救生舱防护密闭门操作手柄机构热传导分析

杨福芹，丁中敏

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

0 引言

如果煤矿发生爆炸、火灾等事故，救生舱会长时间处于高温烟气环境［1］。试验证明这种来自舱外热空气的传热是救生舱热载荷的主要来源［2］，严重影响到救生舱内人员的生存安全，因此救生舱舱体的隔热性能成为救援能否成功的重要因素。为保障救生舱内避难人员的生命安全，行业标准《矿用可移动式救生舱通用技术条件》中规定:在极限救援条件下，外界环境温度持续55 ℃，救生舱必须将舱内温度控制在35 ℃以下［3-4］。故设计救生舱时，为了减缓舱外高温环境向舱内传热，必须对救生舱的高温防护性能进行深入研究。本文主要对某企业初步设计的一种煤矿用可移动式救生舱舱门的关键传热部件操作手柄机构进行热分析，即在ANSYS Workbench 中施加实际环境温度的情况下，观察舱内温度变化，了解所设计手柄机构的隔热性能，并对其结构作出改进，尽可能提升其热防护性能。

图1 救生舱防护密闭门的基本结构

1 救生舱防护密闭门结构简介

救生舱共有三道门，外侧第一道门为向外开启的防护密闭门，第二道门为密闭门，第三道门为应急逃生用的逃生门。前两道门之间为过渡舱，密闭门以内为生存舱，逃生门是当爆炸或矿井坍塌造成过渡舱门出现故障无法正常开启时，舱内矿工用来逃生的一个备用门［4］。图1为某企业初步设计的一种煤矿用可移动式救生舱的防护密闭门，主要由舱门门扇、门框、合页组件、手柄传动机构四大部分组成。其中的门扇用于抵抗冲击力，门框是门扇和舱体的过渡件，合页组件主要用来连接门扇和门框并实现一定的旋转运动，手柄传动机构主要完成舱门的开启和关闭锁紧功能［5］。

救生舱舱门是救生舱的关键部件，当瓦斯爆炸发生时舱门必须具有较强的隔热保温能力，救生舱所提供的毕竟是一个狭小的空间，要想保持一定的温度，舱内降温是必需的，然而隔绝外部温度传入舱内也是一种有效方式［6］。本文主要是对防护密闭门的关键传热部件操作手柄机构进行热传导分析。

2 防护密闭门操作手柄机构的热传导分析

图2 操作手柄机构的有限元模型

舱门操作手柄机构的传热性能是影响舱体隔热效果的重要因素。如图2 所示，防护密闭门操作手柄机构由外手柄组件、内手柄组件和一个传动轴组成，操作手柄组件是借鉴轮船方向盘和汽车方向盘的结构设计的，为了便于生产制造，去掉手柄环，设计成有四个手柄和一个轴头盖装配而成。在手柄顶端车有螺纹，手柄和轴头盖之间采用螺纹连接。因手柄长期暴露在潮湿的矿井环境内，手柄材料选用不锈钢，为了防滑，在手柄末端加工防滑花纹。舱门操作手柄机构各零件装配过程中使用完全接触装配。所以可以认为零件之间是完全的热接触传导，也就是说，接触面上不会存在温度差［7］。根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种［8］。本次分析没有建立操作手柄机构以外的流体模型，并忽略了热对流和热辐射这两种传热方式，只对机构进行热传导分析。

1）前处理。使用Pro/E 软件绘制好三维模型并导入Workbench 中，如图2。因为外界环境温度是随时间而变化的，因此选择分析类型为瞬态热分析，手柄和轴头盖的材料为不锈钢，传动轴的材料为45 钢，定义材料的属性见表1。

表1 材料属性

各零件的接触都是完全接触的，故选择接触类型为绑定接触，采用四面体10 节点单元SOLID187 对操作机构模型进行离散网格划分，模型网格划分后的节点数是21 813 个，单元数是11 462 个单元。

2）施加热载荷和边界条件。设置模型的初始温度为22 ℃，《矿用可移动式救生舱通用技术条件》中对真人生存实验规定:外界环境温度要持续55 ℃至少5 h，随后保持温度在30 ℃以上。本救生舱的额定防护时间为106 h（即381 600 s），因此分析中施加在操作手柄机构的外手柄组件表面如图3 所示的外界温度。

图3 施加的温度曲线

3）求解。插入装配体和内侧各零件的温度场命令，点击求解，经过瞬态热传导计算得到各部件的温度变化。

2.1 结果分析

图4 操作手柄机构的温度曲线图

图5 操作手柄机构的温度云图

图4 和5 表明的是操作手柄机构的温度变化情况。图中B 线显示的是舱门外侧零部件的温度变化，与外界环境温度一致，A 线显示的是舱门内侧零部件的温度变化，走势与B 线相似，最后稳定在30℃上。但从上面两个图中无法清晰地看出内手柄组件的温度变化。

