瓦斯爆炸沖擊波作用下防爆門應力分布及動態響應特性研究

馬尚禎，溫小萍

（1.河南能源化工集團鶴煤公司 陜西富源煤業有限公司，陜西 延安 727502；2.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000）

0 引 言

煤礦風井防爆門是一種可防止瓦斯、煤塵爆炸時毀壞主要通風機的安全設備，且在主要通風機停運時可以打開，起到防止井下硐室和主要回風巷道瓦斯積聚的作用［1-4］。當瓦斯爆炸發生時，防爆門在強大爆炸沖擊壓力波作用下，容易發生變形甚至損壞而無法關閉，致使反風時風流短路，井下有毒氣體排出困難，影響井下救援工作［5］。針對該問題，國內外已有學者對防爆門的密封結構、冬季易結冰、備用防爆門快速復位及鎖扣等問題進行了相關研究［6-8］，但考慮實際爆炸沖擊波作用下的防爆門動態響應過程進行分析仍然較少，與此同時，通過數值模擬分析防爆門強度及結構優化也不常見［9-12］。因此，針對某煤礦風井進行防爆門結構設計的基礎上，利用FLUENT軟件對瓦斯爆炸沖擊波壓力作用下防爆門動態響應過程進行數值模擬，得出瓦斯爆炸沖擊波在不同時刻作用于防爆門上的壓力分布及其運動規律，同時運用ANSYS軟件對防爆門進行動態受力分析，在此基礎上，對防爆門現有結構進行了優化和強度校核。

1 防爆門結構設計

目前，煤礦風井防爆門結構形式主要有傘式、花瓣式、蝴蝶式等［13］。在礦井災變時期，瓦斯爆炸或瓦斯與煤塵復合爆炸當量不可估計，因此防爆門抗沖擊強度無法準確確定，容易導致在受到爆炸沖擊作用時壓力在防爆門中心底部積聚，致使防爆門變形破壞。本文設計的風井防爆門為雙開式結構，兩扇門可以繞各自轉動軸自由轉動，轉動角度為0～90°，其作用是在風井需要密封時，雙開式防爆門將井口封蓋，當瓦斯發生二次爆炸或多次爆炸時，防爆門能自動開啟，并在爆炸過后自動復位。

雙開式防爆門結構如圖1所示。風井直徑為4.8 m，方形密封池為7.5 m×7.5 m×4.1 m；單扇防爆門為2.735 m×5.2 m，厚度3 mm，門框為50角鋼，單扇防爆門質量為480 kg，配重質量為775 kg。為了簡化井筒示意圖，配重在圖1中未畫出，但在防爆門運動計算過程中加以考慮。

圖1 防爆門總體結構設計Fig.1 Overall structure design of explosion-proof door

2 防爆門動態響應特性

為了分析防爆門在瓦斯爆炸沖擊波作用下的安全可靠性，采用FLUENT軟件對瓦斯爆炸壓力場進行數值模擬，得出防爆門上的壓力分布及防爆門運動情況。

防爆門物理模型是根據實際防爆門尺寸按照1∶1建立，為提高計算精度，靠近壁面處的計算網格進行局部加密［14-15］，如圖2所示。圖2中ac和bc為雙開式防爆門，分別設為可繞a點和b點轉動的剛體，其余均為固定壁面。防爆門轉動角加速度根據牛頓第二定律確定，即與所受壓力和重力（包括活動門和配重）的力矩代數和成正比。井筒和方形密封池充滿化學當量比的CH4和空氣預混氣體。初始時刻，在井筒底部利用局部高溫（2 400℃）方法點火引爆。流動為非穩態湍流流動，湍流模型采用k-ε湍流方程，壁面采用標準壁面函數，燃燒反應采用適用于湍流燃燒的EBU渦擴散模型，并采用收斂較好的PISO算法進行迭代求解，時間步長設為1×10-5s。模擬獲得混合氣體最大爆炸壓力為782 kPa，爆炸沖擊波傳播計算時間為100 ms。

圖2 煤礦風井防爆門物理模型及計算網格Fig.2 Physical model and computational grid of explosion-proof door of coal mine air shaft

爆炸沖擊波到達活動門的初始壓力較小，由于氣流受阻而使壓力升高。在點火后24 ms時刻，活動門壓力分布最高僅為26 kPa。圖3（a），（b），（c），（d）分別為爆炸沖擊波作用下防爆門開啟至5°，25°，45°，90°時的壓力場?？梢钥闯?，防爆門開啟初期，由于防爆門開啟角度小，泄爆口較小，使氣流積聚，壓力持續升高，防爆門所受的最高壓力由26 kPa上升至782 k Pa，活動門上平均壓力由23 k Pa上升至467 k Pa。當防爆門開啟角度增大時，所積聚壓力得到足夠釋放，壓力開始逐漸下降。

