最小净长度为，l = 8.8 (1.4 1.9) = 3.31m （取3.5m ）。 每人座椅宽度0.5m ，一边坐 5 个人，座椅总长度为2.5m 。（座椅的人机工程学参数:0.45m 0.45m 0.45m ）（2）三种每小节长度的设计方案：方案一：每段长度 600mm。6 段0.6=3.6m方案二：每段长度 700mm。6 段0.7=4.2m方案三：每段长度 800mm。5 段0.8=4.0m（3）600mm 方案比较：优点:由于每段的长度较小，有利于提高救生舱舱体的强度以及刚度，在运输方面也比较容易，适应能力比较强（方便经过小巷道），方便于以后的标准化及系列化。缺点：密封面及接触面大导致组装工作量变大。得出结论：综上所述我们选用 600mm 作为每小节的长度比较合理。图 3-2 单节舱体尺寸上示所图为单节生存舱的结构尺寸，根据前面的内容得知以下结果：生存舱内部净尺寸为： 宽高= 1400mm 1900mm ，舱体的材料选择壁厚为 12mm 的 45号钢，在第四章中会对于选择的 45 号钢的强度和刚度进行校核，了达到舱体受到碰撞或者爆炸带来变形时的刚度要求，因此在救生舱舱体的周围安置了加强肋板，肋板材料我选择的是热轧槽钢，在救生舱体的横向以及纵向合理安置。为了将每节救生舱完美连接，每个单节舱体两端我们都设计连接法兰，舱体之间通过螺栓来对其进行连接，目前先确定法兰盘的外轮廓宽度：80mm，厚度：30mm，法兰是通过焊接来焊接在每个单节舱体两端的，因于每两节舱体连接时需要满足密封效果，所以在舱体的连接处，为了解决密封的问题必须增加隔密封材料。由上图，可以计算出救生舱整体的外部尺寸： 整体总高度：整体总宽度：整体总长度：h = 1800 +12 2 + 80 = 1904mmb = 1400 +12 2 + 80 2 = 1584mml = 设备舱+ 生存舱+ 缓冲舱= 1800 + 3600 + 600 = 6000mm3.3 舱体结构特点：因为舱体结构的设计必须满足所有指标的要求才能成功完成煤矿事故中的保护和防御作用，所以舱体结构具备以下特点：图 3-3 舱体外轮廓设计图（1） 单元组合式结构：因为救生舱整体是由一节一节外形构造一模一样的单节舱体拼接而成的，因为这样适用性强并且有以下几方面的特点：1） 根据不同需要可以方便增减单元；2） 可将其拆分，便于运输，适合井下运输；3） 模块化设计，便于以后标准化；（2） 壳体：为了防止舱体的强度和刚度达不到要求，所以在舱体内侧添加了壳体来加强元素；（3） 逃生门：可以从词面意思上可以看出是工用于逃生的门，设计在舱体的两端，此门具有防水防爆的效果；（4） 缓冲舱：属于救生舱整体的第一个舱体，起到缓冲作用，和生存舱连接。中间由主舱门隔开，内部有一些主要的设备。（5） 生存舱：此舱是可以容纳十人的设备，它是由六节相同长度（600mm）及构造的单节舱拼接而成，内部的净宽度为 1400mm，高为 1900mm，呼吸所需的氧气瓶安放在生存舱并且远离舱门，一些检测设备固定于救生舱体的舱壁上；（6） 设备舱：属于救生舱整体的最后一个舱体，在生存舱之后，由过渡舱门连接。由三节构造相同长度为 600mm 的单节舱体拼接而成。此舱中间有一个可以让逃生人员逃生的通道，两边是一些温度控制器、呼吸系统设备等一些重要器材。（7） 紧急逃生门：安装在设备舱的最末端，占末端面积的上面一半，下一半部分是设备。根据要求舱门要离地面一定的高度（至少 1m）此应急逃生门是当救生舱体被水淹了并且主舱门无法开启时才被打开。第四章 生存舱结构设计4.1 舱体设计思路救生舱整体设计我们采用单元组合式拼接而成，此次设计的救生舱主要由三个舱体组成，分别是：缓冲舱、生存舱、设备舱。本文主要针对生存舱进行设计， 因为舱体都是由单个小节舱体拼接而成的。每两个小节舱体上都有焊接法兰盘， 然后通过螺栓来将彼此连接，最后组成整体。因为挖掘现场巷道狭窄，这样有利于救生舱组件的运输以及方便不同结构救生舱的组装。