彭 飛

中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100048

礦 山防護(hù)門是保障井下人員和煤礦井下內(nèi)部設(shè)備不受沖擊波危害并有效阻止危害延續(xù)的一種抗爆防護(hù)設(shè)備，具有門扇啟閉頻繁、臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換快速等特點(diǎn)。受價(jià)格和工藝等因素的影響，高抗力防護(hù)門多以鋼混結(jié)構(gòu)為主，此類防護(hù)門門體自重極大，對(duì)鉸頁(yè)受力性能要求苛刻，往往存在長(zhǎng)時(shí)間服役后由于自身門體沉降而導(dǎo)致無(wú)法正常開(kāi)啟的情況?，F(xiàn)有防護(hù)門多為手動(dòng)操作模式，門扇啟閉時(shí)間長(zhǎng)，臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換能力差。尤其對(duì)于大跨距、重型門扇的啟閉，在無(wú)電動(dòng)操作功能的情況下已不能適應(yīng)頻繁啟閉的工程防護(hù)，迫切需要對(duì)重型防護(hù)門的電動(dòng)化控制進(jìn)行設(shè)計(jì)及改造[1-2]。目前，許多學(xué)者對(duì)于防護(hù)門電動(dòng)啟閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，按動(dòng)力形式大致分為 2 類：第 1 類是在防護(hù)門鉸頁(yè)處以電動(dòng)機(jī)施加旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)門扇啟閉，單獨(dú)設(shè)置驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行閉鎖，此種方式只適用輕形門體，且對(duì)門扇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷較大，無(wú)法適用于大跨距、重型門扇；第 2 類是在土建門框墻上預(yù)埋液壓支座，在土建預(yù)埋和門扇之間采用液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)門扇的啟閉，同樣單獨(dú)設(shè)置驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行閉鎖，此種方式結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，需要為液壓源單獨(dú)設(shè)置液壓站安裝空間，液壓鏈路泄漏機(jī)率較大。此外，在電動(dòng)切換為手動(dòng)時(shí)的操作復(fù)雜，需要手動(dòng)切除液壓機(jī)構(gòu)的連接關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)換較慢[3]。

針對(duì)上述技術(shù)難題，基于模塊化的設(shè)計(jì)理念，為了降低重載防護(hù)門動(dòng)力部件的參數(shù)要求，通過(guò)增大動(dòng)力臂的方式，在門扇鉸頁(yè)遠(yuǎn)端設(shè)置驅(qū)動(dòng)輪，設(shè)計(jì)了一種新型模塊化電控啟閉機(jī)構(gòu)。

1 電控啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了確保電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備廣泛的適用性，其需要具備以下特性：

(1) 適用于大跨距洞口、高自重門體的電動(dòng)啟閉；

(2) 具備防止門扇徐變的功能；

(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)確保運(yùn)維便捷、結(jié)構(gòu)緊湊，且啟閉快速和轉(zhuǎn)換便捷；

(4) 采用模塊化設(shè)計(jì)理念，便于系列化設(shè)計(jì)。

新型模塊化電控啟閉機(jī)構(gòu)如圖 1 所示。以雙扇拱形防護(hù)門為基礎(chǔ)，電控啟閉機(jī)構(gòu)主要由安裝架、裝飾罩、驅(qū)動(dòng)輪組件、閉鎖組件、傳感器組件、防徐變組件、手動(dòng)啟閉鏈路、電控啟閉鏈路及電控系統(tǒng)組成。電控啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)置電控和手動(dòng) 2 種操作模式。電控模式提高了操作的易人操作性和自動(dòng)化程度，斷電情況下，利用結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，無(wú)需任何額外操作，電控模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為手動(dòng)模式。電控啟閉機(jī)構(gòu)整體采用模塊化設(shè)計(jì)，集成布置在拱形防護(hù)門內(nèi)，首次創(chuàng)新性的在鉸頁(yè)遠(yuǎn)端設(shè)置觸底驅(qū)動(dòng)輪，利用驅(qū)動(dòng)輪大力臂的特點(diǎn)降低對(duì)傳動(dòng)鏈路性能的要求，具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)的擴(kuò)展性。