从图6 和图8 的曲线中可以清晰看到，舱门内轴头盖和内手柄的温度都是先急剧上升再急剧下降至37 ℃后缓慢稳定在30 ℃上下，与舱外环境温度达到平衡。内轴头盖和内手柄都是在6 h 后到达最高温度，温度值为43.828 ℃和43.1 ℃；图7 和图9 的云图显示虽然最大值不发生在轴头盖和手柄的外表面上，但外表面的峰值也达到了42 ℃。这个热源带给救生舱内部大量的热量，给舱内降温带来了较大的困难，很大程度上影响了救生舱的隔热性能。

图6 内侧轴头盖的温度曲线图

图7 内侧轴头盖的温度云图

图8 内侧手柄的温度曲线图

图9 内侧手柄的温度云图

分析得知，防护密闭门的操作手柄机构的热分析不满足行业标准的规定，降低了舱体的整体隔热性能，因此需要对操作手柄从结构上进行改进。

2.2 结构改进

救生舱舱门门扇和舱体的隔热效果都是通过在内壁上加矿物岩棉实现的，矿物岩棉以天然岩石及矿物等为原料制成的蓬松状短细纤维，具有卓越的绝热性能和不燃、不霉、不蛀等性能，广泛地应用于绝热、隔音和其它产品的生产中。防护密闭门的操作手柄机构暴露在外界环境中的只有外侧轴头盖和4 个手柄。外界通过操作手柄机构向内部传热主要有两个途径：一个是手柄将热传递给轴头盖，轴头盖再传递给与之接触传动轴，此途径传递的热量不大，而且由于轴头盖与传动轴连接的地方需要传递力矩，不能对此进行隔热；另一个途径则是热量直接通过轴头盖传导进去，因此考虑在轴头盖的外表面进行隔热。

初步改进结构如图10，在轴头盖外面加一层矿物岩棉毡，为了提高矿物岩棉毡的隔热效果，在岩棉外侧再加一层与轴头盖相同形状的外壳，材料选择为导热系数小，防腐蚀不锈钢。

图10 结构改进

2.3 改进后机构的热传导分析

将改进后的结构装配好导入到Workbench 中进行瞬态热分析，矿物岩棉的材料属性：密度为50 kg/m3，导热系数为0.038 W/（m·K），比热容为0.2 J/（kg·K），并将各个接触定义为绑定接触，划分网格后在外壳的表面和手柄表面施加与上节相同的热载荷和边界条件，求解，结果如图11～14 所示。

从内侧轴头盖温度曲线图（图11）和温度云图（图12）可以看出，暴露在舱体内部的舱门操作手柄外壳在模拟的106 h 内最高温度为38.795 ℃，与改进前的43.828 ℃相比，轴头盖隔热性能有明显的改善；从内侧手柄温度曲线图（图13）和温度云图（图14）可以看出，内侧手柄的最高温度为39.975 ℃，与改进前的43.1 ℃相比，手柄隔热效果有明显提高。

图11 改进后内侧轴头盖外壳的温度曲线图

图12 改进后内侧轴头盖外壳的温度云图

图13 改进后内侧手柄的温度曲线图

图14 改进后内侧手柄的温度云图

3 结论

当煤矿发生瓦斯爆炸或火灾时，矿下温度会在短时间内升高，救生舱防护密闭门操作手柄机构成为舱外向舱内进行热传导的载体之一。合理设计操作手柄结构，使其具有良好的热防护性能，对有效控制救生舱舱内温度达到行业标准规定的35 ℃以下，以及对逃生人员安全等待救援具有重要意义。本文对某企业初步设计的一种煤矿用救生舱舱门操作手柄机构在106 h 内进行了瞬态热力学分析。分析结果表明在不影响机构强刚度的前提下，在轴头盖外附加一层矿物岩棉毡和不锈钢外壳，可以明显改善救生舱舱门操作手柄机构的隔热效果，从而为产品进一步的改进提供了参考依据。

［1］汪声，金龙哲，栗婧.救生舱热防护性能研究［J］.煤矿安全，2010（11）：16-19.

［2］杨艺，金龙哲，栗婧，等.救生舱高温环境的传热研究［J］.中国安全科学学报，2012，22（12）：138-143.

［3］许健，李长录，王凯.救生舱的生存温度保障［J］.煤矿安全，2011，42（8）：66-68.

［4］国家安全生产监督管理总局.煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［5］焦健，朱华.矿用救生舱舱门锁紧机构设计［J］.煤矿机械，2011，32（3）：42-44.

［6］汪声，金龙哲，栗婧，等.矿用救生舱热环境分析［J］.煤炭学报，2011，36（9）：1524-1527.

［7］凌桂龙，丁金滨，温正，等.ANSYS Workbench13.0 从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［8］王宏明.应用于三维叠层封装的硅通孔（TSV）建模及传热和加载分析［D］.西安：西安电子科技大学，2012.