新型電動防護(hù)門機(jī)構(gòu)設(shè)計及泄漏仿真

彭 飛

中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司 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，對鉸頁受力性能要求苛刻，往往存在長時間服役后由于自身門體沉降而導(dǎo)致無法正常開啟的情況。現(xiàn)有防護(hù)門多為手動操作模式，門扇啟閉時間長，臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換能力差。尤其對于大跨距、重型門扇的啟閉，在無電動操作功能的情況下已不能適應(yīng)頻繁啟閉的工程防護(hù)，迫切需要對重型防護(hù)門的電動化控制進(jìn)行設(shè)計及改造[1-2]。目前，許多學(xué)者對于防護(hù)門電動啟閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了深入研究，按動力形式大致分為 2 類：第 1 類是在防護(hù)門鉸頁處以電動機(jī)施加旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動門扇啟閉，單獨(dú)設(shè)置驅(qū)動源進(jìn)行閉鎖，此種方式只適用輕形門體，且對門扇驅(qū)動電動機(jī)的負(fù)荷較大，無法適用于大跨距、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，在電動切換為手動時的操作復(fù)雜，需要手動切除液壓機(jī)構(gòu)的連接關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)換較慢[3]。

針對上述技術(shù)難題，基于模塊化的設(shè)計理念，為了降低重載防護(hù)門動力部件的參數(shù)要求，通過增大動力臂的方式，在門扇鉸頁遠(yuǎn)端設(shè)置驅(qū)動輪，設(shè)計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

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、高自重門體的電動啟閉；

(2) 具備防止門扇徐變的功能；

(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(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)計理念，便于系列化設(shè)計。

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)動輪組件、閉鎖組件、傳感器組件、防徐變組件、手動啟閉鏈路、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 2 種操作模式。電控模式提高了操作的易人操作性和自動化程度，斷電情況下，利用結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，無需任何額外操作，電控模式自動轉(zhuǎn)換為手動模式。電控啟閉機(jī)構(gòu)整體采用模塊化設(shè)計，集成布置在拱形防護(hù)門內(nèi)，首次創(chuàng)新性的在鉸頁遠(yuǎn)端設(shè)置觸底驅(qū)動輪，利用驅(qū)動輪大力臂的特點(diǎn)降低對傳動鏈路性能的要求，具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢和較強(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

2.1 大力臂的驅(qū)動方式

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)。對于此類門扇若采用在鉸頁軸設(shè)置動力源的方式極難實(shí)現(xiàn)，且對傳動鏈路要求極高，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，綜合考慮門扇柵格式的空間布置特點(diǎn)，在門扇鉸頁遠(yuǎn)端設(shè)置驅(qū)動輪組件，驅(qū)動輪在內(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、電控傳動鏈路帶動驅(qū)動輪正、反向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而利用驅(qū)動輪與地面之間產(chǎn)生的摩擦力帶動門扇有序啟閉。驅(qū)動輪選用摩擦因數(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。由于動力輸出源設(shè)置在門扇鉸頁遠(yuǎn)端，致使驅(qū)動力臂增大，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可以在門扇驅(qū)動輪處產(chǎn)生較大的力矩，極大地降低了對傳動鏈路驅(qū)動轉(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)，往往由于長時間服役會發(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)計特點(diǎn)，對下部閉鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特色設(shè)計，設(shè)計了一種新式的防徐變聯(lián)動安全裝置，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)矩通過螺母絲杠副，以小輸入轉(zhuǎn)矩帶動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)門扇開啟或關(guān)閉就位時，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)閉時起到門扇鎖閉和抗反彈的作用；在門扇開啟時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)計理念，且內(nèi)部設(shè)置彈簧，具有自動伸縮回復(fù)的功能，未插入閉鎖時，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，閉鎖的軸肩會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)的電動方式往往是基于行程開關(guān)和繼電器控制電路進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)輸入、輸出端口較多時，布置不便，且無法實(shí)現(xiàn)電動機(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、可視化設(shè)計等功能。高自重門扇啟閉就位時，由于轉(zhuǎn)動慣量較大，往往無法平穩(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)時角度，考慮到門扇鉸頁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)時角度以便于在中控室控制屏實(shí)時顯示門扇位置，更可以針對不同門扇位置設(shè)置不同的角度閥值驅(qū)動電動機(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)動慣量門扇的碰撞問題。

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€運(yùn)動過程的分解，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，一旦反彈力過大，鉸頁和閉鎖在反彈力的作用下就會先于門扇主體損壞。

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)計值，MPa。

理論計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。為了減小計算量和確保計算的收斂性，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)計時，可以采用純彈性的保守設(shè)計，也可以采用彈塑性設(shè)計；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，閉鎖下端部受力為反彎狀態(tài)，是相對危險區(qū)域，對閉鎖上部的結(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，可以根據(jù)應(yīng)力云圖和失效應(yīng)變云圖綜合進(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)針對防護(hù)門的泄漏特性確定各個防護(hù)設(shè)備上的抗力等級，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)置觀測點(diǎn)，如圖 8 所示，以提取相應(yīng)位置的壓力時間歷程曲線。

圖8 觀測點(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，對第 1 道防護(hù)門前觀測點(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，峰值達(dá)到 0.278 MPa；由觀測點(diǎn) 9 可知，在觀測點(diǎn) 8處壓力到達(dá)峰值前已開始泄漏，并在 86 ms 時達(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。因此，第 2 道防護(hù)門建議設(shè)置為 5 級防護(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

通過對電控啟閉機(jī)構(gòu)不同鏈路傳動參數(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)，且可長時間重載安全運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計工藝的合理性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

基于模塊化設(shè)計理念研發(fā)的電動高抗力防護(hù)門，解決了傳統(tǒng)電動防護(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)。通過系統(tǒng)的闡述機(jī)構(gòu)設(shè)計的創(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。