魚永平

（甘肅容和礦用設(shè)備集團(tuán)有限公司，甘肅 白銀730919）

0 引言

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

圖1 礦用隔爆型圓筒形開關(guān)

目前，設(shè)計(jì)此類開關(guān)時(shí)沒有確定的公式，大多數(shù)企業(yè)的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)往往感到依據(jù)不充分，靠經(jīng)驗(yàn)或類比的方法估算，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，當(dāng)數(shù)值偏小時(shí)存在安全隱患，而當(dāng)數(shù)據(jù)偏大時(shí)又造成材料的浪費(fèi)。

為了使該類開關(guān)在滿足防爆性能的基礎(chǔ)上，合理利用原材料，最大限度地減少殼體質(zhì)量，本文根據(jù)材料力學(xué)的原理，綜合考慮壓力容器殼體設(shè)計(jì)的知識(shí)，對(duì)此類開關(guān)殼體及法蘭的厚度等主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，力求科學(xué)合理。

1 壓力容器與礦用隔爆型圓筒型開關(guān)的對(duì)比分析

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

根據(jù)《壓力容器安全規(guī)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(guān)在發(fā)生爆炸時(shí)，其內(nèi)部壓力為1.0 MPa，當(dāng)出現(xiàn)壓力重疊時(shí)（極限情況）為1.5 MPa.

由此而知，礦用隔爆型圓筒型開關(guān)屬于低壓容器范圍。

2 礦用隔爆型圓筒型開關(guān)力學(xué)模型的建立

通過分析壓力容器與礦用隔爆型圓殼類開關(guān)不難發(fā)現(xiàn)，它們的外形一樣；根據(jù)材料力學(xué)的應(yīng)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(yùn)用材料力學(xué)的知識(shí)及壓力容器的相關(guān)設(shè)計(jì)理論、對(duì)礦用隔爆型圓柱體開關(guān)主要部件的材質(zhì)厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 礦用隔爆型圓殼類開關(guān)部件設(shè)計(jì)

3.1殼體壁厚設(shè)計(jì)

根據(jù)材料力學(xué)應(yīng)力分析與低壓容器壁厚計(jì)算[1]，綜合考慮其它因素（焊縫系數(shù)、腐蝕裕度等），圓柱體形狀開關(guān)殼體壁厚按下式計(jì)算：

式中，δ1為圓筒形薄壁的厚度（cm）；p為設(shè)計(jì)壓力（MPa）；Di為圓筒體薄壁的內(nèi)徑（cm）；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下圓筒體材料的許用應(yīng)力（MPa）；φ為焊縫系數(shù)[1]。如下表1所示。

表1 焊縫系數(shù)

結(jié)合上述數(shù)據(jù)，計(jì)算后，綜合考慮材料的統(tǒng)一性，對(duì)公司多個(gè)產(chǎn)品的厚度做了調(diào)整，開關(guān)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(jié)約了大量的材料。

3.2殼底、殼蓋壁厚設(shè)計(jì)

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(jì)算厚度（cm）；p為設(shè)計(jì)壓力（MPa）；r2為半橢圓截面形封頭—圓筒—法蘭型端蓋的長(zhǎng)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(yīng)力（MPa）.

3.3法蘭厚度計(jì)算

3.3.1矩形法蘭厚度

根據(jù)材料力學(xué)應(yīng)力分析與低壓容器法蘭厚度計(jì)算綜合考慮，計(jì)算礦用隔爆型圓筒形開關(guān)矩形法蘭（接線盒法蘭）的厚度時(shí)，可用下式來計(jì)算[2]：

根據(jù)材料力學(xué)應(yīng)力分析與低壓容器壁厚計(jì)算綜合考慮，礦用隔爆型圓柱體形開關(guān)殼底、殼蓋可用下式（具體推導(dǎo)略）來計(jì)算：

式中：δ3為法蘭的計(jì)算厚度（cm）；a為法蘭上兩個(gè)相鄰的緊固螺栓（螺釘）之間的距離（cm）；α為擾度系數(shù)，如下表2所示；p為設(shè)計(jì)壓力（MPa）；k為安全系數(shù)（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(shù)，如表1所示。

表2 擾度系數(shù)

3.3.2圓形法蘭厚度

根據(jù)材料力學(xué)應(yīng)力分析與低壓容器法蘭厚度計(jì)算綜合考慮，礦用隔爆型圓筒形開關(guān)圓環(huán)形法蘭（殼身、殼蓋法蘭）厚度時(shí)，可用下式來計(jì)算[3]：

式中，K 為 1.2～1.3.

根據(jù)上述公式設(shè)計(jì)，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(jù)上述計(jì)算得出的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了我公司QBZ-120（80、60）系列礦用隔爆型真空電磁起動(dòng)器，如圖3所示，在安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心重慶礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心的爆炸試驗(yàn)中，通過了1.5 MPa的爆炸性能試驗(yàn)，殼體無變形，法蘭無變形，取得了防爆合格證書、安全標(biāo)志證書。

圖 3 設(shè)計(jì)的 QBZ-120（80、60）系列礦用隔爆型真空電磁起動(dòng)器

目前該類開關(guān)已批量生產(chǎn)，使用于我公司用戶。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)礦用隔爆型圓筒形開關(guān)與常用低壓容器的對(duì)比分析，應(yīng)用材料力學(xué)與低壓容器的理論知識(shí)，同時(shí)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(guān)的殼體壁厚、法蘭厚度。通過本文介紹的方法和公式，能對(duì)該類殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供定量的依據(jù)。

本文所述產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸經(jīng)本公司水壓試驗(yàn)和國(guó)家檢測(cè)中心爆炸試驗(yàn)結(jié)果表明，完全滿足設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

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