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矿用隔爆型矩形箱体外壳强度设计计算2010-10-03 20:33:43 作者：phpcms 来源：浏览次数：330 引言矿用隔爆型外壳是电气设备的一种防爆形式，其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点0 引言矿用隔爆型外壳是电气设备的一种防爆形式，其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃。
1 矩形箱体外壳的外壁结构简化及强度计算该种结构外壳的外壁可简化为在整个板面上作用均布载荷，四边固定的等厚矩形板模型。
根据弹性力学计算，最大应力点发生在矩形长边的中心位置，即图 1中的P点。
最大挠度位置发生在板面中心位置，即0 点。
当板与板为锐角相交时，则应力将增加。
若用圆角相交时，应力集中将会降低所以在设计时尽量在板与板相交处靠圆角相交每块板的模型可以用图 1的结构简图表示板面中心的最大弯曲正应力：式中α、β——与矩形长和宽比值有关的系数( 见表 1 ) ；b——矩形板的宽度，m m；q——实验压力，MP a ；t——矩形板的厚度，m m；E——材料的弹性模量。
防爆外壳通常采用一般碳钢Q235 。
可以根据第三强度理论式中σs ——材料屈服点；n ——材料屈服极限的安全系数，一般碳钢n=1.25。
在不加加强肋的情况下，矩形外壳外壁厚度可根据式 ( 5 ) 得出在实际设计中，当边长较长，一般单边超过 3 0 0mm的矩形薄壁板在满足强度时，还要考虑壳体变形。
多采用焊接加强肋的办法来提高强度和刚度。
2 螺栓大小的计算矩形外壳的连接法兰单个螺栓轴向载荷分布不均匀，根据压力类容器计算方式，当 A ／ B>2时( 尺寸见图3 ) ，近似认为箱体内压力形成的轴向载荷由长边上的螺栓承担，单个螺栓最大载荷Q= 0 .66 B c q+ 2 d c m q ( 7 )式中 B——过螺栓中心矩形的短边长度， mm；c——螺栓中心距离， mm；d——密封垫有效宽度， m m；m——密封垫系数。
1.2接线腔上盖与腔体法兰的尺寸接线腔上盖与腔体法兰的外围尺寸以相等为好。
有些图纸把上盖尺寸做得比腔体法兰大1～2mm，理由是可以保护腔体法兰不受损伤。
其实这样遇到较大的碰撞时，易使连接螺栓受到剪切力作用，重者螺栓断裂，轻者螺纹损伤，给以后的拆卸工作造成困难。
2引入装置中联通节的设计在设计引入装置时，对联通节的内径D和密封圈外径D的尺寸要注意两者之间的配合，如图2所示。
应先根据电缆的外径来选择密封圈，再依密封圈外径确定联通节内径。
图2引入装置1—金属垫圈；2—密封圈；3—钢质堵板；4─联通节；5—压盘如选用的密封圈外径D为φ680－0.74mm，而联通节选用内径D为φ68mm的钢管，这时对联通节内径的加工误差很关键,当D标注为φ68±1.5mm时，在上限时为φ69.5mm，而密封圈外径D在下限时为φ67.26mm,两者直径差为2.24mm，间隙有些过大。
超过了表2中标准的规定值。
合理公差不合理公差以表2中所列的扳把部分为例，底座孔的不合理公差尺寸为mm，铜套外径不合理的公差尺寸为mm，两者显然为间隙配合，不符合过端盖隔爆接合面间隙的设计至关重要，如果绘出如图4所示的尺寸，不做深入分析时，认为尺寸合理，其隔爆间隙不超出文献［1］中的要求：mm，mm，W≤0.4mm。
图4主腔隔爆接合面现计算分析如下：最大间隙=(8+0.17)－（8－0.22）=0.39mm。
此值小于0.4mm，但经推敲不但没有考虑端盖两个法兰的平面度，而且A、B处尺寸设计也不够合理。
如法兰的平面度取9级为0.1mm时，A、B处尺寸不修改，则：最大间隙=（8＋0.17）－（8－0.22）＋（2×0.1）=0.59mm，该值既大于0.4mm，也大于GB3836.2-83中W≤0.5mm的规定，如将A、B处尺寸改为8+0.14+0.05mm，B处尺寸改为8-0.05-0.12，平面度公差仍为9级，则最大间隙为（8＋0.14）－（8－0.12）＋（2×0.1）=0.46mm此值虽满足国标中的要求，但由于加工的不一致性，还有些偏大，如把平面度公差改为8级0.06mm时，产成品端盖两法兰之间的间隙才比较可靠，此时则为（8＋0.14）－（8－0.12）＋(2×0.06)=0.38mm再有要注意的地方是：端盖法兰设计时，应把有啮口的法兰焊在端盖上,这样有利于保护隔爆面不被碰撞和减少变形。
一种矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子的结构分析摘要随着计算机技术的高速发展，有限元技术在现代设计中应用越来越广泛。
有限元技术具有计算速度快，精度高的特点。
