礦用電氣防爆柜體結構的優化方法

陳 芳

（晉能控股煤業集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

引言

隨著煤炭采掘技術的不斷發展，煤炭工業取得了長足的進步，但是由于井下的特殊環境也為煤礦安全生產造成了較大的威脅。尤其是瓦斯爆炸事故在礦難事故中占比較大，對井下人員及設備損害也遠高于其他事故，而爆炸原因經常是電氣設備由于故障而出現的火花或電弧引燃設備內部瓦斯氣體，從而造成爆炸[1]。因此，為了井下安全生產及人員的生命安全，要求井下電氣設備柜體外殼必須具有防爆功能，即內部爆炸不允許通過柜體縫隙傳導至外部，柜體不允許因爆炸而損壞。

目前國內外使用的防爆柜體多采用經驗法或類比法，出于安全考慮再增加一定的壁厚，該方法可以起到防爆的作用，但在井下實際操作過程中，由于壁面太厚、柜體笨重導致搬運及維護困難[2]。因此，對防爆柜體進行優化設計，使其在滿足防爆要求的前提下盡量減輕重量。本文結合電機軟啟動器隔爆柜體常用結構，對礦用防爆柜體結構優化方法進行研究。

1 防爆柜體壁厚設計

井下電氣柜體內的啟動器、接觸器能元器件在工作時難免會產生電火花或電弧，可能引起柜體內瓦斯氣體的爆炸從而引發礦井內的瓦斯爆炸，因此，防爆柜體的隔爆性能設計十分關鍵。隔爆殼體壁厚設計的原理是通過合理的柜體壁厚及結構設計，在爆炸過程中壓力峰值及氣體過壓工況下，柜體機械強度滿足安全裕量要求。對于常用電機軟啟動器隔爆柜體，設計壓力一般取1 MPa，其殼體內部尺寸要求一般大于600 mm×600 mm×400 mm。厚度計算公式為：

式中：δ 為柜體壁厚；b 為柜體壁短邊長度；k 為安全系數；C 為應力系數；P 為設計應力值；σT為柜體材料屈服極限。

根據上述計算公式，采用安全系數1.5，材料選擇Q235 鋼情況下對柜體各壁厚進行計算，得到后壁面厚度為12 mm，其余四個壁面厚度為15 mm。根據經驗公式，柜體法蘭門厚度設定為22 mm。根據上述計算，防爆柜體壁厚較厚，由于體積巨大，在井下安裝、維護及使用過程中均造成不便，且經驗公式一般會設置較大安全裕度，造成某些壁面的應力儲備較大[3]。通過優化設計方法結合有限元仿真分析，可以較為準確地對各個壁面進行結構設計。

2 柜體靜壓數值分析

采用Workbench 軟件導入三維數模，并對其進行一定的簡化。由于六面體網格在計算精度、抗畸變、變形特性以及網格離散誤差等方面具有較大優勢，且柜體類零件通過一定的簡化后形狀較為規則，因此采用六面體網格對柜體進行網格劃分。在靜壓試驗中，外殼主要承受水的重力及液體加壓后對各個壁面的1 MPa 壓強。由于殼體內部尺寸較小，柜體內水的自重產生的壓強遠小于液體所加壓強，因此，水的自重不予考慮，把柜體看成各個壁面受到均勻1 MPa 壓強。為使柜體產生充分形變達到穩態，仿真時間步采用30 s，得到柜體應力應變云圖如下頁圖1所示。

圖1 殼體等效應力及形變圖

根據上述仿真結果，柜體最大應力值為181 MPa，出現在法蘭門和柜體連接處，且應力云圖光滑過渡，無應力突增點。頂部壁面及左右側面最大應力值僅有80 MPa，而柜體背壁大平面最大應力值為145 MPa，最大形變為3.5 mm，未超過國標要求的5 mm 形變。由于柜體采用Q235 鋼材質，其屈服應力極限高達235 MPa，因此根據上述分析，可對左右壁面厚度進行大幅縮減，同時對背部壁面采用減小壁厚加加強筋的形式進行優化。

3 柜體結構的優化

針對上述分析中，防爆柜壁厚較厚，應力儲備過多的問題，采用優化設計方法對其進行結構優化研究。其一般思路是以數學中的最優化理論為基礎，設定目標函數，并設定一定的約束條件，最終得到最優目標解[4]。本節采用Workbench 的Design Xplorer/VT模塊，對含有參數化模型的變量進行優化分析。

由于柜體為對稱結構，因此，在建立參數化模型時采用對稱法建模，同時建立四個優化參數和三個目標函數。四個優化參數分別為：V1為左右側壁厚度、V2為背壁厚度、V3為背壁加強筋高度、V4為法蘭門厚度；三個目標函數，分別為：P1為殼體的應力、P2為殼體的質量、P3為殼體的應變。其各參數設定值及變化范圍如表1 所示。

表1 各參數設定表

將上述參數在模型中進行賦值，選取迭代循環次數50 次，得到一系列響應優化參數，其優化結果對應目標變量的關系曲線如圖2 所示。

圖2 設計點對應目標變量曲線

由上述分析可以看出，在優化分析過程中，殼體最小應力值為190 MPa，最大應力值為235 MPa，最小質量為148 kg，最大質量為171 kg，殼體發生形變最小值為3.5 mm，最大值為4.08 mm。通過上述分析并結合設計點數據可知：

1）在優化設計過程中，殼體最大形變量變化不大，防爆柜體整體穩定性較好；

2）由于設定初始值為181 MPa，減小殼體厚度后應力值有較大幅度的變化，但均滿足目標設定；

3）通過增加加強筋的設計，可以在滿足屈服應力條件下大幅降低柜體重量。

為滿足強度設計要求及安全裕量要求，取應力安全系數為1.09。根據上述優化仿真結果中最大應力值小于215.5 MPa 的設計點。其中第7 組結果質量最小，且形變量滿足使用要求。選取第七個設計點為最優解，得到優化前后防爆柜結構參數對比如下頁表2 所示。

由表2 可以看出，優化后的防爆柜體在壁厚、重量等方面均有較大變化。應力、形變量雖然增大，但滿足防爆柜體的使用要求。

表2 優化前后的參數對比

4 結論

本文通過以電機軟啟動器隔爆柜體為例，結合常用防爆柜體設計方法對其進行結構設計，并采用優化設計方法結合Workbench 軟件對其進行結構優化，得到如下結論：

1）采用隔爆柜體經驗公式所設計的軟啟動器隔爆柜體，滿足井下瓦斯爆炸工況下電氣柜體的隔爆要求，但壁厚普遍較厚，重量較重，不便于使用；

2）通過對經驗公式計算得到的柜體進行有限元分析，其殼體應力儲備較多，設計過于冗余；

3）通過對大平面薄壁結構設計加強筋可以大幅縮減壁厚，利于箱體類零件的減重；

4）Workbench 所提供的優化設計模塊，可以較為便捷地對多目標參數進行優化，且優化結果較為合理。