CN110287635B - 一种同步配重盖式防爆门设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步配重盖式防爆门的设计方法，属于矿井通风系统设计领域。根据压力容器设计中的强度理论，给出了计算防爆盖板用钢板厚度的方法。首次介绍了配重比和行程比的概念，并给出了计算配重比和行程比范围的方法，以合理地确定配重系统的配重、防爆盖行程与配重块行程的大小，通过防爆盖与配重块的行程可以进一步确定改向轮架与配重架的高度。本发明提供的同步配重盖式防爆门设计计算方法计算简单，减小了设计时的计算量，创造性的提出了配重比和行程比的概念，可以避免同步配重盖式防爆门设计的盲目性，具有很强的工程实践可行性和有效性。

Description

一种同步配重盖式防爆门设计方法

技术领域

本发明涉及矿井通风系统防爆门设计方法领域，具体是一种同步配重盖式防爆门设计方法。

背景技术

矿井防爆门是与回风井主通风机平行安装的一种特殊密封装置，是矿井通风系统中最重要的安全部件之一。防爆门主要由防爆盖、改向轮架、配重块等部件组成，如图1所示为矿井防爆门的具体结构，图1中：1、防爆门基础，2、油封槽，3、防爆盖，4、改向轮架，5、钢丝绳，6、调绳装置，7、改向轮，8、配重架，9、导轨，10、配重机构，11、配重机构配重块。和传统其他领域的防爆门相比，改向轮架下面不是配重块，而是改向滑轮。和防爆盖相连的4根钢丝绳经多个滑轮的改向均引入到同一个配重块，各钢丝绳均有调节绳长短的调绳装置，因平衡块沿立柱导向运动不易倾斜，这样，钢丝绳将随配重块同步运动。

防爆门可以防止地下爆炸事故的扩大。其主要作用为正常通风时，防爆门保持关闭，防止气流短路；当主风机停止运行时，防爆门自动打开，矿井利用自然风压进行通风；井下发生爆炸时，防爆门也自动开启，保护风机不受爆炸气体冲击而损坏。煤矿瓦斯爆炸常因防爆门不起作用，导致通风系统短路，主扇风机不能工作。爆炸释放出的大量有毒、有害气体不能及时排到地面，二氧化碳中毒导致伤亡个人数增加，以致事故扩大。因此，采用科学的设计方法设计防爆门，具有重要的研究价值。

现有的同步配重盖式防爆门设计中参数的选取多数凭借经验选取，为了避免设计的盲目性，急切的需要一种同步配重盖式防爆门主要参数的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步配重盖式防爆门设计方法，以解决现有技术同步配重盖式防爆门仅依靠经验盲目选取设计参数的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种同步配重盖式防爆门设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、确定同步配重盖式防爆门中防爆盖的有效厚度和厚度附加量，通过将有效厚度和厚度附加量相加计算得到同步配重盖式防爆门中防爆盖的实际厚度；

(2)、根据同步配重盖式防爆门所处环境的压力参数、钢丝绳与转向滑轮之间的摩擦参数、防爆盖的重量参数M、防爆盖的面积参数S，构建同步配重盖式防爆门的配重比范围公式，所述配重比为同步配重盖式防爆门中配重块质量和防爆盖质量之比，具体过程如下：

设m为配重块质量；M为防爆盖的质量；i为当量摩擦面数量；f为钢丝绳与转向滑轮之间的摩擦系数；P₀为防爆盖外表面气体压力，通常为空气压力；P₁为防爆盖内表面气体压力；S为防爆盖的表面积；g为重力加速度。则配重比范围公式为：

设配重比χ＝m/M，当量摩擦系数f_e＝if，则公式(1)可以转化为下式：

(3)、依据经验确定使步骤(2)得到的配重比范围为有效配重比时当量摩擦系数f_e的条件，如下式所示：

公式(3)中，β是与防爆盖连接的钢丝绳与垂直方向的夹角，β随f防爆盖的升高而变化，当防爆盖关闭时，β取β_min，当防爆盖打开时，β取为β_max；

当量摩擦系数f_e满足公式(3)时，步骤(2)得到的配重比范围为有效配重比；

(4)、构建同步配重盖式防爆门中防爆盖的状态函数，根据防爆盖的状态函数判断是否能够避免自锁问题而顺利使用配重块打开防爆盖，并确定满足顺利使用配重块打开防爆盖的要求时当量摩擦系数f_e与配重比χ的关系式，具体过程如下：