圖3 不同角度時防爆門的壓力場Fig.3 Dynamic opening process of explosion-proof door at different angles

圖4（a），（b），（c），（d）顯示了防爆門角度分別為5°，25°，45°，90°時防爆門下方的壓力分布。當開啟角度為25°時，防爆門上壓力分布不均勻，靠近轉動軸位置的壓力最高，泄爆口附近壓力最低，說明防爆門泄爆作用十分顯著，但由于泄爆口較小，使防爆門上的最高壓力仍然較高。當開啟角度為90°時，防爆門上的壓力較為均勻，已下降至220 k Pa左右?？梢钥闯?，由于沖擊波的初始壓力較小，防爆門在剛開啟時角加速度較小，開啟速度較慢，之后角加速度隨之增大，開啟速度增加較快。因此在滿足材料強度前提下，應盡可能減小活動門及配重的質量，從而提高防爆門開啟速度，這樣可以防止壓力過高。

圖4 不同角度時防爆門下方的壓力分布Fig.4 Pressure distributions under explosion-roof door with different angles

3 防爆門強度分析

采用ANSYS（9.0版本）結構分析軟件，對單扇活動門在動態非線性壓力作用下的應力及變形進行分析計算，并通過校核材料強度，判斷變形類型屬于彈性變形還是塑性變形，從而檢驗活動門的安全可靠性。

單扇防爆門尺寸為2.735 m×5.2 m，門框為50角鋼，門框中間部分為米字型布置，門框與門板焊接，門板厚度3 mm，防爆門局部結構如圖5所示。在應力分析過程中，門框選用Beam188梁結構，防爆門和門框50角鋼局部如圖6所示。門板選用Shell6+3薄板結構。定義防爆門彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3，密度7 800 kg／m3。施加運動自由度約束條件：左門框（軸承附件）進行自由度約束，Ux＝Uy＝Uz＝Rx＝Rz＝0，僅保留y方向的轉動自由度。施加載荷包括壓力載荷和重力載荷，其中壓力是隨時間變化的非線性動態載荷，如表1所示。在應力計算中，將流場計算中的24 ms時刻作為初始時刻，建立活動門上所受平均壓力與時間的變化關系。與最高壓力相比，平均壓力更能反映對活動門整體的沖擊作用。選擇大位移瞬態求解器進行迭代求解。求解控制時間與防爆門總開啟時間對應，總時間為0.03 s，時間步長為0.001 s，每一時間步的載荷與壓力分析結果對應。

圖5 單扇防爆門幾何模型Fig.5 Geometric model of single explosion-proof door

圖6 防爆門局部結構Fig.6 Local structure of explosion-proof door

表1 不同時刻防爆門所受的壓力Tab.1 The pressures on the explosion-proof door at different time

圖7為防爆門的應力分布?？梢钥闯?，最大應力為230 MPa，接近鋼的許用應力245 MPa；最大變形量為38.9 mm，主要為彈性變形。由于防爆門受到沖擊波強大的扭力作用，因此應力集中在防爆門左側（圖7），主要表現為彎曲應力。

圖7 防爆門應力分布Fig.7 Stress distribution of explosion-proof door

4 防爆門結構優化

單扇門在受力運動時除了滿足強度要求之外，還需要滿足剛度要求。這主要是因為門的剛度不夠，會造成門受力發生彎曲變形，使門在再次關閉時出現問題，所以必須提高防爆門的抗彎強度。從以上受力分析可知，防爆門在沖擊波壓力作用下所受最大應力主要集中在左側，即靠近轉動軸側附近，因此可在防爆門左側加裝兩根加強筋，以進一步降低應力，提高材料安全性。其幾何結構和優化后應力分布結果如圖8所示?？梢钥闯?，結構優化后的最大應力下降為189 MPa，低于鋼的許用應力245 MPa，最大變形量為32 mm，未發生塑性變形，說明防爆門結構優化方案合理，防爆門整體可靠性符合要求，優化后效果較好。

圖8 結構優化后防爆門應力分布Fig.8 Stress distribution of explosion-proof door after structural optimization

5 結 論

在防爆門結構設計基礎上，利用FLUENT軟件對瓦斯爆炸流場進行數值模擬，獲得了不同時刻防爆門上的壓力分布及其動態響應規律。CH4體積分數9.5%，爆炸沖擊波壓力為26 kPa時防爆門開始打開，當防爆門開度為12°時壓力達到峰值782 kPa。

將不同時刻壓力載荷導入ANSYS受力分析軟件，進而對防爆門進行動態受力分析，得到了防爆門應力分布，在此基礎上進行了結構優化，材料強度校核結果顯示優化效果較好，結構優化后的防爆門整體可靠性符合要求。