矿用救生舱结构设计
河南理工大学毕业设计说明书摘要本文的设计课题题目是“井下救生舱设计”。由于近年来，我国煤矿灾害频发，给国家和企业造成重大人员伤亡和财产损失，因此急需设计一种用于矿下工人自救的紧急避难场所，来尽量减少矿难所带来的危害。正是基于这种思想，设计了煤矿井下救生舱。本文对我国现在煤矿下自救设施做出简单介绍，提出井下救生舱的设计要求和技术参数，分析了救生舱结构设计时可能遇到的问题，重点对救生舱舱门的锁紧机构的方案论证，运动分析和各部件的结构尺寸设计做出了详细分析计算，并简述了救生舱的模块化设计思路，舱体的结构设计和刚度校核等内容。关键词：井下救生舱，模块化，就生舱门，结构设计Abstract目录第一章 绪论11.1 当前我国的矿井安全设施状况11.2当前发生井下事故时矿工的自救状况21.3井下救生舱方案介绍2第二章 救生舱设计参数要求5第三章 救生舱整体结构尺寸设计73.1、外观形状设计73.2整体尺寸设计83.2.1舱体尺寸的约束条件：83.2.2、救生舱结构要求：103.2.3、救生舱内部尺寸设计103.2.4、通用段长度设计方案103.3舱体结构特点：12第四章 模块化结构设计154.1 模块化设计思路154.2生存舱结构设计154.2.1初步确定舱体尺寸154.2.2校核其纵向刚度164.2.3校核其横向刚度18第五章 救生舱舱门的结构设计215.1救生舱舱门方案确定：215.1.1主舱门方案:215.1.2过渡舱门结构方案：235.1.3应急门方案245.2、各舱门结构参数计算：265.2.1主舱门结构计算：265.2.2缓冲门结构计算405.3.3紧急门结构计算46致谢60参考文献61第一章 绪论“矿难”这个词对于大多数中国人来说已经不陌生了。“矿难”，顾名思义就是矿山灾难或者矿井灾难，之所以称其为灾难，是因为其具有以下三个特点：第一个特点是一次死亡人数多。矿难造成的人员死亡，少则十几人，多则上百人，其严重度相当高，往往是矿难发生后人员生还的概率很小，甚至全军覆没。第二个特点是难以预报、预防。矿难的发生具有不可预测性。由于无法预测矿难，对于矿难的预防也就具有相当大的难度，常常是无的放矢，难以实现有效的预防。第三个特点是救援难度大。矿难发生的地点往往地形十分复杂，常常是在地下几百米，甚至上千米的地方，而且伴随有坍塌、透水、火灾、爆炸等状况，这就使得矿难的救援难度极大。由于具有以上三个特点，使得矿难成为矿山事故中最为严重的事故，也成为人们最为关注的事故。当前我国的矿山井下事故多发，这显示出我国矿山矿井安全设施及矿工自救状况不容乐观。1.1 当前我国的矿井安全设施状况安全设施是确保矿山企业安全生产的基本物质保障，是减少事故发生的最有力措施。矿山井下安全设施包括预防事故发生的安全设施和事故救援的安全设施。前者主要用于防止减少事故的发生，如安全帽、防爆电器、防坠设施、瓦斯报警装置等。后者主要用于井下事故发生后，矿工们的自救，如呼吸器等。当前我国各类矿山企业普遍存在着安全投入严重不足，安全技术装备老化、落后、带病运转、安全性能下降、抗灾能力差、不能及时有效的预防和抗御事故灾害的现象。据不完全统计，目前仅国有重点煤矿“一通三防”欠账就高达40多亿元，民营企业的安全投就更少或者没有。1.2当前发生井下事故时矿工的自救状况近年来我国频繁发生重大、特大矿山井下事故。从历次井下事故发生后的情况来看，当前发生井下事故时矿工的自救能力及其低下。井下事故一旦发生，井下的矿工只有两种求生的方法：第一种就是及时撤出发生事故的矿井，回到地面上。第二种就是呆在井下等待救援。