通过有限元分析计算，设计人员在设计阶段就能了解到构件的应力、应变及位移，同时可以方便的对构件反复修改，达到优化结构的目的。
矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子是放在煤矿井下的电机控制柜。
箱体必须有足够的强度和刚度，以防止变频器发生爆炸时，能承受其瞬间产生的强大爆炸力。
箱体在传统设计中，多采用类比法或凭经验设计，这样设计出来的产品，其受力情况设计者心中无数，往往造成产品不合格或材料浪费现象。
增加了制造成本，延长了制造周期。
因此，在某种有限元的支持下，对变频器箱体进行受力分析，检验其强度和刚度是否满足要求，对提高变频器箱体的技术水平，快速响应市场，降低成本具有十分重要的意义。
在此背景下，本文以山西防爆电机有限公司设计的矿用隔爆滤波型变频器防爆柜作为研究对象，对其柜体进行有限元分析。
完成的主要工作包括：（1）认真学习研究煤炭安全标准；（2）利用三维建模软件Solidworks对箱体进行实体建模；（3）利用有限元分析软件Simulation对箱体进行静态分析，通过分析计算，显示出箱体的变形情况，同时可以得出箱体任意位置的应力值和位移值。
并针对每次计算结果，对箱体进行适时改进。
关键词：防爆柜；有限元；应力；应变；优化；A mining explosion-proof filter inverter flameproof cabinetstructure analysisAbstractWith the rapid development of computer technology, the Finite Element Method(FEM) is widely used in modern design. FEM is a method of high speed and high precision. The stress, strain and displacement can be obtained with the Finite Element Analysis (FEA) in the design stage. And it is convenient to modify and optimize the structure.Mining flame-proof filtering type transducer explosion-proof cabinet is used in coal mine. The explosion-proof cabinet should have enough strength and stiffness, and should be able to endure the tremendous blast-force during the moment gas blasts. Traditionally, the explosion-proof cabinet design always relies on analogy and experience. The designer can’t know the deformation of the the explosion-proof cabinet, and which may make the product disqualification, or wasting material or high developing cost, and longer designing and manufacturing cycle. Therefore, it has great significance to find a new approach to analyze and calculate the mechanical model of cabinet, check its strength and stiffness based on a certain FEM software. Thus it can improve the technique of cabinet design, speed up the response to the market requirement and reduce the cost.This paper investigated the explosion-proof cabinet designed by Shan Xi Explosion proof motor company. The cabinet was analyzed by FEM. The major works completed mainly included: (1) The