人防穿墙风管系统防护密闭闸板阀的设计

1 设计背景

人防工程中,风管等管道穿越防护单元间密闭隔墙或临空墙时,通常采用板式防护密闭封堵板或防护密闭门进行临战封堵[1-3]。采用板式防护密闭封堵板进行临战封堵,封堵板平时需要单独存放,且临战转换需要拆除风管等设施,耗时耗力。采用防护密闭门进行临战封堵,平时门扇安装于高处,安全性较差,临战转换需登高操作,也需拆除风管等设施,耗时耗力,且不易操作。

对此,笔者设计了一种人防穿墙风管系统防护密闭闸板阀[4],可以实现风管等管道穿越防护单元间密闭隔墙或临空墙时的临战快速封堵,能够抵挡常规武器五级、核武器五级、常规武器六级、核武器六级冲击波载荷。

2 防护密闭闸板阀设计方案

为满足风管等管道穿越防护单元间密闭隔墙或临空墙时的临战快速封堵,笔者设计了一种人防穿墙风管系统防护密闭闸板阀,如图1所示。

这一防护密闭闸板阀有初始位和工作位两种节点状态。初始位时,阀板开启,保证风管正常工作。工作位时,阀板由丝杆螺纹副带动向洞口方向移动,利用侧板开设的斜面槽口下移挤压洞口四周的密封胶条,实现洞口关闭,满足防护密闭要求,并满足常规武器五级、核武器五级、常规武器六级、核武器六级抗力要求。

3 抗冲击波载荷分析

3.1 阀板强度

按GB 50225—2005《人民防空工程设计规范》、RFJ 02—2009《轨道交通工程人民防空设计规范》的规定,核武器五级防护封堵板,压强设计值qe为0.3 MPa,动力因子Kd为1.5,作用在阀板上的均布载荷q按等效静载荷计算,有:

q=Kdqe=0.45 MPa

对于矩形截面的平板,周界固定,整个面板受均布载荷q,其中心应力σ为[5]:

σ=c1q(b/h)2

(1)

式中:c1为应力因子,当阀板长与宽相等时,取0.137 4;b为阀板宽度,mm;h为阀板截面厚度,mm。

▲图1 防护密闭闸板阀

设计方案中,洞口尺寸取400 mm×400 mm,因此b为400 mm。核武器五级抗力条件时,取阀板厚度h为6 mm,代入式(1)得σ为274.8 MPa,小于Q345钢材的屈服强度(345 MPa)。可见,阀板设计满足强度要求。

3.2 阀板挠度

对于矩形截面的平板,周界固定,整个面板受均布载荷q,其中心挠度f为[5]:

(2)

式中:c2为挠度因子,当阀板长度与宽度相等时,取0.013 8;E为Q345钢的弹性模量,取210 GPa。

由式(2)得f为3.5 mm,最大挠跨比为8.75×10-3,小于1/110。可见,挠跨比满足规定要求。

4 有限元分析

防护密闭闸板阀中,阀板密闭状态如图2所示。冲击波从密封胶条反侧施加在阀板上,阀板的四边采用简支形式支撑在承力条上。在有限元分析时,阀板四边添加约束,阀板采用厚度为6 mm的Q345钢板,在核武器五级抗力的条件下,冲击波压强为0.3 MPa,动力因子取1.5,得到阀板密闭状态应力云图,如图3所示。最大应力值为290.5 MPa,产生在四边支撑部位,小于Q345钢的屈服强度(345 MPa),因此强度满足设计要求。

核武器六级抗力条件时,采用厚度为5 mm的 Q345钢板,进行仿真分析,得到阀板密闭状态应力云图，如图4所示。最大应力产生区域与核武器五级抗力条件下基本一致,最大应力值为250 MPa,小于Q345钢材的屈服强度(345 MPa),因此强度满足设计要求[6-10]。

▲图2 阀板密闭状态

▲图3 核武器五级阀板密闭状态应力云图

▲图4 核武器六级阀板密闭状态应力云图

5 结束语

笔者设计了人防穿墙风管系统防护密闭闸板阀,通过丝杆螺纹副带动阀板快速运动,实现风管等管道穿越防护单元间密闭隔墙或临空墙时的临战快速封堵,并能抵挡常规武器五级、核武器五级、常规武器六级、核武器六级冲击波载荷。

对这一人防穿墙风管系统防护密闭闸板阀进行了有限元分析。在核武器五级抗力条件下,采用厚度为6 mm的阀板,最大应力产生在四边支撑部位,最大应力值为290.5 MPa,满足强度要求。

在核武器六级抗力条件下,采用厚度为5 mm的阀板,最大应力产生在四边支撑部位,最大应力值为250 MPa,同样满足强度要求。