矿井自动隔离门强度的数值模拟分析

宋胜伟,　刘富利,　杨　志,　刘永立

(1. 黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨　150022； 2. 黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨　150022)



矿井自动隔离门强度的数值模拟分析

宋胜伟1,刘富利1,杨志1,刘永立2

(1. 黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨150022； 2. 黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨150022)

为了探明矿井毒害气体自动隔离门的门皮厚度、工字梁尺寸、支撑间距在瓦斯爆炸产生的冲击载荷作用下对隔离门强度的影响，利用有限元软件ANSYS Workbench，分析了自动隔离门的应力、应变场及其影响。结果表明：当门皮厚度增大至12 mm、工字梁尺寸增大至16#时，隔离门应力值低于屈服极限值235 Mpa，且形变较小，满足防爆要求，支撑间距变化过程中，应力值始终大于屈服极限值；隔离门应力值随着门皮厚度、工字梁尺寸增大而减小，随着支撑间距增大而增大；通过极差分析，对应力值影响主次关系为：工字梁尺寸、门皮厚度、支撑间距。该研究对合理确定矿井瓦斯爆炸毒害气体自动隔离门的结构和尺寸具有一定的参考。

自动隔离门；冲击载荷；强度分析；防爆

0　引　言

目前，我国在应对瓦斯爆炸等灾害事故时，采取机械式隔断和灭火方式[1]的方法进行处置。机械式较为笨拙，一旦强度不够则起不到很好的作用，而灭火方式也不尽理想，很难准确地灭掉火焰，只是减小了火焰，若能将两种方法配合使用，将会受到良好的效果。矿井瓦斯爆炸毒害气体自动隔离门[2]在2011年首次以专利形式出现。一些学者也研究了瓦斯煤尘爆炸的预防措施，但主要的研究方面是利用水槽棚、岩粉棚等扑灭、阻滞爆炸火焰，利用井下避难舱、避难硐室为工人提供避难场所，以及一些其他的措施均起到了一定的作用，但是效果甚微[3-4]。为解决矿井瓦斯爆炸后存在的问题以及传统措施的不足，笔者研究不同工况下，自动隔离门在冲击载荷下应力应变的变化特征，以改进隔离门的设计和提高其工作的可靠性与稳定性。

1　结构参数与初始载荷

1.1门体结构参数

煤矿巷道中自动隔离门结构形式见图1所示。根据某矿巷道断面及综合因素考虑，并根据矿井阻爆结构设计规范[5-6]，门扇的尺寸为1 700 mm×1 355 mm×154 mm，门扇单层钢板厚度为7 mm, 支撑梁腹板中心间距选择210 mm。该结构根据塑性设计，能够抵抗的最大冲击压强为0.44 Mpa，满足《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》技术要求中，门体应能承受至少0.3 MPa的要求。

1承压板窗口； 2延时开关复位窗口； 3隔离门门扇；

1.2等效载荷计算

当矿井发生爆炸后，冲击波沿巷道传播，自动隔离门迅速关闭，此后门体受到冲击波作用力，该力也是数值模拟过程中施加的等效载荷，它与爆炸冲击波入射压力、反射超压有关[7]。

(1)入射压力

(1)

式中:K——实际影响因素值，取值1.01；

r——空气比热比，取值1.4；

M——冲击波速度与介质中音速比，取值1.5。

计算可得入射压力ΔP为0.145 MPa。

(2)反射超压

与入射冲击波传播方向不同的反射超压，也会对门扇结构造成一定的破坏，计算公式如下：

(2)

式中:ΔPm——反射超压，计算得0.44 MPa。

(3)等效静载

门与门框的自振周期较接近，自动隔离门的等效静载按弹性构件突加等效静载计算，根据公式：

qd=K1ΔPmKd，

(3)

式中:K1——安全系数，取值1.2；

Kd——动力系数，取值2。

计算得门体的等效载荷qd约为1.05 Mpa，此载荷为冲击载荷，作用时间为1 s,即仿真过程施加的爆炸冲击波载荷为1.05 MPa。

2　有限元模型

采用UG三维建模软件对隔离门进行实体建模，利用ANSYS Workbench协同仿真环境将门扇模型数据导入其中，模型元素导入过程没有数据丢失。在保证模型尺寸及结构正确的情况下，需要对模型的结构做一定的简化，如对于隔离门的一些附属结构例如铰链、门把手等对整体受力影响较小的构件，在建模时，不予考虑，所选参数见表1。将结构看成一个连续的整体，略去焊接造成的残余应力对结构受力的影响，主要考虑了隔离门的主要结构部分。

2.1破坏准则

隔离门材料与工字钢材料为Q235E钢,材料密度是7 850 kg/m3；弹性模量是E=206 GPa；泊松比是0.3；抗压强度设计值是[σ1]=215 MPa；抗剪强度设计值是[σ2]=125 MPa；屈服点下限值为[σs]=235 MPa。文中隔离门的破坏形式主要为：隔离门结构被爆炸冲击波摧毁，即σ>σs时，门扇整体结构发生较大变形，无法满足防爆要求。而对于σ1<σ<σs时隔离门发生较小变形的情况，由于能起到阻断冲击波作用，保护巷道内设备与人员的安全，隔离门视为处于失稳破坏状态。

表1　仿真具体参数

2.2仿真工况类型

根据实际情况考虑对门扇结构添加约束，门扇受门框影响，门扇上下边缘面固定约束，左右为垂直于门扇方向位移自由[8-9]。施加荷载大小为1.05 MPa等效静载，加载方式为面均布加载。仿真变量：门皮厚度、工字梁尺寸、支撑间距。考察参数：门扇应力、门扇形变。仿真具体参数，如表1所示。