fundamentals on FEM were discussed; (2) The solid model of the cabinet was created by 3D design software SolidWorks. (3) The Nonlinear Finite Element model was built and calculated by FEM software Simulation. Through calculation and analysis, the deformation of the transformer cabinet was obtained. Meanwhile, the stress and displacement of every element were also obtained.Key Words:Explosion-proof cabinet; the Finite Element Method; Stress; Strain ；Optimization ；目录引言 (1)1 有限元简介 (2)1.1 有限元的发展历程 (2)1.2 有限元法的基本思路 (2)1.3 有限元法的理论基础 (3)1.4 有限元的解题步骤： (5)1.5 有限元的发展趋势 (7)2 防爆技术的应用与意义 (9)3 变频器的工作原理 (10)3.1 变频器简介 (10)3.2 谐波对供电线路的影响 (10)4 变频柜设计时应注意的问题 (12)4.1 机械负载与电机转矩特性种类 (12)4.2 电气设计工程师的设计 (12)4.3 电气工艺设计 (13)4.4 柜体钣金工艺设计 (13)5 防爆柜设计的技术要求 (15)6 变频调速系统结构设计 (16)6.1 柜体的布局和器件配置 (16)6.2 变频调速系统变频柜设计 (16)6.3 变频控制柜内部基本布局 (17)6.4 变频器散热及制作 (18)7 防爆柜的三维实体模型 (19)7.1 Solidworks软件介绍 (19)7.2 三维建模步骤 (19)8 焊接技术 (21)9 有限元分析与Simulation在隔爆柜结构分析中的应用 (23)9.1 Simulation简介 (23)9.2 Simulation对防爆柜的结构分析步骤 (23)总结 (32)参考文献 (33)附录A 山西防爆电机公司防爆柜参考图 (35)致谢 (36)引言随着煤矿供电系统不断完善升级, 隔爆型干式变压器[1]作为井下的重要供电设备已得到广泛应用。
防爆电器丛书隔爆外壳的设计刘让编著二零零七年八月浙江乐清隔爆外壳的设计刘让编著一概述防爆产品的外壳设计，特别是隔爆型外壳的设计已有许多方法，本文想从理论基础说起，尽量避免繁琐的高等数学的计算，并简化计算以达到实用性强、易掌握的目的。
使防爆产品的质量有更大的提高。
本文主要针对从事防爆产品设计和防爆外壳工艺的技术人员，并具有中专学历以上的人员学习，隔爆外壳的设计包括两个方面的内容：1.隔爆参数的设计；2.外壳强度的设计。
外壳的隔爆参数主要是指隔爆结合面的形式、隔爆面间隙和结合面的宽度以及结合面的粗糙度等，这些参照GB3836的有关内容正确选择就可以。
近年来，随着技术的发展，方壳和快开门结构使用越来越多，外壳主腔使用螺钉紧固逐渐减少(但在厂用防爆产品中仍用的较多)，矿用产品螺钉紧固方式大多用于接线箱和一些小产品中，因此新的结合面紧固方式也是外壳设计的主要部分。
外壳的强度设计，是如何用最少的材料设计出强度足够的隔爆外壳，这也是许多专家研究的课题，至今尚未见到一种成熟而又精确的计算方法，设计中采用经验数据较多，有的通过试验来验证，浪费材料和裕度过大是常见的。
二外壳设计的理论基础1 虎克定律公式△PL LEA杆受拉力纵向伸长△L=L1－L (图1)单位长度杆的纵向伸长(线应变)： ε=L L∆ P 轴向力 A 杆的横截面 E 弹性模量 MPa EA 杆的抗拉(压)刚度这样虎克定律的另一表达式 ε=E σ σ=PA杆中的正应力(拉为正，压为负) 2 低碳钢试件的拉伸图 （1）标准试样(图2) L 工作段在这一长度内任何横截面上的应力均相同 L=10d 或 L=5d L=11.3.或L=5.65（2）低碳钢试样的拉伸图 (图3)Ⅰ弹性阶段△PLLEA 。
Ⅱ屈服阶段试件长度急剧变化，但负载变动小。
Ⅲ强化阶段要继续伸长，所需要克服试件中不断增长的抗力，材料在塑性变形中不断发生强化所致，这阶段塑性变形。
Ⅳ局部变形阶段试件伸长到一定程度后，负载读数反而逐渐降低，出现”颈缩”现象，横截面急剧减小，负载读数降低，一直到试件拉断。
隔爆外壳的计算隔爆外壳的壁厚大多是依据现有产品的数据进行选择，但是也可以进行一些简单的理论计算，作为理论根据。
隔爆外壳大多为长方形或圆筒形。