最后对于舱门之间的密封、通风口之间的密封、观察孔之间的密封、保温材料的选择进行设计。4.2 生存舱结构设计4.2.1 初步确定舱体尺寸（1）依据上述第三章中设计的救生舱的整体尺寸可知。生存舱内部净尺寸为净宽度 1400mm，净高 1900mm。长度为 600mm。舱体四周用 12mm 的 45 钢钢板冲压而成，每两节舱体之间由法兰盘相连接，为达到密封性要求，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30mm ，宽度80mm ，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 号槽钢作为加强肋板，其主要结构尺寸如下:图 4-1 槽钢结构示意图表 4-1 10 号槽钢结构参数表型号尺寸(mm)截面面积(cm2 )理论重量(kg / m)参考数值hbd4I x (cm )4I y (cm )4I z (cm )z0 (cm)10100485.312.74810.00719825.654.91.524.2.2 加强肋板的布置发生煤矿事故时，如果有了移动救生舱矿工们的生命安全就会得到最大的保障，就会给予救援队员充足的时间来进行救援工作。因此，救生舱的抗压防爆的能力等其它一些性能必须满足要求。当爆炸发生时，空气冲击波的压力十分强大。为了满足刚度和强度的要求，所以对于救生舱舱体的强度和刚度要求非常的高， 为了使舱体壁厚度合理我在救生舱舱体外表增加了肋板来增加它的强度，因此我需要合理的布置外表面的加强肋板。在救生舱受到爆炸冲击时，如果舱体因为爆炸造成的的变形量太大，将会对救生舱内的逃生人员的生命安全造成威胁，还会加大救援的难度。所以最大变形量必须在安全范围内：即变形量要小于救生舱整体尺寸的1% 。变形量我们从两方面来考虑：横向和纵向，两方面都要满足要求。发生煤矿事故时，由于舱体受到爆炸冲击时：横向变形量：舱壁由于爆炸造成的变形量应小于救生舱整体总长度的：4200 mm 1% = 42 mm纵向变形量：所受到的最大变形挠度小于舱体整体总高度的：1900 1%= 19 mm为了达到救生舱的刚度要求，在救生舱的周围（横向、纵向）都安置加强肋板。在横向方向上，每节生存舱均匀布置 4 条相同数量肋板；在纵向方向上，每节舱体的正中间安置一条肋板。最后在舱体顶部均匀安置两根肋板，如图所示：图 4-2 舱体横向及纵向加强肋板布置图图 4-3 舱体顶部加强肋板布置图4.2.3 纵向肋板刚度校核救生舱的受力情况可以简化为一悬臂梁，悬臂梁受均布载荷作用：当发生爆炸时，当中的瞬间压力将达到2MPa ，如果压力作用在救生舱舱体侧面时，就等于该侧面受到分布均匀的载荷作用，此载荷大小如下：q = 2 106 pa 0.7m = 1.4 106 N / m救生舱舱体在受弯方向的横截面如下图所示，可以将它分为第一、第二、第三、第四部分，接下来将求出各个部分的惯性矩：图 4-4 舱体纵向截面图第一部分的惯性矩为：I1 =bh312= 3 8312= 128cm4第二部分惯性矩为：I1 =bh312= 3 8312= 128cm4第三部分惯性矩为：I1 =bh312= 64 1.2312= 9.216cm4第四部分是槽钢，惯性矩由上表可以得出：4I = 25.6cm4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：3S = b h = 1.2 64 = 76.8cm2第四部分面积查表可得：S 4= 12.748第三部分惯性轴距离截面中性轴距离为：l3 = 5mm第四部分槽钢惯性轴距离截面中性轴距离为l4 = 45 - 2 -15.2 = 27.8mm第三部分形心轴距离中性轴的距离为：l3 = 0.5cm第四部分形心轴距离中性轴的距离为：l4 = 2.8cm则该横截面对 y 轴总的惯性矩为：I总 = I1+ I2+I 3+S3 l 2 + I+ S4 l 2344= 128 +128 + 9.216 + 76.8 0.52 + 25.6 +12.748 2.782= 408.5cm4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：w= ql 48EI其中：q = 1.4 106 N / m ， l = 1.9mI = 408.5 2 = 817cm4舱体材料选用 45 钢，其弹性模量 E = 206GPa ，将上述数据代入公式可得舱体的最大变形量为：w= ql 48EI=1.4 106 1.94 8 206 109 817= 1.36cm变形量小于舱体总高度的1%(1.9cm) ，故其刚度满足使用要求。4.2.4 横向肋板刚度校核由于救生舱受到爆炸等冲击，舱体的横向和纵向将受到均匀载荷的作用，所以必须在舱体的横向方向上布置加强肋板来增加其刚度，以达到刚度要求。同理， 在纵向方向上的加强肋板也选择 10 号槽钢，槽钢的各个参数和图与横向相同。救生舱舱体横向受到冲击时，它的受力情况相当于简支梁受均布载荷。受力情况如下图：图 4-5 舱体横向受力模型在舱体的侧面均匀布置 4 条加强肋板来增强其刚度，其截面形状图如下图所示，每两个肋板之间距离相隔为 220cm，布置 4 块加强肋板。图 4-6 舱体纵向截面图该侧面所受的均布载荷大小为：q = 2 106 Pa 1.4m = 2.8106 N / 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：I1 =bh312= 140 1.2312= 201.6cm4第一部分面积为：1S = bh = 140 1.2 = 168cm2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：2345I = I = I = I = 25.6cm4第二、第三、第四、第五部分的面积为：2345S = S = S = S = 12.748cm2上述计算为第一部分到第五部分面积的惯性矩，需要利用平行位移公式计算出其对弯矩梁自身中性轴的惯性矩：第一部分矩形的惯性轴距离中性轴的距离为：l1 = 3cm - 0.6cm = 2.4cm第二部分槽钢的形心轴距离惯性轴的距离为：l2 = 3cm -1.52cm = 1.48cm则该横截面对中性轴总的惯性矩为：I总 = I1+ S1 l 2 + 4 (I+ S2 l 2 )122= 201.6 +168 2.42 + 4 (25.6 +12.7 1.482 )= 1383.4cm4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：wmax= 5ql 4384EI其中：q = 2.8106 N / M ， l = 0.7 6 = 4.2cm ， I = 1383.4cm4 ，舱体材料选用 45 钢，其弹性模量 E = 206GPa ，将上述数据代入公式可得舱体的最大变形量为：wmax= 5ql 4384EI=5 2.8106 4.24 384 206 103 1383.4= 0.398CM因为变形量小于总长度的1%(6cm) ，故其刚度满足使用要求。4.3 生存舱之间所用连接螺栓的尺寸的确定因为生存舱是由节节小的舱体组合而成，每节生存舱的长度为600mm ，这样方便在地底下移动，当救生舱的各个零部件都运到指定地点时，将会在指定地点进行安装，最后成为一个完整的救生舱体。因为每节舱体之间采用螺栓连接的方式连接，安全性、气密性等都相对满足要求，并且还容易装配。