3　仿真结果与分析

3.1原始模型

对图1所示门扇结构进行仿真，当对原始模型仿真，即门皮厚度为7 mm，工字梁尺寸为14#工字钢，支撑间距为210 mm均匀分布的工况，添加作用均布的等效静载荷1.05 MPa。隔离门正面仿真结果如图2所示。

由图2可见，自动隔离门门扇整体结构在中心部位发生了约为2.34 mm的最大形变，且形变呈以门扇中心为起点环状向外辐射减小的规律；从支撑梁工字钢的形变云图得出，分布在最中间的三根支撑梁均发生了最大值的形变。从图2可见，最大值出现在门扇顶部、底端以及支撑梁的腹板边缘处约290 MPa。

a　门皮与工字梁应力云图

b　门皮与工字梁形变云图

3.2门皮厚度

当其他参数不变，对门皮厚度为5、7、9和12 mm四种工况进行仿真，结果表明：随着门皮厚度的增加，应力与应变值降低，两者呈负相关关系，近似线性变化，门皮厚度d从5 mm增加到12 mm，最大应力σmax值从313下降到233 MPa，下降19.17%，形变量ε值下降44.10%。当门皮厚度为12 mm时，应力值为233 MPa，介于设计值与屈服极限值之间，且此时形变值较小，满足抗爆要求，如图3所示。

a　应力

b　形变

Fig. 3Door skin thickness effects on stress and deformation strain

3.3工字梁尺寸

工字梁尺寸对隔离门应力与形变的影响图4。

a　应力

b　形变

在不改变其他参数的情况下，增大工字梁的尺寸，应力值快速下降，工字梁尺寸从10#增大到16#，最大应力值从571 MPa下降到227 MPa，下降60.25%，最大形变量值下降61.38%，即当材料选择16#钢时，应力值小于屈服极限值235 MPa，且形变值较小可以满足抗爆性能要求。

3.4支撑梁间距

由图 5可见，在不改变其他参数的情况下，增大支撑梁间距，应力值呈先快速后缓慢上升，支撑梁间距从160 mm增大到300 mm，最大应力值从268 MPa增加到297 MPa，增大10.82%，始终高于屈服极限值，形变量值增加69.31%。即如果发生类似爆炸，冲击波将摧毁隔离门，对设备与人员造成危害。尽管间距为160 mm时,门扇受力较小，但为了确保整个隔离门的结构满足要求，设计隔离门时选取间距最小值为210 mm。

a　应力

b　形变

Fig. 5Support beam spacing effects on stress and deformation strain

4　极差分析

为考察三种因素对隔离门最大应力值的影响权重，不改变施加的载荷值大小，将应力作为目标因子，通过仿真计算得到门皮厚度A、工字梁尺寸B和支撑梁间距C三因素下相应的数值，如表2所示。并对其进行极差分析，如表3所示。

表2　仿真结果

表3中，K值表示因素水平下的求和值，k表示因素水平下的算术平均值，根据算术平均值计算极差R=max{ki}-min{ki}，R越大，代表对目标因子的影响越大，因此对隔离门应力影响主次关系为：工字梁尺寸，门皮厚度，支撑间距。

表3　应力的结果分析

5　结　论

(1)通过有限元仿真分析得到，门皮厚度由5 mm增加到12 mm，应力值下降19.17%，形变量值下降44.10%；工字梁尺寸由10#增加到16#，应力值下降60.25%，形变量值下降61.38%；支撑间距由160 mm均匀增加到300 mm，应力值增大10.82%，形变量值增加69.31%。

(2)通过对门扇结构的静态有限元仿真分析，在保证其他参数为原始模型数据时，验证了门扇结构在门皮厚度为12 mm或采用16#工字梁作为内部支撑梁两种工况，能够有效抵抗冲击载荷作用，且门体能够保持整体结构的良好性。

(3)通过ANSYS仿真与极差分析可知，对门扇的强度影响最大的是支撑梁尺寸，门皮厚度次之，支撑间距影响相对最小，在进行工程设计时，可根据影响程度进行主次因素的选择。

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(编辑李德根)

Numerical simulation and analysis of strength of automatic isolation door in mine

SONGShengwei1,LIUFuli1,YANGZhi1,LIUYongli2

(1.School of Mechianical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China 2.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper arises from the need for identifying the effect of door skin thickness, I-shaped beam size, and support spacing of the automatic isolation door for poison gas on the strength of isolated gate when exposed to impact loading due to the gas explosion. The study analyzes the automatic isolating door for stress and strain field and its influence using the finite element software ANSYS Workbench. The results show that in the case of the door skin thickness greater than 12 mm and I-beam size up to 16, an isolation door which has a stress value lower than the yield limit 235 Mpa and experiences a smaller deformation is adequate for the explosion-proof requirements; the stress value is always greater than the yield limit if the spacing of the support is in the process of change; the isolation gate has a decreasing stress value due to an increase in the door skin thickness and flanged beam size; and an increasing stress value due to an increase in the spacing of the support. Range analysis shows that the relationships between primary and secondary affecting the stress values are I-shaped beam size, door skin thickness and spacing of the support. The study may provide

to the reasonable determination of the structure and the size of automatic isolation doors tailored for the gas explosion poison gas in the mines.

automatic isolation door; impact load; strength analysis; explosion protection

2015-12-06

宋胜伟(1968-)，男，黑龙江省桦南人，教授，硕士，研究方向：现代机械设计及理论，E-mail:song8045676@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.014

TD712.7；TH122

2095-7262(2016)01-0058-05

A