构建防爆盖的状态函数如下式所示：

w(χ,f_e,β_max)＝[χ-f_e(χ+1)]cosβ_max-1＝(χcosβ_max-1)-f_e(χ+1)cosβ_max (4)，

根据公式(4)，防爆盖的状态可表示为：

通过防爆盖的状态函数可知，当w(χ，f_e，β_max)>0时，防爆盖可以避免自锁问题在配重块的作用下打开；当w(χ，f_e，β_max)<0时，防爆盖无法打开；

根据w(χ，f_e，β_max)>0可以得到避免自锁问题时当量摩擦系数f_e与配重比χ的关系式：

(5)、分别计算配重块行程h和防爆盖的行程h″，并根据配重块和防爆盖的行程计算同步配重盖式防爆门的行程比ψ，行程比ψ为配重块行程和防爆盖行程之比，即ψ＝h″/h；然后确定行程比ψ的范围，并最终得到配重比的计算公式，具体过程如下：

配重块的设计行程计算公式为；

h＝D/4 (7)，

公式(7)中，D为防爆盖最大半径；一般来说，配重块的实际设计行程为：

h＝D/4-h₀ (8)，

公式(8)中，h₀是常数，它是由实际操作确定的合理值；

防爆盖的行程计算公式为：

则行程比ψ为：

根据配重比的概念，则行程比与配重比的关系为

将等式(10)的两边取关于χ的倒数，则

由上式可知，行程比ψ随着配重比χ的增大而增大，根据配重比的范围可以确定行程比ψ的范围为：

如果已知行程比和当量摩擦系数，由公式(10)可得配重比χ的计算公式为：

(6)、根据步骤(5)得到的配重比χ计算公式(12)，在确定防爆盖质量的条件下得到配重块的质量。

所述的一种同步配重盖式防爆门设计方法，其特征在于：步骤(1)中，将同步配重盖式防爆门简化为压力容器模型，根据压力容器强度理论，确定同步配重盖式防爆门中防爆盖的有效厚度；根据材料的厚度负偏差和腐蚀裕量确定防爆盖的厚度附加量，进一步计算出防爆盖的实际厚度，过程如下：

构建防爆盖的有效厚度公式为：

公式(13)，P为作用在防爆盖上的气体压力；D为防爆盖圆锥体大端直径；α为防爆盖圆锥体的半锥角；φ为焊缝系数；[σ]为防爆盖的许用应力；t_n为防爆盖的有效厚度；

防爆盖的实际厚度为

t＝t_n+C (14)，

公式(14)中，C为厚度附加量，C由钢材的厚度负偏差C₁和腐蚀裕量C₂，即C＝C₁+C₂，不包括加工减薄量C₃。

与现有技术相比，本发明优点为：

本发明根据压力容器设计中的强度理论，给出了计算防爆盖板用钢板厚度的方法。首次介绍了配重比和行程比的概念，并给出了计算配重比和行程比范围的方法，以合理地确定配重系统的配重、防爆盖行程与配重块行程的大小，通过防爆盖与配重块的行程可以进一步确定改向轮架与配重架的高度。提供的同步配重盖式防爆门设计计算方法计算简单，减小了设计时的计算量，创造性的提出了配重比和行程比的概念，可以避免同步配重盖式防爆门设计的盲目性。

附图说明

图1是同步配重式防爆门结构示意图。

图2是本发明流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，一种同步配重盖式防爆门设计方法，包括以下步骤：

(1)、确定同步配重盖式防爆门中防爆盖的有效厚度和厚度附加量，通过将有效厚度和厚度附加量相加计算得到同步配重盖式防爆门中防爆盖的实际厚度；

(2)、根据同步配重盖式防爆门所处环境的压力参数、钢丝绳与转向滑轮之间的摩擦参数、防爆盖的重量参数M、防爆盖的面积参数S，构建同步配重盖式防爆门的配重比范围公式，所述配重比为同步配重盖式防爆门中配重块质量和防爆盖质量之比，具体过程如下：

