礦用隔爆型圓筒形開關殼體設計

魚永平

（甘肅容和礦用設備集團有限公司，甘肅 白銀730919）

0 引言

礦用隔爆型圓筒形開關，如圖1所示，用來控制煤礦井下小功率用電設備的主要電氣控制設備。

圖1 礦用隔爆型圓筒形開關

目前，設計此類開關時沒有確定的公式，大多數企業的設計人員在設計時往往感到依據不充分，靠經驗或類比的方法估算，造成數據不準確，當數值偏小時存在安全隱患，而當數據偏大時又造成材料的浪費。

為了使該類開關在滿足防爆性能的基礎上，合理利用原材料，最大限度地減少殼體質量，本文根據材料力學的原理，綜合考慮壓力容器殼體設計的知識，對此類開關殼體及法蘭的厚度等主要部件進行了設計計算，力求科學合理。

1 壓力容器與礦用隔爆型圓筒型開關的對比分析

壓力容器或叫受壓容器，從廣義上講應包括所有承受壓力載荷的密閉容器。一般來說，壓力容器發生爆炸時，其危害程度與壓力容器的工作介質，工作壓力及容器的容積有關。

根據《壓力容器安全規程》，按容器的工作壓力分為以下幾種：①低壓容器：1≤ P＜1.6 MPa；②中壓容器：1.6 MPa≤ P＜10 MPa；③高壓容器：10 MPa≤ P＜100 MPa；④超高壓容器：P＞100 MPa.

礦用隔爆型開關在發生爆炸時，其內部壓力為1.0 MPa，當出現壓力重疊時（極限情況）為1.5 MPa.

由此而知，礦用隔爆型圓筒型開關屬于低壓容器范圍。

2 礦用隔爆型圓筒型開關力學模型的建立

通過分析壓力容器與礦用隔爆型圓殼類開關不難發現，它們的外形一樣；根據材料力學的應力分析可以知道，這兩類容器的受力情況也是一樣的。因此，可以運用材料力學的知識及壓力容器的相關設計理論、對礦用隔爆型圓柱體開關主要部件的材質厚度進行設計。

3 礦用隔爆型圓殼類開關部件設計

3.1殼體壁厚設計

根據材料力學應力分析與低壓容器壁厚計算[1]，綜合考慮其它因素（焊縫系數、腐蝕裕度等），圓柱體形狀開關殼體壁厚按下式計算：

式中，δ1為圓筒形薄壁的厚度（cm）；p為設計壓力（MPa）；Di為圓筒體薄壁的內徑（cm）；[σ]t為設計溫度下圓筒體材料的許用應力（MPa）；φ為焊縫系數[1]。如下表1所示。

表1 焊縫系數

結合上述數據，計算后，綜合考慮材料的統一性，對公司多個產品的厚度做了調整，開關殼體壁厚選用3.5 mm、3 mm鋼板，這樣既滿足了防爆的要求，又節約了大量的材料。

3.2殼底、殼蓋壁厚設計

殼底、殼蓋外形如圖2所示。

圖2 殼底、殼蓋外形圖

式中，δ2為圓柱體殼底、殼蓋的計算厚度（cm）；p為設計壓力（MPa）；r2為半橢圓截面形封頭—圓筒—法蘭型端蓋的長軸半徑（cm）；c為半橢圓截面形封頭—圓筒—法蘭型端蓋封頭的高度，即橢圓的短軸半徑（cm）；[σ]為材料的許用應力（MPa）.

3.3法蘭厚度計算

3.3.1矩形法蘭厚度

根據材料力學應力分析與低壓容器法蘭厚度計算綜合考慮，計算礦用隔爆型圓筒形開關矩形法蘭（接線盒法蘭）的厚度時，可用下式來計算[2]：

根據材料力學應力分析與低壓容器壁厚計算綜合考慮，礦用隔爆型圓柱體形開關殼底、殼蓋可用下式（具體推導略）來計算：

式中：δ3為法蘭的計算厚度（cm）；a為法蘭上兩個相鄰的緊固螺栓（螺釘）之間的距離（cm）；α為擾度系數，如下表2所示；p為設計壓力（MPa）；k為安全系數（1.5）；E 為所用材料的彈性模量（MPa）；i為隔爆間隙（0.25 cm）；B為平面度（cm）；φ為焊縫系數，如表1所示。

表2 擾度系數

3.3.2圓形法蘭厚度

根據材料力學應力分析與低壓容器法蘭厚度計算綜合考慮，礦用隔爆型圓筒形開關圓環形法蘭（殼身、殼蓋法蘭）厚度時，可用下式來計算[3]：

式中，K 為 1.2～1.3.

根據上述公式設計，矩形法蘭厚度25 mm（先前尺寸30 mm），圓形法蘭厚度30 mm（先前尺寸36 mm）。

根據上述計算得出的相關數據，設計了我公司QBZ-120（80、60）系列礦用隔爆型真空電磁起動器，如圖3所示，在安標國家礦用產品安全標志中心重慶礦用設備檢測檢驗中心的爆炸試驗中，通過了1.5 MPa的爆炸性能試驗，殼體無變形，法蘭無變形，取得了防爆合格證書、安全標志證書。

圖 3 設計的 QBZ-120（80、60）系列礦用隔爆型真空電磁起動器

目前該類開關已批量生產，使用于我公司用戶。

4 結束語

通過對礦用隔爆型圓筒形開關與常用低壓容器的對比分析，應用材料力學與低壓容器的理論知識，同時考慮到煤礦井下的特殊情況，解出常用礦用隔爆型圓筒形開關的殼體壁厚、法蘭厚度。通過本文介紹的方法和公式，能對該類殼體結構設計提供定量的依據。

本文所述產品設計尺寸經本公司水壓試驗和國家檢測中心爆炸試驗結果表明，完全滿足設計和標準要求。

參考文獻：

[1]吳粵燊.壓力容器安全技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]張顯力.防爆電氣概論[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.