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（密封材料规格为宽厚= 40mm 30mm ），依据理论计算当密封条的压缩量达到3mm 时，密封条件最好，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：密封材料面积为：C = 1500 2 + 800 + 500 2 = 4800mmA = c b = 4800 30 = 1.44 105 mm 2所需压紧力：F = EADlL其中密封材料的弹性模量为 E = 2MAP ，密封材料面积 A = 1.44 105 mm 2 ， 压缩量Dl = 3mm ，密封材料厚度 L = 30mm 。则：F = EADlL= 2 106 0.144 3 30= 28800N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 5-1 螺栓间距推荐使用表工作压力/MPA 1.6 1.6 4 4 10 10 16 16 20 20 30螺栓之间的间距/mm7d5.5d4.5d4d3.5d3d注：表中d 为螺栓公称直径依据上述表中所规定的，目前我们初步计划螺栓之间的间距为 320mm.在法兰四周均匀布置螺栓，每个螺栓间距为 320mm，则整个法兰盘需要布置的螺栓数目为：n = C = 4800 = 15t320分布到每个螺栓上的工作拉力为：F= F = 28800 = 1920N工作n15根据单个螺栓受力情况，设计舱体连接所用的螺栓尺寸：为了能够让彼此之间的两个舱体紧密连接，防止由于力的作用后接触面会出现缝隙，所以要求施压在螺栓上的残余预紧力 F1 0 ，依据参考资料，推荐使用的 F1 为：对于有密封性要求的连接， F1 = (1.5 1.8)F 。取残余预紧力为:F1 = 1.8F = 1.81920N = 3456N则螺栓的总拉力等于残余预紧力与工作拉力之和：F2 = F1 + F工作 = 3456 +1920 = 5376N考虑到螺栓在总拉力 F2 的作用下可能需要补充拧紧，故将总拉力增加30%已考虑扭转切应力的影响，于是螺栓危险截面的拉伸强的条件为：o = 1.3F2 scap 24 d1选择螺栓材料为Q235 ，性能等级为 4.6 的螺栓，由表差的材料的屈服极限sS = 240MPa ，安全系数为S = 4 ，故螺栓材料的许用应力为：s= ssS= 240 60MPa S根据上式计算螺栓危险截面的直径（螺纹小径）为：d1 = 12.18按粗牙普通螺纹标准（GB/T 1962003）选用公称直径d = 14mm 。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。第五章舱体密封及隔热材料的选定5.1 舱体密封材料5.1.1 舱体密封技术目标密封材料应能抵御 200C 的高温，瞬时 1200C（0.2 秒）高温，同时具有隔热、隔水、隔气的功效。5.1.2 密封部位由于救生舱作为一个井下避难场所，其密封性尤为重要，所以必须进行密封处理。需进行密封处理的部位分为以下几个部分：(1) 救生舱外各部件与救生舱体的密封；(2) 矿井下风、供水、通讯接口的密封；(3) 舱门的密封（主舱门、过渡舱门、应急舱门）； (4)观察孔的密封；(5) 每节舱体之间的连接密封；(6) 冷柜与舱外制冷主机连接密封；5.1.3 密封材料确定根据位置的不同密封性的要求也不同，选用的密封材料也不同，以下有两种材料来针对密封性的不同要求：材料 1：救生舱舱门的密封：采用特种橡胶，特殊配方；产品特点：柔软，可压缩量大，密闭性能好，防水，防火，抗静电，隔热；规格型号： 1500*750*20，可以根据客户的需求定做； 材料 2 ：救生舱门窗的密封 ：水合硅酸钠、玻纤、添加剂、环氧涂层；产品特点：受热时可迅速膨胀封闭门、窗缝隙，防止烟及热窜入 ；规格型号： 2mm*20mm*1050mm，2mm*15mm*1050mm，2mm*10mm*1050 可以根据客户的需求定做；（1） 舱门的密封采用产品 1煤矿井下用救生舱的密闭门专用密封条， 密封效果好。经理论计算，当锁紧力10KN 时，密封效果良好。