3300V矿用隔爆兼本质安全型SVG外壳设计

王俊峰，王玉堂，李文俊，徐文光

(1.山西汾西机电有限公司，山西　太原　030027；2.神南张家峁矿业公司，陕西　神木　719316)



3300V矿用隔爆兼本质安全型SVG外壳设计

王俊峰1，王玉堂1，李文俊2，徐文光2

(1.山西汾西机电有限公司，山西太原030027；2.神南张家峁矿业公司，陕西神木719316)

大尺寸隔爆外壳设计时可供参考的资料较少，对强度的把握不是很准确，将关键部分独立出来，转换成可以理论计算的力学模型，计算得出初步的设计尺寸，建立三维模型，利用有限元分析软件对模型进行仿真计算，两者结合确定最终尺寸，帮助设计工作的顺利进行。

隔爆外壳；强度；理论计算；有限元

1　引言

为了提高煤矿井下电网的供电质量，3300V矿用隔爆型SVG逐渐应用于井下，某型产品的主体尺寸为：长3420mm，宽960mm，高1538mm。这么大尺寸的产品给隔爆外壳的设计带来了一定的困难，因为类似产品国内还很少，可供借鉴的材料不多。根据试验表明，一般矿井中存在的可燃气体，在其发生爆炸时约产生0.4～0.6MPa的压力。对于这么大的隔爆外壳，为保证安全性，国家防爆检验部门要求以爆炸压力1MPa作为设计依据。隔爆外壳大多由平板和加强筋焊接而成，将隔爆外壳每个壁板的关键特征进行抽取，将其转换为结构力学中已有的模型，就可以进行强度的理论计算，借助SolidWorksSimulation进行有限元计算。在对强度没有把握的情况下，理论计算可以很大程度上帮助设计的顺利进行，对于设计的可靠性和经济性也是很有意义的。

2　隔爆外壳强度的理论计算

产品的外观如图1所示，隔爆外壳由焊接箱体、左门、中门、右门组成。焊接箱体前面为法兰框，顶板、底板、左板、右板、后板都是平板加加强筋的焊接结构。本产品法兰框尺寸大，其强度的保障是关键，在很多文献中，对壁板强度的设计计算有很多论述，所以本文针对法兰门体部分进行理论计算和仿真计算分析。

图1　产品外观图

2.1法兰框强度的理论计算

法兰框四周与顶板、底板、左板、右板焊接，强度可以满足要求，中间的两个法兰条是薄弱环节，为满足强度要求，在其背面焊接加强筋，加强筋与法兰条构成截面为“T”形的梁，两个梁与底板和顶板焊接，一般焊接箱体在壁板相互垂直的焊接处几乎为刚性，因此可将其视为两端固支的单跨梁。

图2　法兰框俯视图

图3　法兰框受力比例分配图

现校核“T”形截面梁，三个门靠螺钉固定在法兰

框上，承受腔体内部P=1MPa的压力，门上所受的力全部传递给法兰框。由于内部压力P为均匀分布，法兰框各法兰条的受力可按图3中斜线面积的比例分配。由图可知右边的梁分配的受力面积较大，因此将右梁作为校核对象，左梁与右梁取相同截面。为了不失精确性并方便计算，将右梁所受载荷等效为沿梁长度均布载荷q，等效后梁的受力示意图如图4所示。

图4　梁的受力示意图

图5　梁弯矩图

等效均布载荷q计算如下：

结构力学中，梁两端固支受向下均布载荷q的弯矩图可直接查得[2]，如图5所示，梁两端弯矩ql2/12为正值，梁中间的弯矩ql2/24为负值，两端弯矩大于中间弯矩，在焊接箱体中梁两端所在部位焊接刚度大，此处往往有较大的局部集中应力，这在后面的有限元分析中也将给出说明。在隔爆外壳的水压试验中，梁的中部往往有较大的变形，是较危险的部位，此次校核取梁中部的弯矩进行应力计算，梁的长度l=1.538m。

梁的截面尺寸如图6，这里直接给出满足强度要求的最终尺寸，实际设计时需根据计算结果进行调整，由材料力学知识，利用平行移轴公式[1]，计算的横截面惯性矩Iz=7.85×10-5m4，距离形心轴最远的距离y=0.1534m。

(1)

式中：σ—梁的弯曲应力，MPa；

M—梁的弯矩，Nm；

y—梁截面内距形心轴最大的距离，m；

Iz—梁截面对形心轴的惯性矩，m4；

图6　梁横截面尺寸

将上述M、y、Iz的计算值带入(1)式得：

σs为普通碳钢的屈服极限。

2.2门板厚度的理论计算

门板厚度的计算要用到平板应力计算方法，门板通过螺钉固定在法兰上，可将其简化为在整个板面上作用均布载荷，四边固支的等厚矩形板模型[3]，如图6所示。

根据弹性力学，中心应力为：

图7　四边固支受均布载荷的矩形板

按材料力学第三强度理论：

σ3=σy=0

(2)

式(2)中：b—板短边长度，m；

h—板厚度，m；

q—设计压力，MPa；

C4、C5—应力系数；

[σ]—板材的许用应力，MPa；

σs—板材的屈服极限，MPa;

k—安全系数。

表1　应力系数

左门、中门、右门的尺寸如图7所示。

k=1.3，q=1MPa，σs=240MPa。

故设计时取左门厚度为30mm。

故设计时取中门厚度为40mm。

故设计时取右门厚度为35mm。

图8　门体尺寸

2.3法兰框门体强度的有限元分析

将法兰框和门体作为隔爆箱体的一部分单独建模，利用SolidWorks中的集成插件SolidWorksSimulation进行有限元计算，取法兰框的周边固定约束，法兰框和门体内表面施加1MPa的压力载荷，计算的应力云图如图7所示。

图9　法兰框门体应力云图

由图可以看出在梁的上下端，由于刚性固支有极小范围的应力集中，其余部分大部分都在许用应力范

围内，梁的中部应力为140MPa，与理论计算值接近，局部的应力集中对整体的强度影响很小，设计可以满足强度要求。

3　总结

隔爆外壳在场内通过了水压试验，在两梁的中间几乎没有变形，门体中部有肉眼能观察到的微微凸起，压力撤掉后又恢复原状，说明此处属于弹性变形，符合隔爆外壳设计的要求。在国家防爆检验部门，顺利通过了动态压力实验。在设计较大隔爆外壳时，以往经验法、类比法已不能提供充分的设计依据，借助力学知识可对强度进行理论计算，再通过有限元计算，可以得到可靠经济的设计结果，帮助产品设计工作的顺利进行。

[1]刘鸿文.材料力学II[M].北京：高等教育出版社,2011:216-218.

[2]朱慈勉,张伟平.结构力学I[M].北京：高等教育出版社,2009:120-122.

[3]成大先.机械设计手册第1卷[M].5版.北京：化学工业出版社,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- )，硕士研究生，山西太原人，2009年毕业于太原理工大学机械设计及理论专业，现从事矿用隔爆外壳设计。