矿用救生舱结构设计(编辑修改稿)

矿用救生舱结构设计(编辑修改稿)内容摘要：

块加强肋板。 图 56 舱体横向截面图 该侧面所受的均布载荷大小为： 662 10 10 /q Pa m 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： 33 41 140 12bhI c m   第一部分面积为： 21 1 4 0 1 .2 1 6 8S bh cm    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： 42345 2 5 .6I I I I cm    第二、第三、第四、第五部分的面积为： 22345 1 2 .7 4 8S S S S cm    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： 河南理工大学毕业设计说明书 24 第一部分矩形的惯性轴距离中性轴的距离为： 1 3 0. 6 2. 4l cm cm cm   第二部分槽钢的形心轴距离惯性轴的距离为： 2 3 cm cm cm   则该横截面对中性轴总的惯性矩为 221 1 1 2 2 2= 4 ( )I I S l I S l     总 222 0 1 .6 1 6 8 2 .4 4 ( 2 5 .6 1 2 .7 4 8 1 .4 8 )        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： 4max 5384qlEI  其中： 62. 8 10 /q N m ， 6    ， cm ，舱体材料选用 45钢，其弹性模量 GPaE 206 ，将上述数据代入公式可得舱体的最大变形量为： 4 6 4m a x 95 5 10 384 206 10 cmEI        变形量小于总长度的 1%( )cm ，故其刚度满足使用要求。 河南理工大学毕业设计说明书 25 第五 章 救生舱舱门的结构设计 、 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 ,人员舱和设备舱 .相应的救生舱应包含主舱门 ,缓冲门和应急舱门。 、 主舱门方案 : a: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，能够抵御 1200度的瞬时（ )高温和 60 度的持续高温。 b:舱门结构方案比较 : 目前 ,市场上生产的救生舱采用的舱门结构设计方案从四点到十二点的都有 ,传动和锁紧装置也有很多 ,下面就经常所见到的几种方案进行比较 ,并确定主舱门的结构方案。 1) 、 旋转十字型 (四点锁紧 ) 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。 河南理工大学毕业设计说明书 26 2) 联动滑动型（四点锁紧） 优点：结构刚度好，工作可靠性高。 缺点：上下边的密封性较差。 采用了齿轮传动 和螺旋传动，结构较复杂，有力的放大作用， 但效率很低。 3） 十点和十二 点联动锁紧 优点：理论上门的受力均匀，密封性较好。 缺点：结构复杂，由于零件太多，可靠性降低，可能由于一个锁紧点进入不了啮合而使开关困难。 虽然在理论上锁紧点多能增加 密封效果，但由于加工精度的原因，可能各个锁紧点并不能都能起到好的 作 用。 河南理工大学毕业设计说明书 27 c: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。 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。 、 过渡舱门结构方案： a：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。 河南理工大学毕业设计说明书 28 b：舱门结构方案比较： 现有的过渡舱门大都没有考虑密封性要求，大部分采用了单点锁紧。 我们也设计了两个方案备选： (1)、普通单点锁紧 优点：结构简单， 工作可靠性高。 缺点：密封性差。 （ 2）双点锁紧 优点：结构简单，加工和安装方便，效率高，可靠性高。 c：舱门结构方案确定 对两种方案进行比较，发现第二种方案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，因而最终选用方案二作为缓冲门的结构方案。 、 应急门方案 a：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 的情河南理工大学毕业设计说明书 29 况下能方便进出，最小面积不小于 m2(248。 620)。 b：舱门方案比较 ： 现在市场上出现的救生舱 应急舱 门都要求面积合适，密封严格，因此舱门都采用多点锁合结构，其中多为四点锁紧。 （ 我们设计两种方案进行比较选取 （ 1）旋转式连杆机构 特点 ：动作灵活可靠，结构简单，密封性能好。 存在死点，设计时应注意避免。 （ 2）曲柄滑块机构 河南理工大学毕业设计说明书 30 特点： 结构简单，四点联动，工作效率高。 受力合理，能较好地满足锁紧要求。 c、应急舱门方案确定： 通过对上面两个方案的比较 ，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。 、各舱门结构参数计算： 、 主舱门结构计算： （ 1） 、舱门人 机工程学设计 设计舱门尺寸是时，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，防止透水早期开门时进水。 