圖1 新型模塊化電控啟閉機(jī)構(gòu)Fig. 1 New-type modular electric control opening and closing mechanism

考慮拱形防護(hù)門內(nèi)弧面的不規(guī)則性，電控部件集成布置在仿弧形的柵格式骨架上，外部設(shè)置小鉸頁(yè)連接的裝飾防盜面板，柵格式骨架整體焊接在拱形門的內(nèi)側(cè)弧面。電控啟閉機(jī)構(gòu)模塊化的設(shè)計(jì)布局極大地便于安裝調(diào)試和后期運(yùn)維。

2 電控啟閉機(jī)構(gòu)特色設(shè)計(jì)

2.1 大力臂的驅(qū)動(dòng)方式

高抗力防護(hù)門多采用鋼混材質(zhì)的拱形結(jié)構(gòu)，具有自重大、拱形門體、跨度大等特點(diǎn)。對(duì)于此類門扇若采用在鉸頁(yè)軸設(shè)置動(dòng)力源的方式極難實(shí)現(xiàn)，且對(duì)傳動(dòng)鏈路要求極高，損耗嚴(yán)重。新式電控啟閉機(jī)構(gòu)采用整體模塊化的設(shè)計(jì)，綜合考慮門扇柵格式的空間布置特點(diǎn)，在門扇鉸頁(yè)遠(yuǎn)端設(shè)置驅(qū)動(dòng)輪組件，驅(qū)動(dòng)輪在內(nèi)部壓縮彈簧的作用下與地面具有足夠的預(yù)緊力，且可以隨著地面的起伏而垂向伸縮，因此具有垂直越障功能。根據(jù)防護(hù)門土建精度的要求，設(shè)置垂直越障范圍為 -20～40 mm。電控啟閉機(jī)構(gòu)利用手、電控傳動(dòng)鏈路帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪正、反向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而利用驅(qū)動(dòng)輪與地面之間產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)門扇有序啟閉。驅(qū)動(dòng)輪選用摩擦因數(shù)較大的硬質(zhì)橡膠等材質(zhì)，以確保與地面之間具有足夠大的摩擦力。由于動(dòng)力輸出源設(shè)置在門扇鉸頁(yè)遠(yuǎn)端，致使驅(qū)動(dòng)力臂增大，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以在門扇驅(qū)動(dòng)輪處產(chǎn)生較大的力矩，極大地降低了對(duì)傳動(dòng)鏈路驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，在大跨距門洞、高自重門體防護(hù)工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，且具有垂向越障功能和較強(qiáng)的擴(kuò)展性。

2.2 防徐變聯(lián)動(dòng)安全裝置

由于傳統(tǒng)門扇具有自重大、拱形門體、跨度大等特點(diǎn)，往往由于長(zhǎng)時(shí)間服役會(huì)發(fā)生徐變而致使門扇遠(yuǎn)端下垂與地面接觸，致使門扇無(wú)法正常啟閉而喪失防護(hù)功能。為了解決上述工程難題，筆者基于電控結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)下部閉鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特色設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種新式的防徐變聯(lián)動(dòng)安全裝置，由絲杠式閉鎖組件和隱藏伸縮式安全裝置 2 部分組成，如圖 2 所示。

