矿用隔爆型矩形箱体外壳强度设计计算.pdf

第 3 0卷第 5期 2 0 0 9年 5月 煤矿机械 C 0 a l Mi n e ．Ma c h i n e r y V o 1 ． 3 O No ． 5 |Ma v ．2 0 09 矿用隔爆型矩形箱体外壳强度设计计算 李军 煤炭科学研究总院 重庆研究院 ， 重庆 4 0 0 0 3 7 摘要根据矿用隔爆型电气设备外壳型式试验的要 求， 针对煤矿应用较 多的矩形类隔爆 箱 体 ， 对箱体进行简化分析 ， 提 出了外壳壳壁、 法兰和螺栓的强度设计计算方法。 关键词隔爆；强度 ；矩形箱体 ；应力 中图分类号T D 6 8 4 文献标志码 A文章编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 0 9 0 5 0 0 2 6 0 3 De s i g n a n d C a l c u l a t i o n S t r e n g t h o f F l a me p r o o f R e c t a n g u l a r T a n k f o r 1 W i n e LI J u n C h 0 n g q i n g B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 ， C h i n a Ab s t r ac t Ac c o r d i n g t o r e q u e s t o f t e s t p a t t e r n f o r fl a me p r o o f e l e c t r i c a l e q u i p me n t s h e l l ， for mo r e a n d mo r e fla me p r o o f r e c t a n g u l a r t a nk， b y s i mp l i f i e d a na l y s i s o f t h e t a n k， ma d e a d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n me t h o d o f s e n gth o f w a l l ，fl a n g e a n d b o l t s i n t a n k ． Ke y wo r d s fla me p r o o f ； s t r e n g t h； r e c t a ngu l a r t a n k； s t r e s s 0 引言 矿用隔爆型外壳是 电气设备 的一种防爆形式 ， 其外壳能够承受通过外壳任何接合 面或结构 间隙 渗透到外壳 内部 的可燃性混合物在 内部爆炸而不 损坏 ， 并且不会引起 外部由一种 、 多种气体或蒸汽 形成的爆炸性环境的点燃 。 1 矩形箱体外壳的外壁结构简化及强度计算 该种结构外壳 的外壁可简化为在整个板面上 作用均布载荷， 四边固定的等厚矩形板模型。根据 弹性力学计算 ， 最大应力点发生在矩形长边的中心 位置 ， 即图 1中的 P点。最大挠度位置发生在板面 中心位置 ， 即0 点 。 当板与板 为锐角相交 时 ， 则应 I、缔 分 石 l- 、蛤 I 、 ＼ ＼ ＼ _-、 石 石 ； 安装侧护板留有余地。 5 活动侧护板 活动侧护板受结构限制 ， 它的下部 悬臂部分 强度不足 ， 使用 中常损坏， 所 以加强这部分 的强度 是设计者应考虑的问题 。 6 推移装置 主要用来推溜和移架 。目前有 2种形式 ① 双 杆框架式溜矸性能好 ， 能使千斤顶伸出时移架力 量大 ， 缩回时推溜力量小 ， 但框架杆件强度不足 ， 易 弯曲和折断。②箱式推杆式 由于推杆短而厚， 排 矸性差 ， 可采用浮动活塞式千斤顶 。 7 护帮装置 高支架采用二级护帮 ， 使护帮管制范围增大。 2 ． 4液压 元件 1 立柱支架 的支护强度主要靠 它来实现 ， 支架的调高范围也由它来决定， 是支架中最重要的 部件。设计主要考虑它的强度和稳定性 ； 2 各类千斤顶 已标准化 ， 设计者可根据需 要进行选用 ； ， 所欲地操纵支架 的各种动作。要求它具有 良好 的 密封性和可分配性 。操纵 阀已有定 型产 品可作选 择。当然也可以 自行设计 ； 4 控制阀要求它具有可靠的密封性和可控 灵敏度 ， 均已定型可 以任选； 5 安全阀安全阀的要求是密封可靠， 灵敏 度高， 卸载流量大 ， 可选择 ； 6 其他辅助阀类背压阀、 截止 阀、 交替单向 阀等， 均有定型产品可选用 ； 7 管路及管 路辅件高压胶管 、 接 头、 三通、 多通等管路辅件均 已标准化 ， 可直接选用。 参 考文献 [ 1 ] 赵宏珠． 