实际舱门高度河南理工大学毕业设计说明书 31 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 N127381 ，女子的扭力为 N78200 ；身体屈曲双手扭转时男子的扭力为 N244544 ，女子的扭力为 N138267。 有些把手很短时需要弯腰操作据测量弯腰双手扭转时男人的扭力为 N335943 ，女子 的扭力为 N196416。 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。 （ 2）救生舱门板设计 救生舱门与舱体结合出示意图如下： 救生舱形状设计为矩形，为了便于人在发生矿难时能够迅速打开舱门，进入救生舱，舱门面积因该大一点好。 但同时又避免因为舱门面积过大而造成密封困难，刚度不符合要求等原因，根据人机工程学和材料力学知识，初步确定救生舱门的结构尺寸为mmmmhb 1 2 5 06 5 0  ，门 板厚度为 20mm。 在门的四周冲压出截面尺寸为mmmm 2020  凸缘，用以安放密封材料。 相应的在舱体壁上与舱门配合部位，也制作成河南理工大学毕业设计说明书 32 同样尺寸的凸缘。 舱门的锁紧原理为：当人员进入救生舱后，扭动舱门上的手轮，驱动锁紧机构上的传动装置，使压紧杆向上运动，顶在舱体壁上的压紧楔块上，随着压紧杆的继续向上运动，同时由于在靠近门边缘处安装的轴承座对压紧杆的约束作用，为压紧杆提供一个向下的压力，迫使压紧杆压紧楔块，从而造成舱体的变形，使舱体的凸缘压紧舱门的凸缘，从而达到密封效果。 舱门锁紧机构采用四 点锁紧，为了使舱门在压缩密封材料时，整个凸缘部分所受的力均匀分布，因此在舱门上安装轴承座的位置加装肋板，以达到使载荷均匀分布的效果，同时又增强了舱门的刚度，肋板截面尺寸根据其上面安装的轴承座尺寸确定，取为mmmmhb 2050  舱门门板需要与锁紧装置装配，因此在舱门的中间位置必须设计安装锁紧装置轴的轴承座， 初步确定轴承座孔的直径为 mmd 50。 （ 2） 、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 ， M P aM P a sb 3 5 5,6 4 0   ， 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 mmL 3。 锁紧装置 所需 提供 压力： 由公式 FLL EA 得， 3L mm ， 20L mm ， 2E MPa ， 22(12 50 65 0) 2 10 3. 8 10Am      KNL LEAF 0 0 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 : 河南理工大学毕业设计说明书 33 KNFF 39。  （ 3） 、 计算驱动特性 在屈曲状态下的输出力为 600N。 摩擦 系数：静系数 ，动系数 ~，摩擦角f 度，不考虑插销自身的变形，插销 进 L， 形成的对密封材料的压缩量为： fLL tan ， 若 L=50mm， f 度， 取楔角为 。 则 mmL a n50 。 手轮直径  =400mm。 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： mmAB 80 ， mmCEmmBC 17 5508012 0265 0,12 0 。 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，该机构启动性能良河南理工大学毕业设计说明书 34 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 65A 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 ， 当 65A 时，  78,37 BA C B。 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 nF =600（ N）， 手轮直径 mm400。 求 F1： 0n 4 8 0 1 c o s1 2FF     n 006 0 0 4 0 01 7 6 6 . 7 54 8 0 c o s 1 2 4 8 0 c o s 1 2FF     （ N） （ 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 2N ， D 点支撑处对其的支反力 1N ，以及 1N ， 2N 所产生的摩擦力 21,ff。 其受力分析如下图所示 ，图中 A点距离轴的支撑处为 50mm，支撑的宽度 b=50mm： 河南理工大学毕业设计说明书 35 列力的平衡方程：   1 0 05037s in21211 NN NNF 解得： ，方向向上。 方向向下。 NNNN 4 6 1,9 2 3 21  主动力： 0d = 1 c o s 3 7 6 1 2 .3 5 ( )F F N 摩擦阻力： NNNfF f 208)461923()( 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 主舱门在即将锁紧时的示意图： 河南理工大学毕业设计说明书 36 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： 此时压紧杆所受到的支反力与摩擦力大小计算如下： NNNN 2855, os  NfN。