外壳的计算就是确定外壳的壁厚，法兰的厚度以及选择紧固螺钉的大小和数量。
一长方体外壳壳壁厚度的计算在计算长方体外壳壁厚时可以采用下面的公式：δ（1）式中δ壁厚的计算厚度cm；b 矩形薄板短边长度cm；k 安全系数；C 应力系数；见表1；p 设计压力，MPa；σT 薄板材料的屈服极限，MPa。
表1 应力系数 Ca为矩形薄板长边的长度cm分析式(1)和表1，可以得到薄板的边长比a/b 与薄板的厚度δ的关系，如表2所示。
表2 薄板厚度δ和边长比a/b的关系按照表2数据，可以画出长方形薄板的边长比与厚度的关系曲线，如图1所示。
图1 长方形薄板的边长比与厚度的关系曲线从图1中可以看出，长方形薄板的厚度δ随边长比a/b的增加而呈非线性地减小。
当边长比a/b=1.0，也就是说，在正方形时，薄板的厚度最大，δ=0.0237a；当边长比a/b=1.5时，薄板的厚度δ=0.0231a，此时的厚度为正方形的85％。
在长方形隔爆外壳的设计中，通常认为，长方形外壳的大侧面的长边a 与短边b之比约为3/2，是一种比较合理的结构比例，而外壳的厚度（小侧面，第三边）应该根据内部安装元器件的尺寸来确定。
在计算外壳壁厚时，只要计算得大侧面的厚度，就可以基本上确定其他壳壁的厚度了，当然，也可以将所有的壳壁的厚度计算后得到一个合适的厚度。
举例说明：试计算外形尺寸为1000mm×750mm×350mm钢制结构（Q235-A）外壳壁厚1 计算底板（1000×750 大侧面）壳壁的厚度：查表1求C：a/b=1000/750=1.33，C=0.1990；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ1=2.46cm。
2 计算顶板（750×350 小侧面1）壳壁的壁厚：查表1求C：a/b=750/350=2.1429，C=0.2208；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ2=1.21cm 。
０．前言电气设备一般都有外罩作为保护，防止落入灰尘、雨滴及人身的安全防护，外罩有矩形或圆形。
例如开关柜、电动机、变压器等。
依据使用环境不同而设计成普通型或隔爆型。
潜在爆炸性环境场所中电能的使用要求电气设备一定不要成为引燃源。
对于在正常工作条件下产生高温或产生诱发火花的电器，可使用防爆外壳。
例如在煤矿井下或化工车间有易燃气体的环境场所，当周围环境易燃气体浓度达到３－５％时，遇电气设备的接触火花时即发生瞬间燃烧－爆炸。
这种防爆外壳能在内部发生爆炸时防止火焰传递到周围环境中。
外壳在内部发生爆炸时，产生高温、高压冲击波，使外壳变形，闭合法兰上防爆间隙超限，火焰传递到周围环境中，引发周围环境大爆炸。
本文研究的防爆外壳主要针对矿山井下高瓦斯矿井变电所中的高、低压变压器和高、低压开关柜。
防爆外壳属于低压容器。
隔爆外壳常设计成圆筒式或箱式结构。
箱式隔爆外壳的强度计算明显不同于圆筒式隔爆外壳的强度计算，圆筒式隔爆外壳在筒壁上的微分体只承受拉应力，这种结构不允许其应力达到材料的屈服极限σｓ，如果其应力达到材料的屈服极限σｓ，则结构变形明显，或出现塑性流动，所以圆筒式隔爆外壳的强度计算所采用的许用应力［σ］只能以材料屈服极限σｓ为基础，在考虑适当的安全系数，例如，隔爆外壳大多数用低碳钢Ｑ２３５Ｂ制成，其屈服极限σｓ＝２４０Ｍｐａ，在圆筒式隔爆外壳外壳的强度计算时安全系数Ｋ＝１．５，可得许用应力［σ］＝１６０Ｍｐａ。
箱式隔爆外壳在结构上是六面体结构，由六块矩形平板组成，在工作压力作用下，在平板的微分单元体上作用着剪力、拉力和弯矩，因此，平板箱式隔爆外壳的强度计算实质上是不同边界条件下的平板强度计算。
关于加强外壳的设计计算，目前还没有成型的计算方法，特别是矩形加强外壳的设计计算仍停留在用类比法靠经验设计，靠实验修正，设计者不能准确地提出改进意见，这种设计方法远不能适应煤炭、石油、化工用隔爆电器迅速发展更新换代的设计需要。
矿用隔爆型矩形箱体外壳强度设计计算
2010-10-03 20:33:43 作者：phpcms 来源：浏览次数：33
0 引言
矿用隔爆型外壳是电气设备的一种防爆形式，其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点
0 引言
矿用隔爆型外壳是电气设备的一种防爆形式，其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃。
1 矩形箱体外壳的外壁结构简化及强度计算
该种结构外壳的外壁可简化为在整个板面上作用均布载荷，四边固定的等厚矩形板模型。
根据弹性力学计算，最大应力点发生在矩形长边的中心位置，即图 1中的P点。
最大挠度位置发生在板面中心位置，即0 点。