综采面矿压与液压支架设计 [ M] ． 北京 中国矿业大学 出版社 ． 1 9 8 7 ． [ 2 ] 武同振， 赵宏珠， 吴国华． 综采综掘高档普采设备选型配套图集 [ M] ． 北京 中国矿业大学出版社， i 9 9 3 ． [ 3 ] 陈炎光， 徐永圻． 中国采煤方法[ M] ． 北京 中国矿业大学出版 社． 1 9 9 1 ． 作者简介 陈汉章 1 9 3 7一 ， 浙江余姚人， 技术总监， 高级工 程师 ， 毕业于北京矿院 ， 现从事煤矿支护设备技术工作． 3 操纵阀 用来分配压力油， 使操作者随心 收 稿日 期2 0 0 9 0 1 0 5 2 6 V o 1 ． 3 0 N o ． 5 矿用隔爆型矩形箱体外壳强度设计计算李军 第 3 0卷第 5期 力将增加。若用 圆角相交 时 ， 应力集 中将会 降低 ， 所 以在设计 时尽量在 板与板相 交处靠 圆角相交 。 每块板的模型可以用图 1的结构简图表示 l I『l II I l l I I I r l 口 I i j ， ， ， ， ／／ ／／ ／ y 图 1 四边 固定的等厚矩形板模型 板面中心的最大弯曲正应力 ‘ q 1 最大挠度 卢 了b 詈 2 式中 与矩形长和宽 比值有关 的系数 见 表 1 ； b矩形板的宽度 ， m m； q实验压力 ， MP a ； t矩形板的厚度 ， m m； E材料的弹性模量 。 表 1 系数 d 与矩形长和宽 比值 的关 系 a ／ b 1 ． O 1 ． 2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 2． 0 口0 ． 3 0 7 8 O ． 3 8 3 4 0． 4 3 5 6 0． 4 6 8 0 0 ． 4 8 7 2 0． 4 9 7 4 O ． 5 0 0 0 8 0． 01 3 8 0 ． 0 1 8 8 0． 0 2 2 6 0． 0 2 5 1 0 ． 0 2 6 7 0． 0 2 7 7 0 ． 0 2 8 4 防爆外壳通常采用一般碳钢 Q 2 3 5 。可 以根据 第三强度理论 l 一 3 ≤[ ] 3 相当应力 ≤[ ] 4 即 q ≤ [ ] o rs 5 式中o r 材料屈服点 ； n 材料屈服极限的安全系数 ， 一般碳钢 n1 ． 2 5。 在不加加强肋的情况下 ， 矩形外壳外壁厚度可 根据式 5 得出 ￡ ≥ 6__ T 6 8 ／ o t q n 丁 在实际设计 中， 当边长较长 ， 一般单边超过 3 0 0 mm的矩形薄壁板在满足强度时 ， 还要考虑壳体变 形。多采用焊接加强肋的办法来提高强度和刚度。 2 螺栓大小的计算 矩形外壳 的连接法兰单个螺栓 轴 向载荷分 布 不均匀 ， 根据压力类 容器计算方 式 ， 当 A ／ B2时 _ 『 lL L 【 ’ 1 ￡ 图2 壳体盖、 法兰螺栓的联接形式 图 3矩形外壳法兰尺寸图 尺寸见图 3 ， 近似认为箱体 内压力形成的轴 向载 荷由长边上的螺栓承担 ， 单个螺栓最大载荷 Q 0 ． 6 B c q 2 d c m q 7 式 中曰过螺栓 中心矩形的短边长度 ， mm； c螺栓中心距离 ， mm； d密封垫有效宽度 ， m m； m密封垫系数。 当A ／ B≤2时， 近似认为箱体 内压力形成 的轴 向载荷均匀 的分 布在以矩形短边为直径 的当量 圆 周上， 单个螺栓最大载荷 Q c 2 d c m q a_ 耵q 2 d c m q 8 式中A 过螺栓中心矩形的长边长度， m m； 单个螺栓面积 A F 9 式 中[ 17 “ ] n 材料屈服极限的安全系数。 螺栓直径 D 2／ 1 o √o r 1 T 3法兰部分强度计算 3 ． 1 法 兰部 分 法兰和竖板之 间为焊接 ， 法 兰受 内部载荷 时， 螺栓 中心距离 c ； 螺栓受预紧时， 法兰受力如图 4所 示。Q是螺栓作用给法兰的预紧力 ， 它沿螺栓 的中 心线等距均匀分布 ， Ⅳ为下法兰上的密封垫反作用 力 ， 显然它们构成力偶作用在法兰上。当有水压作 用时， 轴向作用力 使 Ⅳ减小， 而螺栓力 Q增大， 这 时 Q为 与 Ⅳ之和。考虑到 Ⅳ与 的相距很近 ， 可 以认为作用法兰的力矩可以用 Q和 Ⅳ合力组成 一 2 7 第 3 0卷第 5期 矿用隔爆型矩形箱体外壳强度设计计算李军 V o 1 ． 3 0 N o ． 5 的力偶来代替。 弯矩 图 4 法兰受 力图 M L Q 1 1 LlR 0 ． 5 g 抗弯截面模量 W】 ／ 6 1 2 弯曲应力 Or 1 M／ o 9 1 1 3 3 ． 2焊缝部 分 弯矩 M k L 1 Q 1 4 式中| I} 考虑密封垫片反力 Ⅳ的具体情况取的 一 个系数。 