防熱艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐鶴

摘 要：本文通過(guò)對(duì)井下防熱艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了新的設(shè)計(jì)方案，即采用玻璃鋼做支撐件，納米及相變材料做關(guān)鍵隔熱層。據(jù)此設(shè)計(jì)的井下防熱艙的成功應(yīng)用，對(duì)類似防熱艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：井下防熱艙;玻璃鋼;納米材料;相變材料

中圖分類號(hào)：TD774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）10-0048-02

Abstract： By analyzing the structure of underground heat-proof chamber， a new design scheme was put forward in this paper， in which glass fiber reinforced plastic （FRP） was used as support， nano-meter and phase change material （PCM） were used as key insulation layers. The successful application of the underground heat-proof cabin designed on this basis has a strong guiding role for the design of similar structure of the heat-proof cabin.

Keywords： underground thermal chamber;fiberglass;nanomaterials;phase change materials

1 研究背景

礦井下的工作存在多種危險(xiǎn)因素，一旦礦井坍塌或發(fā)生爆炸，往往造成死傷無(wú)數(shù)。如果發(fā)生礦難時(shí)，人員能夠就近逃到救生裝置中，關(guān)閉入口后靠里面的配備維持生命，那么，危險(xiǎn)和死亡系數(shù)就會(huì)降低很多。因此，國(guó)家一直致力于開(kāi)發(fā)和研究救生裝置，以在礦難中杜絕或減少人身傷亡。井下防熱艙（也叫避難艙）的研究在此推動(dòng)下發(fā)展迅速且取得了一些進(jìn)展。但是，與國(guó)外防熱艙相比，國(guó)內(nèi)防熱艙在隔熱方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍存在很多問(wèn)題，并且密封性能、力學(xué)性能和熱力學(xué)性能的同步實(shí)現(xiàn)性得不到保證[1]。而這幾方面的性能正是防熱艙必須具備的條件。因此，眾多研究圍繞此展開(kāi)。迄今為止，國(guó)內(nèi)的防熱艙只有少數(shù)幾家通過(guò)了測(cè)試，但要想取得煤安局的認(rèn)證，還需要達(dá)到更高的水平、具備更優(yōu)異的性能[2]。為了井下人員的安全，必須加大力度，加快研究步伐，盡早實(shí)現(xiàn)井下安全配備的齊全性和可靠性。根據(jù)工作需要，筆者在這方面做了一定探索，并成功地設(shè)計(jì)出了性能良好的隔熱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)將相關(guān)設(shè)計(jì)資料整理出來(lái)與大家共享。此項(xiàng)研究對(duì)促進(jìn)井下產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和不斷提高救生設(shè)備制造能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 項(xiàng)目由來(lái)

為滿足市場(chǎng)需求，為井下安全提供更多保障，必須在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)注重防熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是隔熱材料的設(shè)計(jì)和安裝，這需要極其巧妙的設(shè)計(jì)。因?yàn)榉罒崤撏獠渴卿摪搴附咏Y(jié)構(gòu)，中間是隔熱層，最里面是內(nèi)飾鋼板，要想達(dá)到隔熱效果，內(nèi)外鋼板絕對(duì)不能貫通而整體結(jié)構(gòu)又必須保證安全可靠、連接牢靠，這也是整個(gè)防熱艙的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)。另外，防熱艙安裝有門(mén)窗，門(mén)窗處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不容忽視，其直接關(guān)系到整艙隔熱效果和艙體密封性能[3]。

3 防熱艙對(duì)隔熱層的要求

隔熱層在防熱艙內(nèi)部起到隔熱、過(guò)渡連接和支撐內(nèi)部設(shè)備（吊燈、座椅、電纜線等）的作用，隔熱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到防熱艙整體的隔熱效果。具體要求如下：①達(dá)到規(guī)定的耐高溫要求;②與外鋼板連接安全可靠;③可以安裝內(nèi)飾鋼板;④有一定強(qiáng)度，可以安裝設(shè)備。

4 隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝方案

支撐材料的設(shè)計(jì)是防熱艙整體結(jié)構(gòu)一個(gè)至關(guān)重要的部分，在防熱艙中主要起到和內(nèi)飾鋼板連接的作用，并能支撐、固定艙內(nèi)設(shè)備如座椅、電纜線、吊燈等。支撐材料必須具有一定的強(qiáng)度，以保證連接的安全性和可靠性，即使艙體在運(yùn)輸及起吊過(guò)程中發(fā)生震蕩，也不能被破壞;還要具備隔熱性能，即熱導(dǎo)率低，不能使內(nèi)外鋼板間發(fā)生致命的熱傳遞而破壞整艙的隔熱性能[4]。為了滿足上述要求，本設(shè)計(jì)選擇玻璃鋼。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，艙體外鋼板內(nèi)側(cè)方向上指定位置焊接螺柱，穿過(guò)玻璃鋼上的孔后用螺帽擰緊，將玻璃鋼塊固定;而玻璃鋼塊上孔的相對(duì)一面則可以鉚接內(nèi)飾鋼板，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

核心隔熱層的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。采用納米及相變材料疊加鋪設(shè)的隔熱層性能良好，經(jīng)計(jì)算可以達(dá)到要求。將納米材料設(shè)計(jì)成錯(cuò)縫安裝的異形件，以降低熱傳導(dǎo)效率，保障隔熱性能。

門(mén)窗處的設(shè)計(jì)需要考慮艙體密封性能，因此，窗口及門(mén)口四周也用玻璃鋼安裝。

將玻璃鋼塊固定在外鋼板焊接的螺柱上，用螺帽擰緊以達(dá)到緊固要求，內(nèi)部塞松軟的隔熱棉，然后鋪設(shè)隔熱層。納米材料錯(cuò)縫鋪在第一、二層，相變材料鋪在第三層，最后安裝的內(nèi)飾鋼板可以與玻璃鋼塊配打鉚釘，這樣外鋼板、隔熱層及內(nèi)飾鋼板就通過(guò)玻璃鋼塊的中間連接作用而固定安裝在一起。整艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局見(jiàn)圖3。

5 結(jié)論

此方法已經(jīng)在防熱艙制造中成功應(yīng)用，以玻璃鋼塊作為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的支撐，以納米材料和相變材料作為關(guān)鍵隔熱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了各項(xiàng)指標(biāo)要求?？梢?jiàn)，此設(shè)計(jì)是合理、有效和安全的。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙君官，李強(qiáng).礦用應(yīng)急避難艙可靠性分析[J].煤礦機(jī)械，2012（7）：94-96.

[2]孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011（5）：713-717.

[3]李博，黃圓月.避難硐室與避難倉(cāng)特點(diǎn)與優(yōu)化方案[J].采礦技術(shù)，2011（6）：64-65.

[4]孟磊.煤礦井下避難硐室系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討[J].煤礦安全，2011（11）：150-153.