，，

(1佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002；2沈陽(yáng)透平機(jī)械股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110869；)

0 引言

煤炭、石油、化工等行業(yè)生產(chǎn)時(shí)會(huì)形成爆炸性氣體環(huán)境，所以需要選用隔爆型電機(jī)、增安型電機(jī)和正壓外殼型電機(jī)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3836—2010的要求，增安型電機(jī)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，特別是高壓電機(jī)，必須增加吹掃裝置，這給用戶的使用和維護(hù)帶來(lái)很多麻煩；而正壓外殼型防爆電機(jī)，不僅需要昂貴的正壓補(bǔ)償設(shè)備和惰性氣體，還需要很好的密封。而電機(jī)運(yùn)行場(chǎng)所的工作環(huán)境多存在潮濕，有爆炸性氣體、腐蝕性氣體和各種塵埃等情況，密封和維護(hù)制約著正壓型防爆電機(jī)的安全運(yùn)行。而隔爆型電機(jī)具有價(jià)格合理、使用維護(hù)方便等諸多特點(diǎn)，在特定的條件下，隔爆型電機(jī)成為了首選產(chǎn)品。

隔爆型電機(jī)的隔爆外殼，由機(jī)座、端蓋、內(nèi)蓋、軸承套、電纜引入裝置(隔爆接線盒)等組成，本文只針對(duì)隔爆電機(jī)的機(jī)座外殼進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

1 隔爆型電機(jī)的防爆原理

組成隔爆外殼的零部件，相互間靠平面結(jié)合面、止口結(jié)合面或平面加止口結(jié)合面裝配在一起組成完整的隔爆外殼。結(jié)合面之間存在安全間隙稱為隔爆間隙，但必須符合有關(guān)防爆規(guī)程的要求。當(dāng)隔爆型電機(jī)運(yùn)行在爆炸性氣體環(huán)境中，可燃性氣體一定會(huì)進(jìn)入隔爆外殼內(nèi)，當(dāng)外殼內(nèi)產(chǎn)生火花、電弧、或危險(xiǎn)溫度時(shí)，其能量足以引燃爆炸性氣體混合物時(shí)，爆炸火焰從隔爆間隙竄到外殼外部，火焰能量瞬間降低至不能引燃外殼外部可燃性氣體的能量，不允許引起爆炸氣體環(huán)境爆炸，這就是隔爆原理。

2 隔爆外殼的重要性

當(dāng)外殼內(nèi)部產(chǎn)生爆炸時(shí)，會(huì)產(chǎn)現(xiàn)很強(qiáng)的爆炸壓力，如果外殼強(qiáng)度不夠，將會(huì)引爆整個(gè)爆炸性氣體環(huán)境，給生命和財(cái)產(chǎn)造成重大損失。因此隔爆外殼設(shè)計(jì)是隔爆型電機(jī)的關(guān)鍵，必須能承受規(guī)定的爆炸壓力不損壞或不會(huì)永久變形。因?yàn)閾p壞或變形會(huì)破壞外殼的隔爆性能，所以隔爆外殼要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。為保證隔爆型電機(jī)的隔爆性能，組成外殼的各零件之間的配合間隙和配合面也必須要符合GB 3836.2—2010 爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備。值得注意的是：隔爆型電機(jī)外殼表面的溫度也要按照溫度組別控制在規(guī)定范圍內(nèi)，否則超過(guò)規(guī)定溫度時(shí)，外殼本身就成為引爆源，就會(huì)點(diǎn)燃電機(jī)周?chē)扇夹詺怏w。

3 隔爆外殼的結(jié)構(gòu)

按照隔爆型電機(jī)外殼幾何形狀可分為兩種：一種是圓筒結(jié)構(gòu)；另一種是箱式結(jié)構(gòu)。冷卻方式IC411、IC511等系列電機(jī)機(jī)座外殼是圓筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，而IC81W(YBKS)系列電機(jī)機(jī)座是箱式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 IC411、IC511系列電機(jī)機(jī)座外殼結(jié)構(gòu)

圖2 YBKS(IC81W)系列電機(jī)機(jī)座結(jié)構(gòu)

4 隔爆外殼鋼板厚度的計(jì)算

電機(jī)外殼內(nèi)部有定子鐵心、鑄鋁轉(zhuǎn)子、線圈、內(nèi)風(fēng)扇、擋風(fēng)板等零部件。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部爆炸時(shí)，各零部件一定會(huì)使電機(jī)內(nèi)部存在壓力集中和重疊現(xiàn)象，而且外殼承受壓力(達(dá)到和接近爆炸壓力)時(shí)間又很短，在幾十毫秒到幾百毫秒內(nèi)即結(jié)束。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在瞬時(shí)的外力作用下鋼材的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都可提高，所以外殼強(qiáng)度計(jì)算涉及的因素較多，國(guó)內(nèi)外均在研究更準(zhǔn)的計(jì)算方法。本文提供的方法，即電機(jī)外殼按照靜載荷計(jì)算，再通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和類(lèi)比方法，確定合理的外殼尺寸。