抗弯截面模量 ， 弯曲应力 2 2 1 6 正应力 Or Q ／ 1 ． 4 c h 1 7 合成应力 Or 2 o r 2 2 1 8 3 ． 3 校核计算 弯曲应力 1≤[ ] 1 9 2 ≤0 ． 8 [ ] 2 0 0 ． 8为焊接接头系数； 法兰厚度 6榴 2 1 4应 用实例 以某矿用隔爆兼本质安全型壳体为例 ， 外壳和 螺栓材料采用 普通碳钢 Q 2 3 5 A， 材料屈 服点 2 3 5 MP a ， 材料安全系数取 1 ． 2 5 ； 内腔 尺寸要求 长 口 5 3 0 m m， 宽 b 4 2 0 mm， 高 1 9 0 m m。设计时 过螺栓中心矩形 的短边长度 B 4 4 4 mm， 过螺栓 中 心矩形 的长边长 度 A5 5 4 mm， 螺栓 中心距 离为 1 2 0 mm 。 4 ． 1 壳体外壁厚度计算 可简化为在整个板面上作用均布载荷， 四边固 定的等厚矩形板模 型。在不加加强肋 的情况下设 计最小厚度可以根据式 6 计算。 1 盖及底板计算 宽比值 1 ． 2 3 ， 查表 1 ， 取 O t 0 ． 3 8 3 4 。根据式 6 计 算的盖及底板的厚度 t l ≥ 1 8． 95 mm 为节省材料， 减少壳体重量， 最好将壳体盖子 及其底板设计为法兰边与较薄板材的焊接式结构， 盖子法兰厚度取 2 0 m m， 较薄板材取 1 0 m m， 较薄 板材焊接加强肋增加强度 和刚度。整体重量 可以 比实际设计重量减少 1 0 k g 。 2 左右及前后竖板计算 左右竖板长为 4 2 0 mm， 宽为 1 9 0 m i l l ， 矩形长宽 比值 2 ． 2 1 ， 查表 1 ， 取 0 ． 5 。根据式 6 计算左右 及前后竖板的厚度 t 2 i9． 8 mm 前后竖板 与左右竖板厚度一致 。为节 省材料 减少壳体重量 ， 在设计时减小壁厚， 可以选为6 m m， 通过焊接加强肋 的方式增加强度和刚度。 4 ． 2 螺栓大小计算 A ／ B≤2 ， 近似认为箱体 内压力形成 的轴向载荷 均匀分布在以矩形短边为直径的当量圆周上 ， 单个 螺栓最大载荷根据式 8 和式 9 计算 ， 结果为 Q1 7 2 0 8 N D 1 0． 7 9 mm M1 2螺栓小径为 1 O ． 2 m m， 为增加安全系数 ， 建 议采用大于 M1 2螺栓 ， 或者采用高强度螺栓 。 4 ． 3法兰部分计算 法兰和竖板之间为焊接 ， 螺栓中心距离 为 1 2 0 mm， 根据式 2 1 计算法兰厚度 6-- 6． 5 9 mm 法兰厚度可以取 61 0 1T i m。 由此可知在螺栓力一定时 ， 法兰螺栓孑 L 中心到 竖板外侧边缘 的距离越小 ， 法兰承受的外力偶矩越 小。在满足螺栓截面一定 ， 并 留有紧固螺母所必须 间距的前提下 ， 应 以螺孔 中心到竖板外侧边缘的距 离尽可能小为原则。 5结语 通过对隔爆外壳壳壁 、 法兰和螺栓 的强度设计 计算 ， 能较准确地推导出满足试验要求的外壳各部 分材料要求厚度。对于外形尺寸较大 的外壳， 往往 通过理论计算出的数值要求外壳各部分都 比较厚 ， 造成外壳 比较笨重。所 以实 际应用 中对宽度 大于 3 0 0 m m的隔爆壳体 ， 通常对外壳壳壁取理论值 的 1 ／ 2， 然后焊接加强肋增加壳壁的强度和刚度。 参考文献 [ 1 ] G B 3 8 3 6 ． 22 0 0 0 ． 爆炸性气体 环境用 电气设备 第 2部分 隔 爆 型⋯ d’ [ s ] 7一l O ． [ 2 ] 机械设计手册编委会． 机械设计手册 第 1 卷[ K ] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 机械设计手册编委会． 机械设计手册 第 1 卷[ K ] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 机械设计手册编委会． 机械设计手册 第 2 卷[ K ] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 作者简介 李军 1 9 8 0一 ， 山东德 州人 ， 大学本科 ， 助理工 程师， 2 0 0 4年7月毕业于山东理工大学材料成型及控制工程专 业 ， 主要从事矿用安 全仪器仪表的研发 ， 电话 0 2 3 6 5 2 3 9 3 3 6， 电 子信箱 c k l ij u n 1 2 6 ． c o m ． 内腔尺寸长 o 5 3 0 m m， 宽 6 4 2 0 m m， 矩形长 一 28 一 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 0 7