当板与板为锐角相交时，则应力将增加。
若用圆角相交时，应力集中将会降低所以在设计时尽量在板与板相交处靠圆角相交每块板的模型可以用图 1的结构简图表示
板面中心的最大弯曲正应力：
式中α、β——与矩形长和宽比值有关的系数( 见表 1 ) ；
b——矩形板的宽度，m m；
q——实验压力，MP a ；
t——矩形板的厚度，m m；
E——材料的弹性模量。
防爆外壳通常采用一般碳钢Q235 。
可以根据第三强度理论
式中σs ——材料屈服点；
n ——材料屈服极限的安全系数，一般碳钢n=1.25。
在不加加强肋的情况下，矩形外壳外壁厚度可根据式 ( 5 ) 得出
在实际设计中，当边长较长，一般单边超过 3 0 0mm的矩形薄壁板在满足强度时，还要考虑壳体变形。
多采用焊接加强肋的办法来提高强度和刚度。
2 螺栓大小的计算
矩形外壳的连接法兰单个螺栓轴向载荷分布不均匀，根据压力类容器计算方式，当 A ／ B>2时
( 尺寸见图3 ) ，近似认为箱体内压力形成的轴向载荷由长边上的螺栓承担，单个螺栓最大载荷
Q= 0 .66 B c q+ 2 d c m q ( 7 )
式中 B——过螺栓中心矩形的短边长度， mm；
c——螺栓中心距离， mm；
d——密封垫有效宽度， m m；
m——密封垫系数。
当A ／ B≤2时，近似认为箱体内压力形成的轴向载荷均匀的分布在以矩形短边为直径的当量圆周上，单个螺栓最大载荷:
式中 A ——过螺栓中心矩形的长边长度，m m；单个螺栓面积
3 法兰部分强度计算
3． 1 法兰部分
法兰和竖板之间为焊接，法兰受内部载荷时，螺栓中心距离 c ；螺栓受预紧时，法兰受力如图4所示。
Q是螺栓作用给法兰的预紧力，它沿螺栓的中心线等距均匀分布，Ⅳ为下法兰上的密封垫反作用力，显然它们构成力偶作用在法兰上。
当有水压作用时，轴向作用力使Ⅳ减小，而螺栓力 Q增大，这时 Q为与Ⅳ之和。
考虑到Ⅳ与的相距很近，可以认为作用法兰的力矩可以用 Q和 +Ⅳ合力组成的力偶来代替。
3.2 焊缝部分
3 ． 3 校核计算
4 应用实例
以某矿用隔爆兼本质安全型壳体为例，外壳和螺栓材料采用普通碳钢 Q 2 3 5 A，材料屈服点σs= 2 3 5 MP a ，材料安全系数取 n=1.25 ；内腔尺寸要求长 a= 5 3 0 m m，宽 b= 4 2 0 mm，高 1 9 0 m m。
设计时过螺栓中心矩形的短边长度 B= 4 4 4 mm，过螺栓中心矩形的长边长度 A=5 5 4 mm，螺栓中心距离为1 2 0 mm。
4 ． 1 壳体外壁厚度计算
可简化为在整个板面上作用均布载荷，四边固定的等厚矩形板模型。
在不加加强肋的情况下设计最小厚度可以根据式( 6 ) 计算。
( 1 ) 盖及底板计算
内腔尺寸长a= 5 3 0 m m，宽 b= 4 2 0 m m，矩形长宽比值 1.23 ，查表 1 ，取
a = 0.3834 。
根据式( 6 ) 计
算的盖及底板的厚度:
为节省材料，减少壳体重量，最好将壳体盖子及其底板设计为法兰边与较薄板材的焊接式结构，盖子法兰厚度取 2 0 m m，较薄板材取 1 0 mm，较薄板材焊接加强肋增加强度和刚度。
整体重量可以比实际设计重量减少 1 0 k g 。
( 2 ) 左右及前后竖板计算
左右竖板长为4 2 0 mm，宽为 1 9 0 mm ，矩形长宽比值2.21 ，查表 1 ，取：α=0.5。
根据式( 6 ) 计算左右
及前后竖板的厚度
前后竖板与左右竖板厚度一致。
为节省材料减少壳体重量，在设计时减小壁厚，可以选为6 m m，通过焊接加强肋的方式增加强度和刚度。
4 ． 2 螺栓大小计算
A ／ B≤2 ，近似认为箱体内压力形成的轴向载荷均匀分布在以矩形短边为直径的当量圆周上，单个螺栓最大载荷根据式( 8 ) 和式( 9 ) 计算，结果为
Q=1 7 2 0 8 N
D =1 0．7 9 mm
M1 2螺栓小径为10.2 m m，为增加安全系数，建议采用大于M1 2螺栓，或者采用高强度螺栓。
4 ． 3 法兰部分计算
法兰和竖板之间为焊接，螺栓中心距离为 1 2 0mm，根据式( 2 1 ) 计算法兰厚度
δ≥6.59mm.
法兰厚度可以取δ= 10 mm。
由此可知在螺栓力一定时，法兰螺栓孔中心到竖板外侧边缘的距离越小，法兰承受的外力偶矩越小。
在满足螺栓截面一定，并留有紧固螺母所必须间距的前提下，应以螺孔中心到竖板外侧边缘的距离尽可能小为原则。
5 结语
通过对隔爆外壳壳壁、法兰和螺栓的强度设计计算，能较准确地推导出满足试验要求的外壳各部分材料要求厚度。
对于外形尺寸较大的外壳，往往通过理论计算出的数值要求外壳各部分都比较厚，造成外壳比较笨重。
所以实际应用中对宽度大于300m的隔爆壳体，通常对外壳壳壁取理论值的1/2，然后焊接加强肋增加壳壁的强度和刚度。