圖2 防徐變聯(lián)動(dòng)安全裝置Fig. 2 Linkage safety device for creep prevention

絲杠式閉鎖組件由軸承組導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、螺母絲杠副、軸肩閉鎖組成。軸承組導(dǎo)向組件利用軸承組的布置方式提供了一個(gè)便于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩輸入、低摩擦損耗的輸入端，輸入轉(zhuǎn)矩通過(guò)螺母絲杠副，以小輸入轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)軸肩閉鎖伸出和收縮。在絲杠式閉鎖組件的下端布置隱藏伸縮式安全裝置，當(dāng)門扇開(kāi)啟或關(guān)閉就位時(shí)，軸肩閉鎖插入到隱藏伸縮式安全裝置之中，進(jìn)行門扇的鎖定，在門扇關(guān)閉時(shí)起到門扇鎖閉和抗反彈的作用；在門扇開(kāi)啟時(shí)起到安全鎖定的作用，防止門扇意外關(guān)閉。隱藏伸縮式安全裝置采用模塊化設(shè)計(jì)理念，且內(nèi)部設(shè)置彈簧，具有自動(dòng)伸縮回復(fù)的功能，未插入閉鎖時(shí)，其端面與地面平齊，因此便于車輛和人員出入。當(dāng)伸縮式軸肩閉鎖伸出就位時(shí)，閉鎖的軸肩會(huì)與隱藏伸縮式安全裝置的端面緊密接觸而形成位移千斤頂，從而具有防止門扇遠(yuǎn)端徐變的功能。

2.3 獨(dú)特的 PLC 控制理念

防護(hù)門傳統(tǒng)的電動(dòng)方式往往是基于行程開(kāi)關(guān)和繼電器控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)輸入、輸出端口較多時(shí)，布置不便，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輸入輸出曲線、電磁離合器吸合延遲、程序之間的銜接延遲、參數(shù)可調(diào)化設(shè)計(jì)、可視化設(shè)計(jì)等功能。高自重門扇啟閉就位時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，往往無(wú)法平穩(wěn)停止，導(dǎo)致門扇與門框急劇碰撞而發(fā)生事故。

筆者基于 PLC 控制提出一種新的控制理念，在門扇鉸頁(yè)端設(shè)置模塊化的同步式角度傳感器組件，如圖 3 所示。采集門扇的實(shí)時(shí)角度，考慮到門扇鉸頁(yè)軸與角度傳感器組件角度可能存在偏差，因此設(shè)置旋轉(zhuǎn)節(jié)和伸縮節(jié)以規(guī)避。角度傳感器組件的設(shè)置不僅可以提供門扇的實(shí)時(shí)角度以便于在中控室控制屏實(shí)時(shí)顯示門扇位置，更可以針對(duì)不同門扇位置設(shè)置不同的角度閥值驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在不同的閥值區(qū)間設(shè)置加減速程序，實(shí)現(xiàn)門扇的平穩(wěn)就位，進(jìn)而解決大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量門扇的碰撞問(wèn)題。

圖3 角度傳感器組件Fig. 3 Angular sensor assembly

單扇門的控制流程如圖 4 所示。整個(gè)程序以主程序調(diào)用子程序的模式進(jìn)行，主程序用于一鍵式操作，便于快速操作。子程序?yàn)楦鱾€(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分解，用于設(shè)備安裝和調(diào)試，節(jié)省了人力調(diào)節(jié)的工作量，同時(shí)便于設(shè)備的非標(biāo)改造。程序?qū)⒓訙p速角度閥值、延遲、報(bào)警、啟閉力曲線、電磁離合器吸合延遲等一系列參數(shù)設(shè)為可調(diào)，并單獨(dú)設(shè)置調(diào)節(jié)界面，以便于統(tǒng)一程序適用不同質(zhì)量門扇的啟閉。

圖4 單扇門開(kāi)啟控制流程Fig. 4 Opening control process for single door leaf

3 抗反彈能力仿真

防護(hù)門在常規(guī)爆炸荷載作用下將發(fā)生反彈效應(yīng)，門體將承受反彈所引起的較大反向力，一旦反彈力過(guò)大，鉸頁(yè)和閉鎖在反彈力的作用下就會(huì)先于門扇主體損壞。

根據(jù)《地下防護(hù)結(jié)構(gòu)》給出的空氣沖擊波作用下正壓峰值與負(fù)壓峰值的關(guān)系公式可知：

式中：ΔPr為反射沖擊波超壓，MPa；ΔPi為入射沖擊波超壓，MPa。

電控啟閉機(jī)構(gòu)的防徐變閉鎖安全裝置是承擔(dān)反彈力的主要部件。根據(jù)傳動(dòng)鏈路的布局特點(diǎn)，閉鎖安全判據(jù)如下：

