基于FLUENT数值模拟的防爆门快速复位控制系统

基于FLUENT数值模拟的防爆门快速复位控制系统郭旭【摘要】In order to solve the related technical problems, the technology of quick reset of mine neutral air well and the backup explosion-proof door are studied in order to solve the related technical problems. The simulation results of shock resistance and deformation of the spare blast proof door show that the existing and the designed two blast proof door systems are independent of each other, once the gas explosion occurs in the underground coal mine, The system can close the air well as fast as possible, and play the same function as the explosion-proof door. Can both ventilation and backwind, the backup blast door system has a movable air door, sealing doors can be mine again or multiple explosions in the event of automatic The reduction or opening of the mine can ensure the normal circulation of the air when an accident occurs in a mine.%矿井灾变时,立风井的密封复位速度十分关键,为了解决相关的技术难题,对煤矿中立风井的快速复位的技术以及备用的防爆门进行了研究.对备用的防爆门进行了抗冲击和变形模拟实验,结果显示为:现有的与所设计的两个防爆门系统是相互独立的,煤矿井下一旦发生了瓦斯爆炸,该系统可以最快速度封闭风井井口,起到与防爆门一样的功能,既能通风又能反风,备用的防爆门系统有可活动的风门,风门可以在矿井再次或者多次发生爆炸时自动复位或打开,在矿井发生事故时可保证空气的正常流通.【期刊名称】《机械管理开发》【年(卷),期】2018(033)005【总页数】3页(P155-157)【关键词】复位技术;立风井;瓦斯爆炸;备用防爆门【作者】郭旭【作者单位】同煤浙能麻家梁煤业有限公司, 山西朔州 036000【正文语种】中文【中图分类】U442.32;U443.22引言矿井的救援过程离不开矿浆反风，然而在防爆门关闭延迟的情况下，由于风流引起的短路，严重影响矿井的救援效率，因此瓦斯有爆炸发生后，防爆门的安全功能如何能发挥到最大程度是重中之重。

但现阶段保证防爆门安全的方法只能是改造现有防爆门的结构，瓦斯爆炸的当量是无法计算的，仅仅改变防爆门的结构事实上保证不了爆炸发生时防爆门不会被毁坏。

因此，提出使用全新的备用防爆门，一旦发生瓦斯事故且原来的防爆门出现问题时这种防爆门能及时回到原来位置，将风井密闭，保证矿井的通风，阻止瓦斯爆炸带来的破坏进一步加深，最大限度减少损失。

1 防爆门设计原理1.1 等效模拟爆炸的试验和计算对瓦斯爆炸冲击波的传播原理以及对瓦斯冲击波的爆炸强度控制的影响因素两方面进行调研分析。

1.1.1 相似模拟爆炸当量WTNT的计算式中：α为爆炸效率因子，取0.03；Wf为燃料的总的质量，在此处为CH4的质量，0.018 kg；Qf为燃料的燃烧热，kJ/kg，甲烷燃烧热值取55.2×103kJ/kg；QTNT为TNT的爆炸热，选为4 200 kJ/kg，WTNT=12.7 g。

1.1.2 等效模拟瓦斯涌出的超压值计算由于混合气体的体积约65 L；氧气占所有反应物的2/3，其余的1/3为甲烷，对于混合物，其摩尔质量约为26.5 L，同时甲烷的密度值为0.656 kg/m3，工况下完全燃烧1 kg C2H4释放的热量大约为55.3 MJ，而化学反应之后能够释放的热量约为0.8 MJ。

对于冲击波而言，其波阵面大概的传播速度为551 m/s，超压值等效为1.92×105Pa[1]。

1.2 矿井产生灾变后的立风井控风策略在对现有的防爆门所存的安全问题了解、分析后，决定保持现有的防爆门设计结构不变，并设置一个备用的独立对开的防爆门，同时优化备用防爆门的设计方案。

在瓦斯爆炸矿难发生时且原有的防爆门不起作用时，备用防爆门可将风井封闭。

再次或多次爆炸发生时，备用防爆门可自动复位、自动打开。

大量研究表明，当有瓦斯涌出或者井下爆炸，威力最大是在第一次，使用中的防爆门会受到巨大的损坏，随后的若干次爆炸，防爆门受到的气流冲击会逐渐降低，在第一次爆炸造成防爆门摧毁的情况下，备用防爆门能够投入使用并且产生持续防爆作用。

1.3 防爆门应对灾害的快速复位系统设计方案设计备用防爆门时，应重点考虑下列因素：一是能够完全密封、罩盖原有的风井；二是灵活对接、移动且快速闭锁[2]。

研究后有三个方案：倾斜滑道复位系统、吊装复位系统、水平导轨牵引系统。

对比后得出水平导轨牵引系统更有优势。

此方案主要思路是原风井盖旁有两根水平导轨，打算将备用防爆门放于此，在电动机驱动下可沿着水平的导轨移动。

当井下灾变冲击破坏了原风井盖，急需使用快速复位防爆门系统的情况下，横梁机构被系统的电控部分快速拖动，把备用防爆门移动到发生灾害的风井盖位置。

原风井盖上方会直接将它锁牢，井盖不会再反风条件下被吹开。

此方案中电动机推动防爆门的位置变化，将备用防爆设备快速移动到所需要的位置，现场试验表明，移动并锁定的时间仅为30 s，在有效时间内实现了反风，人为操作量比较少，减小了安全隐患。