根據(jù)外殼受力情況，外殼形狀應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成圓筒狀，以防止爆炸壓力過(guò)分集中和重疊。但由于外殼內(nèi)部安裝的部件所占據(jù)的位置和加工工藝的要求，以及使用操作條件等限制，也允許將外殼設(shè)計(jì)成其它形狀，如箱式結(jié)構(gòu)，使用此結(jié)構(gòu)一定要十分小心，這種結(jié)構(gòu)不僅很難計(jì)算，一旦設(shè)計(jì)不合理，爆炸壓力集中和重疊現(xiàn)象十分明顯，很難通過(guò)防爆試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外的隔爆型電機(jī)也很少采用此結(jié)構(gòu)，所以下面我們只介紹圓筒外殼靜載驗(yàn)算方法。

(1)壁厚設(shè)計(jì)公式 根據(jù)第三強(qiáng)度理論，以內(nèi)徑Da公稱直徑，考慮焊縫對(duì)強(qiáng)度的削弱作用以及腐蝕的影響，實(shí)際壁厚設(shè)計(jì)公式為

式中，t—實(shí)際壁厚(cm)；P—設(shè)計(jì)壓力(kg/cm2)；Da—外殼內(nèi)徑(cm)；[σ]—材料的許用應(yīng)力(kg/cm2)；φ—焊縫系數(shù)，或許用應(yīng)力折減系數(shù)(<1)；C—壁厚附加量(cm)。

(2)各計(jì)算參數(shù)的選擇

P—設(shè)計(jì)壓力(kg/cm2)考慮間隙泄壓的滯后情況，推薦設(shè)計(jì)壓力為最大爆炸壓力。

[σ]—材料的許用應(yīng)力(kg/cm2)。

在常溫下，以應(yīng)力極限σs為強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)的安全系數(shù)ns和以強(qiáng)度極限σb為強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)的安全系數(shù)nb是不同的，但二者之間又有一定的關(guān)系。一般先規(guī)定nb=3.0，然后根據(jù)一般材的屈強(qiáng)σs/σb=0.55，使σs/ns=σb/nb，從而得到ns=1.65，這對(duì)碳素鋼制成的外殼是正確的。鋼板的許用應(yīng)力值見(jiàn)表1。

表1 鋼板許用應(yīng)力值

φ—焊接系數(shù)，考慮到由于焊接對(duì)外殼強(qiáng)度的削弱，而用以降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的一種系數(shù)，也可叫作“許用應(yīng)力折減系數(shù)”。

在按照焊接規(guī)范進(jìn)行焊接的前提下，焊接系數(shù)的大小取決于焊縫坡口的形式、焊接方式(雙面焊、單面焊、單面帶墊板)、焊接工藝(手工焊、自動(dòng)焊)以及焊縫探傷檢驗(yàn)的嚴(yán)格性?？筛鶕?jù)表2進(jìn)行選取。

表2 焊縫系數(shù)

C—壁厚附加量 主要包括鋼板負(fù)公差、外殼加工過(guò)程中的工藝減薄量和在工作年限內(nèi)由于化學(xué)腐蝕等造成的腐蝕裕量。因此

C=C1+C2+C3

式中，C1—鋼板的負(fù)公差(按表3選取)。

表3 鋼板負(fù)公差C1

C2—工藝減薄量 對(duì)于冷卷和熱卷的圓筒按表4選取。

表4 圓筒工藝減薄量C2

C3—腐蝕裕量 取決于環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性、腐蝕速度。對(duì)于炭素鋼，應(yīng)不小于1.0mm。

(3)確定維修加工余量

在正常使用、維護(hù)中，隔爆型電機(jī)外殼會(huì)造成一定的機(jī)械損傷，煤礦井下的潮濕、化工石油場(chǎng)所的腐蝕性氣體都會(huì)對(duì)隔爆型電機(jī)外殼的加工表面造成腐蝕。因此，外殼的加工面部分(指隔爆型電機(jī)的機(jī)座)要留有一定的維修加工余量。一般要比標(biāo)準(zhǔn)尺寸增加15%，但至少不得小于1mm，以保證修理后極有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所述的計(jì)算方法，雖然不能完全按照動(dòng)態(tài)爆炸壓力計(jì)算外殼強(qiáng)度，但計(jì)算方法可以完全滿足工程需要，能承受所需要的爆炸壓力，此方法已通過(guò)了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，如果隔爆外殼是其它材料，將相應(yīng)材料的機(jī)械性能代入即可，如灰鑄鐵、不銹鋼等，但外殼結(jié)構(gòu)必須是圓筒結(jié)構(gòu)。

[1] 防爆電氣技術(shù)與應(yīng)用.黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[2] GB 3836.1—2010 爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求.

[3] GB 3836.2—2010 爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備.

[4] GB 3836.3—2010 爆炸性環(huán)境 第3部分：由增安型“e”保護(hù)的設(shè)備.

[5] GB/T 700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼.