3300V礦用隔爆兼本質(zhì)安全型SVG外殼設計

王俊峰，王玉堂，李文俊，徐文光

(1.山西汾西機電有限公司，山西　太原　030027；2.神南張家峁礦業(yè)公司，陜西　神木　719316)

?

3300V礦用隔爆兼本質(zhì)安全型SVG外殼設計

王俊峰1，王玉堂1，李文俊2，徐文光2

(1.山西汾西機電有限公司，山西太原030027；2.神南張家峁礦業(yè)公司，陜西神木719316)

大尺寸隔爆外殼設計時可供參考的資料較少，對強度的把握不是很準確，將關鍵部分獨立出來，轉(zhuǎn)換成可以理論計算的力學模型，計算得出初步的設計尺寸，建立三維模型，利用有限元分析軟件對模型進行仿真計算，兩者結(jié)合確定最終尺寸，幫助設計工作的順利進行。

隔爆外殼；強度；理論計算；有限元

1　引言

為了提高煤礦井下電網(wǎng)的供電質(zhì)量，3300V礦用隔爆型SVG逐漸應用于井下，某型產(chǎn)品的主體尺寸為：長3420mm，寬960mm，高1538mm。這么大尺寸的產(chǎn)品給隔爆外殼的設計帶來了一定的困難，因為類似產(chǎn)品國內(nèi)還很少，可供借鑒的材料不多。根據(jù)試驗表明，一般礦井中存在的可燃氣體，在其發(fā)生爆炸時約產(chǎn)生0.4～0.6MPa的壓力。對于這么大的隔爆外殼，為保證安全性，國家防爆檢驗部門要求以爆炸壓力1MPa作為設計依據(jù)。隔爆外殼大多由平板和加強筋焊接而成，將隔爆外殼每個壁板的關鍵特征進行抽取，將其轉(zhuǎn)換為結(jié)構力學中已有的模型，就可以進行強度的理論計算，借助SolidWorksSimulation進行有限元計算。在對強度沒有把握的情況下，理論計算可以很大程度上幫助設計的順利進行，對于設計的可靠性和經(jīng)濟性也是很有意義的。

2　隔爆外殼強度的理論計算

產(chǎn)品的外觀如圖1所示，隔爆外殼由焊接箱體、左門、中門、右門組成。焊接箱體前面為法蘭框，頂板、底板、左板、右板、后板都是平板加加強筋的焊接結(jié)構。本產(chǎn)品法蘭框尺寸大，其強度的保障是關鍵，在很多文獻中，對壁板強度的設計計算有很多論述，所以本文針對法蘭門體部分進行理論計算和仿真計算分析。

圖1　產(chǎn)品外觀圖

2.1法蘭框強度的理論計算

法蘭框四周與頂板、底板、左板、右板焊接，強度可以滿足要求，中間的兩個法蘭條是薄弱環(huán)節(jié)，為滿足強度要求，在其背面焊接加強筋，加強筋與法蘭條構成截面為“T”形的梁，兩個梁與底板和頂板焊接，一般焊接箱體在壁板相互垂直的焊接處幾乎為剛性，因此可將其視為兩端固支的單跨梁。

圖2　法蘭框俯視圖

圖3　法蘭框受力比例分配圖

現(xiàn)校核“T”形截面梁，三個門靠螺釘固定在法蘭

框上，承受腔體內(nèi)部P=1MPa的壓力，門上所受的力全部傳遞給法蘭框。由于內(nèi)部壓力P為均勻分布，法蘭框各法蘭條的受力可按圖3中斜線面積的比例分配。由圖可知右邊的梁分配的受力面積較大，因此將右梁作為校核對象，左梁與右梁取相同截面。為了不失精確性并方便計算，將右梁所受載荷等效為沿梁長度均布載荷q，等效后梁的受力示意圖如圖4所示。

圖4　梁的受力示意圖

圖5　梁彎矩圖

等效均布載荷q計算如下：

結(jié)構力學中，梁兩端固支受向下均布載荷q的彎矩圖可直接查得[2]，如圖5所示，梁兩端彎矩ql2/12為正值，梁中間的彎矩ql2/24為負值，兩端彎矩大于中間彎矩，在焊接箱體中梁兩端所在部位焊接剛度大，此處往往有較大的局部集中應力，這在后面的有限元分析中也將給出說明。在隔爆外殼的水壓試驗中，梁的中部往往有較大的變形，是較危險的部位，此次校核取梁中部的彎矩進行應力計算，梁的長度l=1.538m。

梁的截面尺寸如圖6，這里直接給出滿足強度要求的最終尺寸，實際設計時需根據(jù)計算結(jié)果進行調(diào)整，由材料力學知識，利用平行移軸公式[1]，計算的橫截面慣性矩Iz=7.85×10-5m4，距離形心軸最遠的距離y=0.1534m。

(1)

式中：σ—梁的彎曲應力，MPa；

M—梁的彎矩，Nm；

y—梁截面內(nèi)距形心軸最大的距離，m；

Iz—梁截面對形心軸的慣性矩，m4；

圖6　梁橫截面尺寸

將上述M、y、Iz的計算值帶入(1)式得：

σs為普通碳鋼的屈服極限。

2.2門板厚度的理論計算

門板厚度的計算要用到平板應力計算方法，門板通過螺釘固定在法蘭上，可將其簡化為在整個板面上作用均布載荷，四邊固支的等厚矩形板模型[3]，如圖6所示。

根據(jù)彈性力學，中心應力為：

圖7　四邊固支受均布載荷的矩形板

按材料力學第三強度理論：

σ3=σy=0

(2)

式(2)中：b—板短邊長度，m；

h—板厚度，m；

q—設計壓力，MPa；

C4、C5—應力系數(shù)；

[σ]—板材的許用應力，MPa；

σs—板材的屈服極限，MPa;

k—安全系數(shù)。

表1　應力系數(shù)

左門、中門、右門的尺寸如圖7所示。

k=1.3，q=1MPa，σs=240MPa。

故設計時取左門厚度為30mm。

故設計時取中門厚度為40mm。

故設計時取右門厚度為35mm。

圖8　門體尺寸

2.3法蘭框門體強度的有限元分析

將法蘭框和門體作為隔爆箱體的一部分單獨建模，利用SolidWorks中的集成插件SolidWorksSimulation進行有限元計算，取法蘭框的周邊固定約束，法蘭框和門體內(nèi)表面施加1MPa的壓力載荷，計算的應力云圖如圖7所示。

圖9　法蘭框門體應力云圖

由圖可以看出在梁的上下端，由于剛性固支有極小范圍的應力集中，其余部分大部分都在許用應力范

圍內(nèi)，梁的中部應力為140MPa，與理論計算值接近，局部的應力集中對整體的強度影響很小，設計可以滿足強度要求。

3　總結(jié)

隔爆外殼在場內(nèi)通過了水壓試驗，在兩梁的中間幾乎沒有變形，門體中部有肉眼能觀察到的微微凸起，壓力撤掉后又恢復原狀，說明此處屬于彈性變形，符合隔爆外殼設計的要求。在國家防爆檢驗部門，順利通過了動態(tài)壓力實驗。在設計較大隔爆外殼時，以往經(jīng)驗法、類比法已不能提供充分的設計依據(jù)，借助力學知識可對強度進行理論計算，再通過有限元計算，可以得到可靠經(jīng)濟的設計結(jié)果，幫助產(chǎn)品設計工作的順利進行。

[1]劉鴻文.材料力學II[M].北京：高等教育出版社,2011:216-218.

[2]朱慈勉,張偉平.結(jié)構力學I[M].北京：高等教育出版社,2009:120-122.

[3]成大先.機械設計手冊第1卷[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社,2008:160-161.

Shell Design of 3300V Mine Explosion Proof and Intrinsic Safety SVG

WANG Jun-feng1,WANG Yu-tang1,LI Wen-jun2,XU Wen-guang2

(1.Shanxi Fenxi Electromechanical CO.,LTD,Taiyuan 030027,China;2.Shennan Zhangjiamao Mining CO.,LTD,Shenmu 719316,China)

There are limited reference materials when designing big size explosion proof shell.The grasp of the intensity is not very accurate.Separate the key parts,and convert them to theoretical calculation mechanical models,calculate and obtain the preliminary design dimensions.Establish a three dimensional model,and the model was simulated by finite element software.Combination of both and determine the final size,helping the design work going smoothly.

explosion proof;intensity;theoretical calculation;finite element

1004-289X(2016)01-0045-04

TD684

B

2015-08-20

王俊峰(1983- )，碩士研究生，山西太原人，2009年畢業(yè)于太原理工大學機械設計及理論專業(yè)，現(xiàn)從事礦用隔爆外殼設計。