隔爆型電機外殼強度的計算

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(1佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002；2沈陽透平機械股份有限公司，遼寧沈陽 110869；)

0 引言

煤炭、石油、化工等行業生產時會形成爆炸性氣體環境，所以需要選用隔爆型電機、增安型電機和正壓外殼型電機。根據國家標準GB 3836—2010的要求，增安型電機的要求越來越嚴格，特別是高壓電機，必須增加吹掃裝置，這給用戶的使用和維護帶來很多麻煩；而正壓外殼型防爆電機，不僅需要昂貴的正壓補償設備和惰性氣體，還需要很好的密封。而電機運行場所的工作環境多存在潮濕，有爆炸性氣體、腐蝕性氣體和各種塵埃等情況，密封和維護制約著正壓型防爆電機的安全運行。而隔爆型電機具有價格合理、使用維護方便等諸多特點，在特定的條件下，隔爆型電機成為了首選產品。

隔爆型電機的隔爆外殼，由機座、端蓋、內蓋、軸承套、電纜引入裝置(隔爆接線盒)等組成，本文只針對隔爆電機的機座外殼進行強度計算。

1 隔爆型電機的防爆原理

組成隔爆外殼的零部件，相互間靠平面結合面、止口結合面或平面加止口結合面裝配在一起組成完整的隔爆外殼。結合面之間存在安全間隙稱為隔爆間隙，但必須符合有關防爆規程的要求。當隔爆型電機運行在爆炸性氣體環境中，可燃性氣體一定會進入隔爆外殼內，當外殼內產生火花、電弧、或危險溫度時，其能量足以引燃爆炸性氣體混合物時，爆炸火焰從隔爆間隙竄到外殼外部，火焰能量瞬間降低至不能引燃外殼外部可燃性氣體的能量，不允許引起爆炸氣體環境爆炸，這就是隔爆原理。

2 隔爆外殼的重要性

當外殼內部產生爆炸時，會產現很強的爆炸壓力，如果外殼強度不夠，將會引爆整個爆炸性氣體環境，給生命和財產造成重大損失。因此隔爆外殼設計是隔爆型電機的關鍵，必須能承受規定的爆炸壓力不損壞或不會永久變形。因為損壞或變形會破壞外殼的隔爆性能，所以隔爆外殼要有足夠的機械強度和剛度。為保證隔爆型電機的隔爆性能，組成外殼的各零件之間的配合間隙和配合面也必須要符合GB 3836.2—2010 爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備。值得注意的是：隔爆型電機外殼表面的溫度也要按照溫度組別控制在規定范圍內，否則超過規定溫度時，外殼本身就成為引爆源，就會點燃電機周圍可燃性氣體。

3 隔爆外殼的結構

按照隔爆型電機外殼幾何形狀可分為兩種：一種是圓筒結構；另一種是箱式結構。冷卻方式IC411、IC511等系列電機機座外殼是圓筒結構，結構示意圖見圖1，而IC81W(YBKS)系列電機機座是箱式結構，結構示意圖見圖2。

圖1 IC411、IC511系列電機機座外殼結構

圖2 YBKS(IC81W)系列電機機座結構

4 隔爆外殼鋼板厚度的計算

電機外殼內部有定子鐵心、鑄鋁轉子、線圈、內風扇、擋風板等零部件。當電機內部爆炸時，各零部件一定會使電機內部存在壓力集中和重疊現象，而且外殼承受壓力(達到和接近爆炸壓力)時間又很短，在幾十毫秒到幾百毫秒內即結束。根據試驗結果，在瞬時的外力作用下鋼材的極限強度和屈服強度都可提高，所以外殼強度計算涉及的因素較多，國內外均在研究更準的計算方法。本文提供的方法，即電機外殼按照靜載荷計算，再通過試驗驗證和類比方法，確定合理的外殼尺寸。

