有限元分析在礦用隔爆外殼設計中的應用

周慧鋒　梁譽

摘 要：在設計礦用隔爆外殼時，如果完全按照國家標準所規定的內容來設計的話，設計出的外殼往往不滿足型式試驗要求。而有經驗的設計工程師，則根據實際經驗來設計，雖然所設計出來的隔爆外殼能夠滿足型式試驗要求，但是外殼的重量普遍較重，材料及運輸成本較高。而使用有限元分析進行設計，可以有效的縮短設計周期，同時降低材料成本，使新產品可以迅速推向市場。

關鍵詞：隔爆外殼；國家標準；有限元分析

概述

在國家標準GB 3836.2-2010中規定了由隔爆外殼“d”保護的爆炸性氣體環境用電氣設備的結構和試驗要求。規定了煤礦環境用Ⅰ類電器外殼的型式試驗，對于需要做靜壓試驗的外殼，必須在壓強1MPa下能夠持續至少10s，并且不能發生影響防爆型式的永久變形或損壞，接合面任何部位的間隙都不應有永久性增大，否則視為不合格[1]。

標準中給出了各種環境下隔爆外殼隔爆面的設計寬度，與隔爆箱的容積有關，但并未規定隔爆面的厚度。致使設計工程師往往要靠經驗設計隔爆外殼的結構，但并不是每個工程師都有豐富的設計經驗，在粗略估算及經驗推測下設計出的隔爆外殼，做型式試驗時往往會出現剛度不夠及變形量較大，致使失爆，這樣還要重新加強外殼強度，使設計周期延長，設計成本增加。另一種情況是，外殼的型式試驗通過了，但是外殼的重量重了很多，實際上有很多降低空間，對大型隔爆設備來說，尤其明顯。

本文以某公司礦用隔爆電源箱外殼為例，使用Solidworks2011進行隔爆外殼的分析設計[2]。

1.初期設計及試驗

該隔爆外殼的外形如圖1所示，其長寬高分別為440mm、330mm、160mm。初期設計方案的結構參數為：隔爆面寬度為26mm，厚度為10mm，側壁和底面厚為6mm，材料為Q235A，其理論屈服強度為235MPa。根據上述參數，機加車間加工好實物后，進行壓力試驗。水壓機對殼體施加1MPa的壓力后，隔爆面較長的棱邊向外側發生了永久變形，破壞了其隔爆性能。

分析其原因，由隔爆外殼結構特征可知，在外殼口部隔爆面較長的棱邊中心受彎矩最大，所以此處的變形量也最大。外殼受力向外膨脹，隔爆面外側的應力主要為拉應力，如果此處的拉應力低于屈服應力235MPa，其變形為彈性變形，仍可恢復試驗之前的狀態；如果此處的拉應力超過235MPa，在發生彈性變形的同時也會發生不可恢復的塑性變形[3]。對初期設計方案進行有限元模擬計算，其重量為18kg，殼體內部的壓力載荷為1MPa。

有限元模擬計算結果，其隔爆面外側所受拉應力為278.8MPa，大于其屈服應力235MPa，故發生了塑性變形，與初期設計方案的實際試驗結果相合。

2.改進設計分析

在初期設計失效方案的基礎上，進行結構改進。將隔爆面的寬度增加至30mm，其他參數不變，此時，外殼的重量增加至18.7kg，內部施加1MPa均布壓力，隔爆面外側所受拉應力為219.5MPa，略低于其屈服應力。因為零部件的破壞會造成事故，所以安全系數選為1.2～1.3[4]。其安全系數為：

S=235/219.5≈1.07

仍不能滿足安全要求。

進一步進行結構改進，在初次改進的基礎上，將隔爆面的厚度由10mm改為15mm，其余的參數不變，其重量增加至20.4kg。隔爆面外側所受拉應力為190.0MPa，其安全系數：

S=235/190.0≈1.24

能滿足理論設計要求。

按照最后改進的設計方案，再次加工出實物，并對其進行壓力試驗，其結果與有限元模擬結果相吻合，并未出現破壞隔爆性能的永久變形。

對比各個計算結果，在表1中列出。通過對比，可以推出，如果將側壁厚度增加至7mm，會進一步提高安全系數，但重量也會相應的增加。

3.結論

使用有限元分析的設計方法，可以快速地進行隔爆機殼的模擬計算，通過對比若干計算結果，得出綜合參數最佳的外殼結構，避免因反復設計試驗而造成的成本增加和設計周期延長，為企業新產品迅速推向市場贏得了寶貴的時間。

參考文獻：

[1]GB/T 3836.2-2010爆炸性環境 第2部分：隔爆型設備“d”保護設備[S].2011：22-24.

[2]江洪，陳燎，王智，等.Solidworks有限元分析實例解析[M].北京：機械工業出版社，2007：11-28.

[3]陳明祥.彈塑性力學[M].北京：科學出版社，2007：203-207.

[4]中國有色工程設計研究總院.機械設計手冊（第五版）第1卷[M].北京：化學工業出版社，2008：1-109.

作者簡介：周慧鋒（1983 -），男，河南鄭州人，碩士研究生，2010年01月畢業于燕山大學，機械設計及理論專業，目前從事煤礦安全測量儀器的機械結構設計開發工作。