防爆开关壳体强度设计.doc

防爆开关壳体强度设计 防爆开关的防爆特性，主要是由壳体的特殊设计来实现的，开展对防爆开关壳体设计理论的研究，对防爆开关的发展十分必要，本文对防爆开关壳体的强度设计作一探讨。 1 引言 防爆开关的工作环境，例如用于煤矿的防爆开关是工作在含有大量甲烷的空气混合气体中，当甲烷含量达到5-16时遇700℃的火源将发生爆炸，当甲烷含量在9.5时爆炸力最大达7.4大气压，因此壳体设计就以技术条件所要求的8kg/cm3内压为依据，分析壳体受力情况和强度。 2 壳体设计理论依据 在压力容器设计中，容器在工作失效时所表现的强度性能、刚度性能、稳定性能的三种形式中，最重要的是强度问题，即在一定的压力下容器不会发生破裂或过量的塑性变形。 常用防爆壳体外径为600mm左右，壁厚为36mm，在工业设计计算压力容器中属于薄壁容器。 2.1 容器在内压下的受力分析 如图1中所示σm轴向应力;σQ切向应力;σr径向应力。 因为在薄壁容器中σr相对于σm、σQ较小，故可忽略。 轴向应力（σm）计算π（DnDw）/2tσrmπD2m/4P 式中Dn容器内径;Dw容器外径容器所承受的内压力;t容器壁厚。因为薄壁容器中Dn、Dw相差不大，可用平均值D代替，所以上式简化为 πDtσmπD2/4P得σmPD/4t 1 切向应力σQ计算 如图1中所示PsinQdQD/2LσQ2Lt σQPDL4σQL∫π0sinQdQ 得σQPD/2t 2 图1 圆筒形容器受力分析 2.2 强度计算 强度理论又称为“失效准则”或“失效判据”。 由式 2 再考虑焊缝减弱及附加量等因素，可 得 圆柱壳体 t≥PDm/2[σ]φ－pC 3 椭球封头 t≥PDm/2[σ]φ－pKC 4 式中设计压力，kg/cm2;[σ]材料在设计温度下的许用应力;φ焊缝系数或应力折减系数（＜1）;C壁厚附加量cm;K椭球封头形状系数，见图2 K1/6[2Dm/2hm2] 图2 椭球封头 2.3 安全系数与许用应力的确定 2.3.1 安全系数 对于炭钢材料断裂安全系数nb3.0 ;材料屈服极限的安全系数nb1. 65 2.3.2 许用应力的确定 基本许用应力 [σ]gσb/nb、或[σ]gσb/nb 设计许用应力 [σ]Y[σ]g，其中y为毛坯质量系数，钢板的毛坯质量系数为1。 2.4 强度设计中的相关问题 2.4. 1 最高工作压力与设计压力。设计压力应为最高工作压力的1.1-1.25倍。作为防爆开关外壳，防爆规程规定设计压力为1.5倍工作压力。 2.4.2 焊缝系数。焊缝系数φ是考虑焊接对容器强度的削弱，用以降低设计许用应力的一个系数，φ的 大小取决于焊缝坡口形式，焊接方法，焊接工艺及焊 接检验探伤严格性，对于双面焊的对接焊缝，又经水 压试验φO.8。 2.4.3 壁厚附加量。壁厚附加量CC1C2C3 C1为钢板的负公差，依据板厚、取值在0.2-0.5mm;C2为加工中的工艺减薄量，因为防焊壳体 为冷卷，冷校，故ClO;C3为腐蚀裕量，因为壳体不装腐蚀物体，故C30。 3 防爆开关壳体设计归纳 如前所述，薄壁容器的壁厚可由3.4式得出 因为一般壳体封头中Dn/2hn接近于2,K 接近1，所以3,4式可归纳为一式 t≥[PDn/2[σ]φ－P]C 根据防爆壳体的基本特点φ0.80.9,C可取0.20.5mm，这样得 t≥[PDn/1．6[σ]－P]0．4 又对A3钢板[σ]可取1450kg/cm2;对矿用防爆开关P1.5爆炸力，即P12kg/cm2. 则t≥12Dn/23080．4Dn/1920．4 5 因此可将5式做为设计防爆壳体壁厚的参考公式，该式已在多项设计中得到了验证。