式中：τmax為閉鎖的最大剪切應(yīng)力，MPa；γd1為動(dòng)力系數(shù)；A1為門扇沖擊波反彈投影面積，mm2；f為反彈系數(shù)，一般取 0.5；S為安全系數(shù)；n為承擔(dān)反彈力的支點(diǎn)個(gè)數(shù)；A2為閉鎖反彈截面面積，mm2；γd2為材質(zhì)綜合調(diào)整系數(shù)；fv為閉鎖抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

理論計(jì)算往往不能完全考慮機(jī)械構(gòu)件的機(jī)械協(xié)同作用，為了探究防徐變閉鎖安全裝置的受力規(guī)律，合理賦予各自材料屬性以節(jié)約成本，筆者建立閉鎖、閉鎖座、耐磨套、預(yù)埋座的三維有限元模型進(jìn)行仿真分析。為了減小計(jì)算量和確保計(jì)算的收斂性，以防徐變閉鎖安全裝置的實(shí)際荷載工況進(jìn)行施加約束，預(yù)埋座的 2 個(gè)配合面施加固定約束載荷，閉鎖和耐磨套之間、耐磨套和閉鎖座之間均設(shè)置為接觸約束，閉鎖上端面和耐磨套端面設(shè)置垂直位移約束，閉鎖座端面約束平面平動(dòng)位移，其法向門施加 8 t 的反彈力。六面體實(shí)體網(wǎng)格為主，網(wǎng)格單元大小為 5 mm[4-7]，由于耐磨套壁厚較薄，為確保仿真精確性，在網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)確保其壁厚方向至少劃分 2 層網(wǎng)格。仿真模型網(wǎng)格、載荷加載及約束設(shè)置如圖 5 所示，材料參數(shù)如表 1 所列。

圖5 仿真模型網(wǎng)格劃分Fig. 5 Mesh division of simulation model

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

ISO 應(yīng)力云圖如圖 6 所示。由圖 6 可知，較大的應(yīng)力區(qū)域集中在閉鎖座、閉鎖、耐磨套和預(yù)埋座的接觸區(qū)域，在抗反彈設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用純彈性的保守設(shè)計(jì)，也可以采用彈塑性設(shè)計(jì)；預(yù)埋座的材質(zhì)應(yīng)提高，閉鎖座的應(yīng)力由于耐磨套和閉鎖的包裹效應(yīng)，對(duì)閉鎖座的要求較低，可以適當(dāng)降低閉鎖座的尺寸。由于閉鎖在反彈作用時(shí)，閉鎖下端部受力為反彎狀態(tài)，是相對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)閉鎖上部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不高，可以根據(jù)上部絲杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能性和結(jié)構(gòu)性優(yōu)化。耐磨套在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到耐磨和順滑的作用，為純受壓狀態(tài)。若采用彈塑性設(shè)計(jì)，可以根據(jù)應(yīng)力云圖和失效應(yīng)變?cè)茍D綜合進(jìn)行判斷，因此還須進(jìn)行應(yīng)變分析。由圖6(a) 可知，最大應(yīng)變?yōu)?0.000 65，處于彈性形變范圍內(nèi)。閉鎖最大位移應(yīng)小于閉鎖支撐跨度的 1/400，此處閉鎖支撐跨度為 200 mm，由位移云圖可知閉鎖最大位移為 0.075 mm，剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 ISO 應(yīng)力云圖Fig. 6 ISO stress contours

4 泄漏特性數(shù)值模擬

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，防護(hù)門與上門框、下門檻之間分別存在 10 mm 的弧形縫隙。在常規(guī)爆炸荷載作用下，沖擊波將在第一道防護(hù)門與門框之間的縫隙發(fā)生泄漏，在下一道防護(hù)門上形成超壓作用，因此應(yīng)針對(duì)防護(hù)門的泄漏特性確定各個(gè)防護(hù)設(shè)備上的抗力等級(jí)，確保工程防護(hù)設(shè)備布置的合理性。為了詳盡闡述數(shù)值模擬方法和仿真，以某工程實(shí)際尺寸進(jìn)行實(shí)例分析，如圖 7 所示。