实现防爆门快速进行复位的结构示意如图1所示，整个复位机构主要由风井盖的转轴、门扇以及配重构成。

瓦斯爆炸发生时备用防爆门能尽快开启，对快速开启结构的配重进行了计算。

对井盖开启的运动学和动力学理论进行了分析，证明了井盖开启时间符合要求。

为提升井盖的刚度，在井盖上加了钢筋，并对刚度、加强筋、以及转轴强度进行校正。

图1 防爆门快速复位结构1.4 防爆门的电气控制原理防爆门的电气控制主要是电动推杆电机和横梁行走设备构成。

图2的电气回路中，横梁行走电动机是D1和D2，锁紧装置中的电动推杆电动机为D3、D4、D5、D6，两种电动进行同时同步转动。

防爆门出于备用状态时，整个电机驱动系统停止工作。

在收到复位信号后，经工作人员按下按钮启动1ZA，此时电机开始正方向转动，防爆门开始移动方向为向前，在到达目标位置后，按钮1TA被启动，防爆门不在移动。

启动“退回”按钮1FA使防爆门停止工作，电动机反方向运转，防爆门向后走，到达终点位置时按停止按钮1TA。

开启反风功能后，锁紧状态由正向按钮启动，反风功能需要退出时，通过反向按钮来执行闭锁状态[3]。

图2 防爆门的电控控制图1.5 防爆门和密封池的连接1）方形结构的密封池与备用防爆门之间的密封结构设计。

密封圈的截面存在差异，密封的方式包括矩形、O形橡胶密封、骨形、椭圆。

结合密封件的压缩试验以及应力分析后，在大开缝或者装配状态下这几种异型密封件均可达要密封的相关要求。

在向15 mm以上比较大的开缝，不同形状的密封件仍然在气密性方面有良好的性能，以前O形圈的缺点得到弥补，在相关试验验证以及有限元的分析下，设计为在封闭立风井后备用立风井防爆门控制有效风量能达到90%以上，主要使用月形与椭圆形相融合的密封方式。

2）针对防爆门底盘的密封结构而言。

由于底盘上平面部分与大气环境接触，出于最大限度减少这种漏风情况，在备用防爆门移动至原来的风井盖的上方位置时，和空气环境必须有牢固的密封。

采取的密封措施是在底盘平面的槽钢部位，粘上厚度大约为20～30 mm的密封条，材质为橡胶海绵，在备用状态时，因本身的重力防爆门的门盖就会将橡胶海绵挤压，紧密的与底盘平面结合，在工作状态时，槽钢位置被挤压的海绵条有了封闭气体的作用。

在底盘下面的平面处，首先，底盘在移动至混凝土的方箱位置过程中，侧面的边缘始终为密封状态。

其次，底盘的前后两个端面保持密封，其密封情况为达到要求设计的比较复杂，能有效防止漏风。

为保证固定槽钢与活动槽钢两者间的有效密封，使用厚度60 mm×60 mm，长7 500 mm的密封条粘贴在活动槽钢上，这种方案有效地阻止气体从该位置发生泄漏，增强了密封效果[4]。

2 防爆门变形等效模拟方案2.1 防爆门变形等效模拟引入FLUENT模拟软件，对瓦斯爆炸的流场做数值模拟，得出备用防爆门受到的冲击波在不同时刻的压力分布，将不同时刻的压力分布、被开启的最小压力、已开启角度以及转动角的加速度采用牛顿第二定律计算，从而进行防爆门的运动状态分析。

引入ANSYS软件基础上，对防爆门所受的应力情况进行了分析，得到防爆门产生最大变形所要具备的条件。

进一步改进材料的强硬度，判断该变形属于弹性或者塑性，经FLUENT数值模拟后，得到下述结果；第一，甲烷的体积浓度达到9%发生点火现象，此时爆炸产生的冲击波压力值达到25 kPa，防爆门由备用状态转到启动，当防爆门开启角度为12°后，冲击波升至峰值700 kPa；第二，设计的备用防爆门可以承受的最大应力约为190 MPa达不到钢的240 MPa的可使用应力值，弹性变形量的最大值为32 mm，没有出现塑性变形，说明了备用防爆门的结构设计是有效的，整体性能而言，这样设计的备用防爆门达到要求[5]。

2.2 防爆门抗冲击试验分析设计的中试试验平台是实际平台的1/4。

采用的模拟井筒直径1.5 m、深度12 m，在模拟井筒的上方位置，安装上与其相同尺寸的备用防爆门，中试试验的实验顺序按照低的爆炸当量值到高的爆炸当量值，试验方案的原理结构如下页图3所示。

在中试试验平台上做了8次防爆门的中试试验。

将化学当量浓度的乙炔与纯氧的混合气体作为爆炸气体使用，体积为5～45 L，其混合目的未增加有限体积的爆炸气体的爆炸当量，TNT爆炸当量值是2.13～19.17 g，8次实验操作中将爆炸当量逐渐提高，调研备用防爆门所受应力以及形变情况。

经中试试验验证后，全部爆炸试验中，主体部分所承受应力程度没超过材料允许的应力值，未出现塑性形变，说明备用防爆门整个的设计方案合乎实际工作情况，在安全防护方面的性能良好。