设m为配重块质量；M为防爆盖的质量；i为当量摩擦面数量；f为钢丝绳与转向滑轮之间的摩擦系数；P₀为防爆盖外表面气体压力，通常为空气压力；P₁为防爆盖内表面气体压力；S为防爆盖的表面积；g为重力加速度。则配重比范围公式为：

设配重比χ＝m/M，当量摩擦系数f_e＝if，则公式(1)可以转化为下式：

(3)、依据经验确定使步骤(2)得到的配重比范围为有效配重比时当量摩擦系数f_e的条件，如下式所示：

公式(3)中，β是与防爆盖连接的钢丝绳与垂直方向的夹角，β随防爆盖的升高而变化，当防爆盖关闭时，β取β_min，当防爆盖打开时，β取为β_max；

当量摩擦系数f_e满足公式(3)时，步骤(2)得到的配重比范围为有效配重比；

(4)、构建同步配重盖式防爆门中防爆盖的状态函数，根据防爆盖的状态函数判断是否能够避免自锁问题而顺利使用配重块打开防爆盖，并确定满足顺利使用配重块打开防爆盖的要求时当量摩擦系数f_e与配重比χ的关系式，具体过程如下：

构建防爆盖的状态函数如下式所示：

w(χ,f_e,β_max)＝[χ-f_e(χ+1)]cosβ_max-1＝(χcosβ_max-1)-f_e(χ+1)cosβ_max (4)，

根据公式(4)，防爆盖的状态可表示为：

通过防爆盖的状态函数可知，当w(χ，f_e，β_max)>0时，防爆盖可以避免自锁问题在配重块的作用下打开；当w(χ，f_e，β_max)<0时，防爆盖无法打开；

根据w(χ，f_e，β_max)>0可以得到避免自锁问题时当量摩擦系数f_e与配重比χ的关系式：

(5)、分别计算配重块行程h和防爆盖的行程h″，并根据配重块和防爆盖的行程计算同步配重盖式防爆门的行程比ψ，行程比ψ为配重块行程和防爆盖行程之比，即ψ＝h″/h；然后确定行程比ψ的范围，并最终得到配重比的计算公式，具体过程如下：

配重块的设计行程计算公式为；

h＝D/4 (7)，

公式(7)中，D为防爆盖最大半径；一般来说，配重块的实际设计行程为：

h＝D/4-h₀ (8)，

公式(8)中，h₀是常数，它是由实际操作确定的合理值；

防爆盖的行程计算公式为：

则行程比ψ为：

根据配重比的概念，则行程比与配重比的关系为

将等式(10)的两边取关于χ的倒数，则

由上式可知，行程比ψ随着配重比χ的增大而增大，根据配重比的范围可以确定行程比ψ的范围为：

如果已知行程比和当量摩擦系数，由公式(10)可得配重比χ的计算公式为：

(6)、根据步骤(5)得到的配重比χ计算公式(12)，在确定防爆盖质量的条件下得到配重块的质量。

步骤(1)中，将同步配重盖式防爆门简化为压力容器模型，根据压力容器强度理论，确定同步配重盖式防爆门的中防爆盖的有效厚度；根据材料的厚度负偏差和腐蚀裕量确定防爆盖的厚度附加量，进一步计算出防爆盖的实际厚度，过程如下：

构建防爆盖的有效厚度公式为：

公式(13)，P为作用在防爆盖上的气体压力；D为防爆盖圆锥体大端直径；α为防爆盖圆锥体的半锥角；φ为焊缝系数；[σ]为防爆盖的许用应力；t_n为防爆盖的有效厚度；

防爆盖的实际厚度为

t＝t_n+C (14)，

公式(14)中，C为厚度附加量，C由钢材的厚度负偏差C₁和腐蚀裕量C₂，即C＝C₁+C₂，不包括加工减薄量C₃。

实施例：

本实施例为同步配重盖式防爆门，其具体参数为：防爆门大端直径D＝7500mm，回风井的总负压P＝5200Pa，防爆盖圆锥体的半锥角α＝75°，防爆盖表面积S＝44.18m²，当量摩擦面数量i＝2，钢丝绳与转向滑轮的摩擦系数f＝0.1。

