閆文斌

（山西寧武大運華盛能源集團莊旺煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

隔爆箱是煤礦井下供電系統(tǒng)的重要裝備，主要作用如下：將易產(chǎn)生電火花的電氣元件放入隔爆外殼內(nèi)，利用隔爆外殼的密封性形成局部密封環(huán)境，將電氣元件和井下易燃易爆的氣體隔開，避免產(chǎn)生爆炸事故，同時要求隔爆箱具有極大的結(jié)構(gòu)強度，以使箱體能夠承受爆炸時的壓力而不被損壞。目前為了確保礦用隔爆箱安全，通常采用局部加強的設(shè)計方案，導(dǎo)致箱體結(jié)構(gòu)重量大、成本高，嚴重影響了井下布置時的靈活性。

1 隔爆箱優(yōu)化方案

本文以KBSGZY-1600型隔爆箱為研究對象，箱體采用了大開蓋結(jié)構(gòu)，在箱體的兩側(cè)分布有瓦楞狀的加強結(jié)構(gòu)，利用ANSYS仿真分析軟件[1]，模擬爆炸情況下的箱體受力。結(jié)果表明，在內(nèi)部爆破的情況下，作用在隔爆箱上的應(yīng)力主要分布在波紋板和箱體底架的筋條上，其中作用在波紋板上的最大應(yīng)力約為244.7 MPa、最大變形量約為17.4 mm。根據(jù)分析結(jié)果，提出了一種對隔爆箱的優(yōu)化方案，其 一方面要對箱體薄弱的位置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后加強，另一方面需要對結(jié)構(gòu)強度大、應(yīng)力較小的地方進行減薄處理，通過“此消彼長”和應(yīng)力分散的方案來降低受力時的應(yīng)力集中，進一步提升隔爆箱的使用穩(wěn)定性。

由于相同受力時的應(yīng)力主要集中在波紋板處，因此在優(yōu)化時主要是對波紋板的結(jié)構(gòu)和數(shù)量進行優(yōu)化，考慮到實際加工能力和結(jié)構(gòu)特性，選擇以下三種優(yōu)化方案[2]，具體內(nèi)容如下：

方案一：選擇厚度為5 mm的大波紋型波紋板，在波紋板的外側(cè)對稱設(shè)置2個筋板，在波紋板的內(nèi)側(cè)設(shè)置2組加強板。

方案二：選擇厚度為5 mm的大波紋型波紋板，在波紋板的外側(cè)對稱設(shè)置3個筋板，在波紋板的內(nèi)側(cè)設(shè)置2組加強板。

方案三：選擇厚度為7 mm的大波紋型波紋板，在波紋板的外側(cè)對稱設(shè)置2個筋板，在波紋板的內(nèi)側(cè)設(shè)置1組加強板。

2 不同方案分析

根據(jù)對箱內(nèi)爆破時的壓力分析，其最大壓力約為0.8 MPa，因此為了模擬不同結(jié)構(gòu)下隔爆箱受力情況，利用ANSYS仿真分析軟件，對箱體內(nèi)部施加1MPa的模擬壓力，對不同結(jié)構(gòu)下的箱體受力情況進行分析，然后利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方式，對不同結(jié)構(gòu)下箱體的應(yīng)力和最大變形量進行匯總，結(jié)果如下頁圖1所示。

由下頁圖1-1可知：方案一，箱體的平均最大應(yīng)力為230.1 MPa，比優(yōu)化前降低了約5.97%；方案二，箱體的平均最大應(yīng)力為227.4 MPa，比優(yōu)化前降低了約7.07%；方案三，箱體平均最大應(yīng)力207.5 MPa，比優(yōu)化前降低了約15.2%。

由下頁圖1-2可知：方案一，箱體的平均最大變形量約為17.1 mm，比優(yōu)化前降低了約1.72%；方案二，箱體的平均最大變形量約為12.9 mm，比優(yōu)化前降低了約25.9%；方案三，箱體的平均最大變形量約為11.7 mm，比優(yōu)化前降低了約32.8%。

圖1 不同結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果

綜上，采用方案三能夠較大程度地降低隔爆箱在受力作用下的應(yīng)力和最大變形量，具有最佳的優(yōu)化效果。同時表明，方案一、方案二的應(yīng)力和最大變形量情況差異性不大。因此，外側(cè)筋板的數(shù)量對箱體結(jié)構(gòu)強度影響較大，具體可以根據(jù)實際情況進行選擇。

3 箱體結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

由于箱體結(jié)構(gòu)、波紋板、加強板形狀等均會對隔爆箱的使用效果產(chǎn)生較大的影響，在確定了箱體波紋板和外側(cè)筋板的形式后，又進一步對箱體其他應(yīng)力較為集中的地方進行優(yōu)化，降低箱體的厚度。通過理論計算對比后[3]，采用將箱體厚度降低1.2 mm的方案，同時在減薄區(qū)域的外側(cè)增加高度為11 mm、厚度為5 mm的加強筋條，筋條的間距為50 mm，最大變形量不僅能夠?qū)ο潴w結(jié)構(gòu)進行加強，而且能夠有效地增加箱體工作時的散熱面積，優(yōu)化后箱體應(yīng)力和最大變形量情況如圖2所示。

由圖2數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后箱體的最大應(yīng)力約為216 MPa，比優(yōu)化前降低了約11.7%；最大變形量約為10.59 mm，比優(yōu)化前降低了39.1%。優(yōu)化后的最大應(yīng)力集中比方案三有所增加，這主要是由于在箱體上增加散熱加強筋條，導(dǎo)致一定的應(yīng)力集中，但增加筋條后的結(jié)構(gòu)強度比優(yōu)化前有了大幅提升，因此綜合評估更能夠滿足隔爆箱的實際需求。

圖2 不同結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果

4 結(jié)論

1）作用在隔爆箱上的應(yīng)力主要分布在波紋板和箱體底架的筋條上，其中作用在波紋板上的最大應(yīng)力約為244.7 MPa，最大變形量約為17.4 mm。

2）選擇厚度為7 mm的大波紋型波紋板，在波紋板的外側(cè)對稱設(shè)置2個筋板，在波紋板的內(nèi)側(cè)設(shè)置1組加強板，同時在箱體外側(cè)增加散熱加強筋條的方案，能夠?qū)⑾潴w的最大應(yīng)力降低11.7%、箱體的最大變形量降低39.1%。