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 L
EA
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=
σ=
杆中的正应力(拉为正，压为负)E
σ
P
A
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（2）低碳钢试样的拉伸图 (图3)
Ⅰ 弹性阶段 △。PL L EA
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。（3）卸载规律
在强化阶段如果终止加载，在终止加载过程中，负载与伸长量之间遵循直线关系，此直线bc 和弹性阶段内的直线oa 近似平行，这过程为卸载，并将卸载时负载与试件的伸长量之间遵循的直线关系的规律称为材料的卸载规律。(图4)
由此可见，在强化阶段中，试件的变形实际上包括了弹性变形△Le 和塑性变形△Ls 两部分，在卸载过程中，弹性变形逐渐消失，只留下塑性变形。 若重新加载，仍从c 点开始，一直到b 点，然后沿原来的曲线。
若对试件预先施加轴向拉力，使之达到强化阶段，然后卸载，则再加负载时，试件在弹性范围内所能承受的最大负载将增大，这称为材料的冷作硬化现象，这可用来提高材料在弹性范围内所能承受的最大负载。（4）应力—应变曲线或σ—ε曲线 (图5)
比例极限：A 点以下，应力和应变成正比，符合虎克定律 σp 弹性极限：弹性阶段最高点B ，是卸载后不发生塑性变形的极限 σe
σp 与 σe 数值相差不多，可统称弹性极限。
屈服极限：屈服阶段σ有幅度不大的波动，最高点C 应力为屈服高限，D 点为屈服低限。从试验结果可知，屈服低限较为稳定，故称为屈服极限 σs
强度极限：强化阶段的G 点为最高点，此点应力达到最大值，称为强度极限 σb
对低碳钢来讲，极限应力：σs ，σb 是衡量材料强度的两个重要指标。延伸率： (L ＝10d 时)1
×100%L L L
δ-=
L 1 拉断后的杆长； L 原长
材料名称
牌号
E
GPa
σs MPa σb MPa δ5%(L ＝5d 时)低碳钢Q235200-21024040025-27中碳钢
45
209360
610
16低合金钢16Mn 200
290-350480-520
19-21
泊桑比 μ 横向线应变ε/，在应力不超过比例极限σp 时，它与纵向线应变的绝对值之比为一常数。
μ＝︱︱
'
εε
3 术语和公式
(1) 挠度：轴线上的点在垂直于X 轴方向的线位移υ称为该点的挠度。横截面绕其中性轴转动的角度θ称为该截面的转角。(图6)
(2) 梁(把钢板当成两端被固定支撑的梁)在弯曲时，在横截面上既有拉应力也有压应力，在中性轴为对称轴时，拉压应力在数值上相等。(3) 弯应力： σmax ＝
Z
M W 对圆形截面 抗弯矩 W Z ＝
πd 31
32对矩形截面 抗弯矩 W Z ＝ bh 2 (图7)
1
6
三 经验公式
外壳的强度问题，归根结底是外壳壁厚的计算，
按照GB3836的有关规定，爆炸压力若以静压力考虑，对Ⅰ类ⅡA 和ⅡB 产品的外壳为1MPa ；ⅡC 为1.5MPa 。
受内压操作的筒体外壳壁厚的计算：
[]230e
PD C
P
δφσ=
+-式中： δ：筒壁厚 mm
P ： 容器工作压力 MPa
De ：容器内径
mm
φ： 焊缝强度系数
De ＝400-500mm 采用人工单面焊接取 φ＝0.7 De ≥600mm 采用人工双面焊接取 φ＝0.95 [σ]：许用拉伸应力 [σ]＝σb /n
σb 材料的强度极限 σb ＝380-400 MPa (Q235)
n ：安全系数取3.5
C ：为弥补钢板负公差所增加的厚度
钢板厚度在20mm 以下取C ＝1；厚于20mm 取C ＝0
这一公式是大容器的经验公式，在防爆电器中壁厚大于20mm 的很少，所以系数C 要酌情考虑。
四 大型矩形外壳的计算基础 1 考虑材料塑性时梁的极限弯矩
一般的计算考虑材料是在弹性范围内工作，我们需要要进一步研究材料在受到弯曲时的最大正应力达到材料屈服极限以后的弯曲问题。