结合图1，其主要步骤主要包括：

步骤1：将同步配重盖式防爆门简化为压力容器模型，根据压力容器强度理论，确定同步配重盖式防爆门的有效厚度，根据材料的厚度负偏差和腐蚀裕量确定同步配重盖式防爆门的厚度附加量，进一步计算出同步配重盖式防爆门的实际厚度。

本实施例中，同步配重盖式防爆门的许用应力为

[σ]＝σ_s/n＝235/4＝58.75(MPa)，

本实例的焊缝系数φ＝0.8，将已知条件代入公式(13)：

本实施例中的同步配重盖式防爆门C₁＝0。考虑到防爆盖材质腐蚀速率小于0.05mm/a，且井下介质对防爆盖材质Q235腐蚀严重，故取腐蚀裕量C₂＝2mm。

因此，根据公式(14)得同步配重盖式防爆门的实际厚度为：

t＝t_n+C＝t_n+C₁+C₂＝1.60+0+2＝3.60(mm)，

根据钢板的厚度标准，同步配重盖式防爆门的实际厚度选为t＝4mm。

步骤2：根据同步配重盖式防爆门的尺寸、重量、所处环境负压的大小和钢丝绳与其的夹角，确定同步配重盖式防爆门的等效摩擦系数。判断其值得大小是否满足条件是否满足条件，若满足，说明配重比存在，则继续。

本实施例中同步配重盖式防爆门中防爆盖的质量M＝3,052kg，等效摩擦系数f_e＝if＝2×0.1＝0.2。

根据公式(3)判断是否能求解出有效配重比

等效摩擦系数f_e＝0.2<0.791，则配重比可以获得。

步骤3：确定配重比的范围，选择合适的配重比。验证所选择的配重比是否能够打开防爆门，避免防爆门出现自锁。如果可以，继续下一步；否则，重新选取较大的配重比，重新验证。

本实施例中，将已知条件代入公式(2)，得到配重比的范围为

1.580<χ<8.807，

根据配重比的定义，计算出配重块的重量为

χ_minM<m<χ_maxM，

4822<m<26879，

因此配重块质量的范围为m∈(4822,26789)kg。

为减轻实际设计中对配重块质量的影响，应尽量减小对重比。根据经验，可以近似地用它的最小值乘以1.05到1.1之间的系数。

因此配重比χ的范围如下：

χ_D≈1.05χ_min＝1.05×1.580＝1.659，

χ_U≈1.1χ_min＝1.1×1.58＝1.738，

因此，本实施例将配重比选为χ＝1.70。

将配重比代入式(3)得：

f_e＝0.2<0.235，说明防爆门可以打开，不会出现自锁现象。

步骤4：计算同步配重盖式防爆门的行程比，并分别计算配重块和防爆盖的行程，并对其结果圆整。

本实施例中，将已知条件代入式(10)，得防爆门的行程比为

根据式(7)可知配重块的行程为

h＝d/4＝7.5/4＝1.875(m)，

取配重块的行程h≈1.9(m)。

根据行程比的定义，已知配重块的行程，则防爆盖的行程为

h₂＝ψh＝1.509×1.90≈2.012(m)

取防爆盖的行程为h₂≈2.0(m)

步骤5：根据行程比的定义，计算实际的行程比。

则同步配重盖式防爆门的实际行程比为：

ψ＝h₂/h＝2.0/1.9≈1.053

步骤6：由已计算好的实际行程比，确定实际配重比，确定实际的配重块质量，检验此时防爆门是否能打开。

本实施例中，将已知代入式(12)，得防爆门得实际配重比为

χ＝1/[2/(ψ+f_e)-1]＝1/[2/(1.053+0.20)-1]＝1.677

步骤7：由已确定的实际配重比，计算配重块的质量。

根据配重比的定义，知配重块的实际质量为：

m＝χM＝1.677×3052≈5118(kg)

步骤8：检验同步配重盖式防爆门是否会出现自锁现象。

将配重比代入公式(3)得：

f_e＝0.2<0.229，说明防爆门可以打开。

最后应说明的是：以上实施仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种同步配重盖式防爆门设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、确定同步配重盖式防爆门中防爆盖的有效厚度和厚度附加量，通过将有效厚度和厚度附加量相加计算得到同步配重盖式防爆门中防爆盖的实际厚度；