从实际情况来看，这两种方法都不可能实现井下矿工的有效自救。第一种方法虽然是主动的自救，但是在大多数情况下却根本行不通。这是因为：1)大多数井下事故发生后，都会造成巷道坍塌，封堵住通往矿井外面的通道，使得在井下作业的矿工被困，根本无法逃出矿井。2)发生井下事故后即使巷道没有被封堵住，也会造成并下的通风和安全设施部分或大部分被毁坏，巷道内道路不畅、照明不佳、有毒有害气体浓宦超标等情况。在上述情况下，矿工要想逃出矿井必须冒极大的生命危险。第二种方法也难以保证矿工的生命安全。因为在很多情况下，发生井下事故后并下的设施遭到毁坏，巷道坍塌，这使得井外人员的救援活动需要很长时间，少则几天，多则十天半个月。被困井下的矿工由于缺少食物和水，加上井内不断积聚的有毒有害气体和粉尘，生命受到极大的威胁。很多被困几百米甚至几千米深的矿井里的矿工由于得不到及时的救援而活；舌被闷死、烧死、溺死、饿死，而地面上的人却无能为力。综合以上分析来看，我国当前矿山的安全设施状况和井下矿工自救的能力都急需改善和提高，而这其中提高井下人员在发生井下事故后的自救能力，是一条可以大大减少事故造成的人员伤亡的途径。1.3井下救生舱方案介绍井下救生舱这一想法的产生，与当前我国矿山事故频发的背景有关。从各类井下事故发生的特点和那些在井下事故中幸存的人们的讲述来看，被困井下的人中其实只有很少部分是死于事故发生的瞬间，大部分人是由于长时间被困井下而被闷死、饿死、冻死、渴死的。（1）井下救生舱的设计思路如下：1)为了使井下作业人员在发生井下事故时能够在最短的时间内躲避到个安全的地方，同时也为了自韵多为接下来的事故救援提供大量有效的信息并争取尽可能多的救援时间，在矿井内适当的地点设置若干个井下救生舱。这样，当井下事故发生后，无法逃出或者不适宜立即逃出矿井的作业人员可以就近进入井下救生舱，在最短时间能将并下人员与危险隔离开来。2)进入井下救生舱的人员可以在那里与井上人员取得联系，报告并下发生事故的情况，并通过救生舱上的设施实时搜集井下信息，提供给救援员。在救援人员实施救援行动期间，救生舱内的人员只需静心等待。3)井上人员接到井下救生舱内的人员提供的信息后，确定井下人员的位置，并研究确定救援方案，开始救援。如果由于井下条件太复杂，估计救援活动要持续较长时间时，可以应救生舱内人员的要求，通过救生舱上的专用管道向舱内人员提供水和食物，直到救援行动结束。井下救生舱适用于那些矿井内发生坍塌、冒顶、瓦斯或者粉尘爆炸、透水等事故而被困并下无法逃出的人员的救生，也适用于在以上事故发生后，不适宜立即逃出井外(例如，由于坍塌、冒项或者爆炸还在继续，逃出井外需要冒极大的生命危险的情况)人员的逃生。井下救生舱应该可以适应各类井下事故的特点，具有抗挤压、抗冲击、耐高温、防水浸、密封性能好等特点，并具备通风排气、通信供电、供水供食、温度调节等设施和功能。总之，井下救生舱是一个安全性、可靠性高的救生设备。(2) 井下救生舱的特点井下救生舱是针对各类矿山井下事故的特点而设计的，因而能够适应各类井下事故发生后人员的救生。井下救生舱具有以下些特点：1)能够在井下创造个安全的小环境。由于井下救生舱本身具有抗挤压、抗冲击、耐高温、防水浸、密封性能好等特点，因而使其成为一座坚固的“堡垒”。它的抗挤压性能，再加上对其设置地点巷道的特殊处理，使其可以很容易抵抗巷道坍塌、冒顶片帮等事故的挤压：它的耐高温、抗冲击性能使其在一定程度上可以抵抗瓦斯爆炸或者粉尘爆炸后形成的高温及；中击波的袭击i它的良好的密封性能及防水浸的性能使其可以抵抗有毒有害气体及水的入侵，保证舱内人员的安全。