规格尺寸：30mm（宽）20mm（厚）图 5-1 舱门之间密封（2） 每节舱体的连接密封采用材料 1特种橡胶，密封效果好。经理论计算，当压缩量达到 3mm 时，密封效果良好。规格尺寸：30mm（宽）20mm（厚）图 5-2 单节舱体之间密封（3） 舱外检测元件与舱体的连接与密封、矿井下风、供水、通讯接口的密封的密封采用定制的密封环，与孔的尺寸相协调，外部采用压板固定。图 5-3 通孔处密封环（4） 观察孔密封采用定制的密封环，与孔的尺寸相协调，外部采用压板固定。图 5-4 观察孔密封该方案采用公司 1 特制的煤矿井下用救生舱的密闭门专用密封材料，具有很好的密封性能，能达到防水、防火、隔热效果。5.2 隔热材料5.2.1 舱体隔热技术要求应能抵御 60C 的持续高温，瞬时 1200C（0.2 秒）高温，保证舱体内部32C。5.2.2 保温部位：救生舱舱体包含（缓冲舱舱体、生存舱舱体、设备舱舱体）、舱门（主舱门、过渡舱门、设备舱门和应急舱门）、连接法兰5.2.3 保温材料选择（1） 舱体外表面刷涂的耐高温隔热保温涂料1） ZS-1 耐高温隔热保温涂料：由特制的硅酸盐溶液和陶瓷空心微珠混合而成产品特点：能有效抑制并屏蔽辐射热和传导热，隔热抑制效率可达 90左右，可抑制高温物体的热辐射和热量的散失，导热系数 0.03W/m.K，可抑制高温物体的热辐射和热量的散失，绝缘、耐压、固化后可再加工，直接涂刷在物体上几个毫米即可。2） ZS-211 反射隔热涂料：太空节能隔热保温涂料，单组分改性无机水性涂料材料优点：可以最大限度的反射红外线，隔热效果也非常明显反射率 90以上，隔热抑制效率可达 90以上，导热系数 0.04W/m.K。 具有高效节能、薄层、隔热保温、防火、防水、绝缘一体化功效。分为耐 150和耐 300 两种。2、舱体外表面与内衬板间的隔热材料表 5-2 各种隔热材料性能材料材质适应温度优缺点保温砖黏土质800密度大，导热率高岩棉、玻璃棉岩棉、玻璃棉550收缩率大，导热率低泡沫类有机材料100碳化后易产生毒害气体玻璃棉玻璃纤维600导热率低，吸附性好，有引火隐患软木类软木砖60不腐不蛀，无毒无味陶瓷纤维陶瓷纤维1700导热率低，稳定性好，无毒害矿渣棉矿渣棉650超温后会熔结1） 陶瓷纤维复合绝热板 ：选用性能优异的气凝胶隔热材料和具有热屏蔽功能的功能性材料，适配以极佳的粘结剂及多种无机元素，以耐高温陶瓷纤维为增强材料，经特殊工艺制备材料的优点：具有优良的隔热效果，在平常温度下它的导热系数低； 并且可以耐高温（可以持续在 900的温度下），它的复合结构耐高温性能特别好， 最高温度可以达到 1700；较其他材料使用的寿命长，时间在 5 年以上 10 年以下，没有毒性没有危害，对环境也没影响可以起到环保作用；化学稳定性高；在减震方面的效果也很不错。2） 陶瓷纤维板 ：是通过特殊工艺制作而成的，此类材料具有较高的强度，且强度高于一般材料。适用性强，可以适用对于产品要求高的。产品的特点：耐压强度高、使用寿命长；热容量和热导率低；有较好的韧性；材料的尺寸可以达到很精准，不容易发生形变；操作起来以及加工时都比较容易； 具有很好的坑腐蚀性；具有稳定的性能，能够降低噪音的产生，便于生产，结构分布均匀。鉴于以上的比较，采用 ZS-211 反射隔热涂料在舱体外表面涂刷 0.8mm 厚的保温层，当保温层外表面温度为 60时，保温层内表面温度为 37。因为舱体需要隔热，所以在内部我们要添加隔热材料，材料我们采用多层复合绝热板，它的厚度我们定为 54.3mm，层间采用高温粘结剂粘结。此设计在我国其它省已经得到应用。复合板由以下几层组成：第一层：单面覆铝箔陶瓷纤维布2mm 第二层：陶瓷纤维板20mm第三层：陶瓷纤维纸2mm第四层：陶瓷纤维绝热复合板30mm 第五层：反射布0.3mm根据产品说明，理论导热系数（W/m.k）：（200） 0.022，（400）0.025，（600）0.