(2)、根据同步配重盖式防爆门所处环境的压力参数、钢丝绳与转向滑轮之间的摩擦参数、防爆盖的重量参数M、防爆盖的面积参数S，构建同步配重盖式防爆门的配重比范围公式，所述配重比为同步配重盖式防爆门中配重块质量和防爆盖质量之比，具体过程如下：

设m为配重块质量；M为防爆盖的质量；i为当量摩擦面数量；f为钢丝绳与转向滑轮之间的摩擦系数；P₀为防爆盖外表面气体压力，通常为空气压力；P₁为防爆盖内表面气体压力；S为防爆盖的表面积；g为重力加速度；则配重比范围公式为：

设配重比χ＝m/M，当量摩擦系数f_e＝if，则公式(1)可以转化为下式：

(3)、依据经验确定使步骤(2)得到的配重比范围为有效配重比时当量摩擦系数f_e的条件，如下式所示：

公式(3)中，β是与防爆盖连接的钢丝绳与垂直方向的夹角，β随防爆盖的升高而变化，当防爆盖关闭时，β取β_min，当防爆盖打开时，β取为β_max；

当量摩擦系数f_e满足公式(3)时，步骤(2)得到的配重比范围为有效配重比；

(4)、构建同步配重盖式防爆门中防爆盖的状态函数，根据防爆盖的状态函数判断是否能够避免自锁问题而顺利使用配重块打开防爆盖，并确定满足顺利使用配重块打开防爆盖的要求时当量摩擦系数f_e与配重比χ的关系式，具体过程如下：

构建防爆盖的状态函数如下式所示：

w(χ,f_e,β_max)＝[χ-f_e(χ+1)]cosβ_max-1＝(χcosβ_max-1)-f_e(χ+1)cosβ_max (4)，

根据公式(4)，防爆盖的状态可表示为：

通过防爆盖的状态函数可知，当w(χ，f_e，β_max)>0时，防爆盖可以避免自锁问题在配重块的作用下打开；当w(χ，f_e，β_max)<0时，防爆盖无法打开；

根据w(χ，f_e，β_max)>0可以得到避免自锁问题时当量摩擦系数f_e与配重比χ的关系式：

(5)、分别计算配重块行程h和防爆盖的行程h″，并根据配重块和防爆盖的行程计算同步配重盖式防爆门的行程比ψ，行程比ψ为配重块行程和防爆盖行程之比，即ψ＝h″/h；然后确定行程比ψ的范围，并最终得到配重比的计算公式，具体过程如下：

配重块的设计行程计算公式为；

h＝D/4 (7)，

公式(7)中，D为防爆盖最大半径；一般来说，配重块的实际设计行程为：

h＝D/4-h₀ (8)，

公式(8)中，h₀是常数，它是由实际操作确定的合理值；

防爆盖的行程计算公式为：

则行程比ψ为：

根据配重比的概念，则行程比与配重比的关系为

将等式(10)的两边取关于χ的倒数，则

由上式可知，行程比ψ随着配重比χ的增大而增大，根据配重比的范围可以确定行程比ψ的范围为：

如果已知行程比和当量摩擦系数，由公式(10)可得配重比χ的计算公式为：

(6)、根据步骤(5)得到的配重比χ计算公式(12)，在确定防爆盖质量的条件下得到配重块的质量。

2.根据权利要求1所述的一种同步配重盖式防爆门设计方法，其特征在于：步骤(1)中，将同步配重盖式防爆门简化为压力容器模型，根据压力容器强度理论，确定防爆盖的有效厚度；根据材料的厚度负偏差和腐蚀裕量确定防爆盖的厚度附加量，进一步计算出防爆盖的实际厚度，过程如下：

构建防爆盖的有效厚度公式为：

公式(13)，P为作用在防爆盖上的气体压力；D为防爆盖圆锥体大端直径；α为防爆盖圆锥体的半锥角；φ为焊缝系数；[σ]为防爆盖的许用应力；t_n为防爆盖的有效厚度；

防爆盖的实际厚度为

t＝t_n+C (14)，

公式(14)中，C为厚度附加量，C由钢材的厚度负偏差C₁和腐蚀裕量C₂，即C＝C₁+C₂，不包括加工减薄量C₃。

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