总之，井下救生舱可以在井下事故发生后在井下营造一个安全的环境。2)能够提供足够的事故救援时间。井下事故的救援一直是一项非常艰难的工作，因为人们必须在最短的时间内将被困井下的人员救出，否则救援工作就将变得没有太大意义。可以说，井下事故的救援是在“和死神赛跑”，只有投大量的人力物力，全力抢救，一刻不停，才有可能让被困井下的人员生还。井下救生舱正好可以解决这一问题。井下被困人员进救生舱后，可以在其中静心等待救援，并不断向井上人员传递井下情况的信息。由于救生舱有足够的安全性，可以使被困人员不受舱外各种危险的侵袭，加上有井外不断供应的空气、水和食物，在这种条件下，井下被困人员可以生存十几天，甚至一个月以上，这就为救援活动赢得了足够充分的时间。3)能够使被困井下的人员在最短的时间内脱离险境，变被动为主动。从以往井下事故造成的人员死亡情况来看，像瓦斯、粉尘爆炸、透水、火灾等事故，由于突发性强，短时间内破坏性大，因而绝大多数井下被困人员的死亡都发生在事故发生后的十几分钟之内：而像坍塌等事故造成的被困井下人员的死亡大多发生在事故以后的几天内。也就是说，无论对于哪种井下事故，大多数井下作业人员还是有逃生的机会的，但是逃生的前提是在最短的时间内躲避到个安全的地方。井下救生舱可以给被困井下的人员提供这样一个前提。只要在井下适当的位置设置若干个井下救生舱，井下作业人员便可以在事故发生后最短的时间内进入寓自己最近的救生舱内，由此可以将被动的等待救援转变为主动的自救。综上所述，并下救生舱的设计有着充分的设计依据，其自身所具有的特点也能够适应各类井下事故的特点，因而在减少井下事故造成的人员伤亡方面具有光明的应用前景。第二章 救生舱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：项目参数要求额定人数，人12额定防护时间，h抗冲击力，MPa抗爆炸冲击力，MPa瞬时耐高温能力（），1200舱外持续耐高温能力，舱内持续温度，舱内持续湿度最大耐水压力，MPa0.1人均占有容积，1.0舱内正压力，Pa200300供电电压，V380/660/1140舱内设备启动时间，s舱内含量，%舱内含量，%舱内含量，%舱内含量，%第三章 救生舱整体结构尺寸设计3.1、外观形状设计救生舱用于发生矿难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，得出两种方案可供选择：方案一：救生舱结构形状如下：该方案中舱体采用长方形，底部装有滑靴或滚轮，以便于在巷道内移动，上端由两个倾斜成45度的侧板与顶板连接，其优点是加工方便，可直接用型钢焊接成型，减少加工成本，缺点是顶端焊接的位置，在受到爆炸冲击波时，可能发生强度不足的现象。方案二：救生舱结构形状如下：该方案中，舱体大体外形也采用长方体结构，底部安装滑靴或滚轮，以便于在巷道内移动，不同之处在于舱体顶端由圆弧连接，其优点是，在受到爆炸冲击波时，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。总体比较上述两种方案，由于救生舱是安全设备，其安全性能是决定其使用性能的主要因素，因此其强度、刚度必须满足要求，为在里面避难的矿工提供一个更加安全可靠的避难场所，所以选用方案二作为救生舱的最终外形方案，可以在一定范围内提高救生舱的安全系数。3.2整体尺寸设计3.2.1舱体尺寸的约束条件：1、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。如下图所示，救生舱