圖7 仿真模型體域分布Fig. 7 Volume domain distribution of simulation model

利用 AUTODYN 軟件進(jìn)行仿真分析，在進(jìn)口處地面設(shè)置 272 kg TNT 炸藥，端部界面設(shè)置空氣自由域邊界模擬進(jìn)口端部空氣與外部空氣的連通特性；在通道四周設(shè)置空氣域壁面約束模擬通道墻壁的反射特性；在出口處界面設(shè)置空氣自由域邊界模擬出口端部空氣的連通特性。防護(hù)門設(shè)置 2 道，上下門框縫隙為10 mm，分析時(shí)不考慮防護(hù)門結(jié)構(gòu)自身的形變，將防護(hù)門設(shè)置為剛性體以提升分析速度[8-9]。在防護(hù)門前后適當(dāng)位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，如圖 8 所示，以提取相應(yīng)位置的壓力時(shí)間歷程曲線。

圖8 觀測(cè)點(diǎn)位置Fig. 8 Location of observation points

由仿真分析可知，爆炸沖擊波以壓力波的形式在通道內(nèi)傳播，經(jīng)過(guò)直角通道之后，最終在第 1 道防護(hù)門上形成較大的反射超壓，并有一部分泄漏至第 2 道防護(hù)門。

為了探究第 1 道防護(hù)門處的超壓值，對(duì)第 1 道防護(hù)門前觀測(cè)點(diǎn) 1、2、3 處進(jìn)行壓力提取，如圖 9 所示。由圖 9 可知，沖擊波反射超壓在 55 ms 時(shí)達(dá)到峰值 3.41 MPa，因此防護(hù)門的抗力應(yīng)不低于 4 MPa。

圖9 觀測(cè)點(diǎn) 1、2、3 壓力歷程曲線Fig. 9 Pressure history curves at observation point 1,2 and 3

為了探究第 1 道防護(hù)門和第 2 道防護(hù)門的泄漏特性，提取觀測(cè)點(diǎn) 5、8、9 和 18 壓力歷程曲線，如圖10 所示。由圖 10 可知，第 2 道防護(hù)門在 82 ms 時(shí)，峰值達(dá)到 0.278 MPa；由觀測(cè)點(diǎn) 9 可知，在觀測(cè)點(diǎn) 8處壓力到達(dá)峰值前已開(kāi)始泄漏，并在 86 ms 時(shí)達(dá)到峰值 0.114 MPa，且隨后向遠(yuǎn)處傳播，后續(xù)的空間壓力可忽略不計(jì)。因此，第 2 道防護(hù)門建議設(shè)置為 5 級(jí)防護(hù)或密閉門。后續(xù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不再設(shè)置防護(hù)設(shè)備，若考慮防毒防化，可設(shè)置密閉門即可。

圖10 觀測(cè)點(diǎn) 5、8、9、18 處壓力歷程曲線Fig. 10 Pressure history curves at observation point 5,8,9 and 18

通過(guò)對(duì)電控啟閉機(jī)構(gòu)不同鏈路傳動(dòng)參數(shù)的調(diào)試，單扇重 15 t 的門扇可在 40 s 內(nèi)平穩(wěn)啟閉，就位精準(zhǔn)，且可長(zhǎng)時(shí)間重載安全運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)工藝的合理性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

基于模塊化設(shè)計(jì)理念研發(fā)的電動(dòng)高抗力防護(hù)門，解決了傳統(tǒng)電動(dòng)防護(hù)門啟閉碰撞、運(yùn)維不便的難題，且具備垂直越障功能和防門扇徐變的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)系統(tǒng)的闡述機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)值模擬防護(hù)門的泄漏特性，對(duì)設(shè)備在實(shí)際工程的應(yīng)用和布局設(shè)防具有一定的指導(dǎo)意義。