根據外殼受力情況，外殼形狀應盡可能設計成圓筒狀，以防止爆炸壓力過分集中和重疊。但由于外殼內部安裝的部件所占據的位置和加工工藝的要求，以及使用操作條件等限制，也允許將外殼設計成其它形狀，如箱式結構，使用此結構一定要十分小心，這種結構不僅很難計算，一旦設計不合理，爆炸壓力集中和重疊現象十分明顯，很難通過防爆試驗。國內外的隔爆型電機也很少采用此結構，所以下面我們只介紹圓筒外殼靜載驗算方法。

(1)壁厚設計公式 根據第三強度理論，以內徑Da公稱直徑，考慮焊縫對強度的削弱作用以及腐蝕的影響，實際壁厚設計公式為

式中，t—實際壁厚(cm)；P—設計壓力(kg/cm2)；Da—外殼內徑(cm)；[σ]—材料的許用應力(kg/cm2)；φ—焊縫系數，或許用應力折減系數(<1)；C—壁厚附加量(cm)。

(2)各計算參數的選擇

P—設計壓力(kg/cm2)考慮間隙泄壓的滯后情況，推薦設計壓力為最大爆炸壓力。

[σ]—材料的許用應力(kg/cm2)。

在常溫下，以應力極限σs為強度指標時的安全系數ns和以強度極限σb為強度指標時的安全系數nb是不同的，但二者之間又有一定的關系。一般先規定nb=3.0，然后根據一般材的屈強σs/σb=0.55，使σs/ns=σb/nb，從而得到ns=1.65，這對碳素鋼制成的外殼是正確的。鋼板的許用應力值見表1。

表1 鋼板許用應力值

φ—焊接系數，考慮到由于焊接對外殼強度的削弱，而用以降低設計許用應力的一種系數，也可叫作“許用應力折減系數”。

在按照焊接規范進行焊接的前提下，焊接系數的大小取決于焊縫坡口的形式、焊接方式(雙面焊、單面焊、單面帶墊板)、焊接工藝(手工焊、自動焊)以及焊縫探傷檢驗的嚴格性。可根據表2進行選取。

表2 焊縫系數

C—壁厚附加量 主要包括鋼板負公差、外殼加工過程中的工藝減薄量和在工作年限內由于化學腐蝕等造成的腐蝕裕量。因此

C=C1+C2+C3

式中，C1—鋼板的負公差(按表3選取)。

表3 鋼板負公差C1

C2—工藝減薄量 對于冷卷和熱卷的圓筒按表4選取。

表4 圓筒工藝減薄量C2

C3—腐蝕裕量 取決于環境介質的腐蝕性、腐蝕速度。對于炭素鋼，應不小于1.0mm。

(3)確定維修加工余量

在正常使用、維護中，隔爆型電機外殼會造成一定的機械損傷，煤礦井下的潮濕、化工石油場所的腐蝕性氣體都會對隔爆型電機外殼的加工表面造成腐蝕。因此，外殼的加工面部分(指隔爆型電機的機座)要留有一定的維修加工余量。一般要比標準尺寸增加15%，但至少不得小于1mm，以保證修理后極有足夠的機械強度。

5 結語

本文所述的計算方法，雖然不能完全按照動態爆炸壓力計算外殼強度，但計算方法可以完全滿足工程需要，能承受所需要的爆炸壓力，此方法已通過了大量的試驗驗證，如果隔爆外殼是其它材料，將相應材料的機械性能代入即可，如灰鑄鐵、不銹鋼等，但外殼結構必須是圓筒結構。

[1] 防爆電氣技術與應用.黑龍江科學技術出版社，1985.

[2] GB 3836.1—2010 爆炸性環境 第1部分：設備 通用要求.

[3] GB 3836.2—2010 爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備.

[4] GB 3836.3—2010 爆炸性環境 第3部分：由增安型“e”保護的設備.

[5] GB/T 700—2006 碳素結構鋼.