胡文芳

(1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室， 山西 太原 030006)

0 引言

應用于煤礦井下的隔爆型電控箱屬于I類設備，其爆炸性氣體環(huán)境除了甲烷外，可能還含有其他成分的爆炸性氣體，其隔爆結構的設計要嚴格遵守國家關于I類電氣產品的設計標準和要求。隔爆外殼既能夠承受通過外殼任何接合面或結構間隙滲透到外殼內部的可燃性混合物在內部爆炸而不損壞，又不會引起外部由一種、多種氣體或蒸氣形成的爆炸性環(huán)境的點燃[1-2]。采掘工作面用電氣設備的外殼需采用鋼板或鑄鋼制成，不但具有耐爆性還應具有隔爆性。

由于箱體結構的大同小異，以往新箱體的設計思路是先靠經驗或參照同類產品進行初步設計，即依據(jù)已經經過水壓試驗并取得認證的定型產品，在已知定型產品采用的材料、板厚、法蘭蓋板厚度、緊固螺栓尺寸等條件下進行類比設計，再通過試驗發(fā)現(xiàn)問題后對設計方案加以改進。由于設計中依據(jù)不夠充分，這樣設計出的電控箱雖然滿足了防爆性能，但是箱體偏厚重，結構存在較多不合理的部分，造成加工難度大等問題。鑒于此，本文運用SolidWorks軟件對隔爆型電控箱進行三維建模，利用軟件自帶的Simulation插件對箱體在1 MPa壓力下的應力進行仿真分析，并以分析結果為依據(jù)，不斷調整簡化結構，最終設計出結構合理，滿足強度要求的電控箱。

1 殼體模型的建立及簡化

隔爆型電控箱多數(shù)為整體框架式結構，腔體分為單腔、雙腔和多腔結構，我公司生產的隔爆型電控箱大多數(shù)分為接線腔和主腔兩個獨立的隔爆腔體。腔體的分割既保證了用電的安全又有效地防止了煤塵的進入。整個電控箱由箱體、接線腔門、主腔門、閉鎖機構、引入裝置等組成。接線腔內設有接線端子，用于電控箱的進出線。主腔內安裝了斷路器、接觸器、變壓器、控制保護器等元器件，是電控箱的核心部分。箱體由多個薄壁矩形板焊接而成，與主腔門的連接處設有鉸鏈座，并通過螺栓緊固。箱體上端設有起吊環(huán)，便于電控箱的吊裝作業(yè)，兩側設有安裝板，方便整機的安裝布置。主腔門上設有觀察窗，內裝有顯示器，用于顯示整機的工作狀態(tài)、故障診斷和歷史數(shù)據(jù)。原箱體結構如圖1所示。

圖1 箱體結構圖

根據(jù)電控箱的原始資料，運用SolidWorks軟件進行殼體三維建模，為了便于應力分析，首先建立適當?shù)募s束條件，并對約束條件進行簡化[3-5]，如：

1) 忽略箱體中的一些輔助部件，如急停按鈕護板、吊環(huán)、鉸鏈、標牌、按鈕、手柄、把手、箱體安裝板、接地螺栓等。

2) 去除結構中的倒角及小圓角等。

3) 忽略門板上的觀察窗口，認為門板采用一整塊鋼板加工而成。

4) 把箱體作為一個整體進行分析并忽略箱體上所有的螺紋孔、連接螺栓的通孔等，認為焊接處無虛焊、漏焊等缺陷。箱體作為連續(xù)整體，忽略焊縫和焊接殘余應力的影響。

上述簡化可以提高建模的速度，同時降低網格劃分的難度和單元個數(shù)，但不會對箱體的重量及剛度產生較大的影響。

2 仿真分析與結構改進

2.1 仿真分析

根據(jù)GB 3836.2—2010爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備的規(guī)定，應對隔爆型殼體進行耐壓1 MPa的水壓試驗。由于試驗時壓力值是逐步緩慢加載至最大值的，并保持10～12 s，屬于靜壓法，所以確定應力分析類型為靜態(tài)分析[6-7]。由于箱體總體高度不高以及水本身產生的壓力相對試驗用的水壓來說較小，以上因素對應力值和位移值的影響較小，可忽略不計，僅認為對箱體和門板內側表面施加壓力。

實際加工中，箱體各零部件及門板選用的材料均為Q235A鋼，但是在SolidWorks自帶的材料庫中，沒有這號鋼材，我們選擇屈服強度相近的普通碳鋼代替，其彈性模量E=2.1×105N/mm2，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 800 kg/m3，屈服應力σ=220 MPa。將整個箱體連接重組為1個零件，以避免板與板之間的焊接部位重復受壓。網格劃分后在內部施加1 MPa壓力，得出整箱應力云圖如圖2所示，位移云圖如圖3所示。

圖2 箱體應力云圖

圖3 箱體位移云圖

由圖2可知，箱體應力最大處位于右側板與底板的焊接位置，最大值為273 MPa，雖然超出了材料的屈服強度235 MPa，但是在安全系數(shù)范圍內。其余各板受到的應力都較小，最小值為5 087.3 Pa，遠遠沒有達到材料的屈服強度?？梢?，原箱體的設計在強度上余量較大，應力集中在右側板上，需要對右側板厚度及其筋板布置進行調整。

由圖3可知，箱體位移最大處位于右側板中央位置，最大值為1.648 mm，在彈性變化范圍內。打壓10 s后，箱體恢復原樣，其余各板的位移量微乎其微。

通過對箱體進行載荷仿真分析可知，原箱體的右側板與底板的焊接處是薄弱部位，右側板上的應力急劇增加，其余部位受應力較小且強度儲備高，浪費了材料，需要對箱體各板的厚度、法蘭厚度、門板厚度以及筋板的布局進行調整。

2.2 結構改進

經過上述仿真分析，箱體各部的應力及位移都有清晰的顯示，以此為依據(jù)，對箱體進行改進設計。

2.2.1 右側板筋板的重新布置

由于電控系統(tǒng)中元器件的更新?lián)Q代，其安裝位置也發(fā)生了較大的變化，根據(jù)現(xiàn)在使用的電器件安裝尺寸，重新部署右側板筋板的焊接位置。經過多次改進設計及仿真計算，結合元器件的安裝尺寸，最終確定在右側板中間對稱布置2條筋板，取加強筋尺寸為400 mm×20 mm×20 mm，2條筋板的中間再橫搭兩條小筋板，尺寸為275 mm×20 mm×15 mm。筋板既起到了增強箱體強度的目的，又能固定元器件，省去了原來的安裝板及安裝墊塊。改進后的右側板經應力仿真分析得出的應力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 改進后的右側板應力云圖

圖5 改進后的右側板位移云圖

由圖4可知，改進后右側板受到的應力最大值為217 MPa左右，在材料的屈服強度范圍內，位移量最大為1.088 mm，得到了較好的改善。

2.2.2 法蘭及門板的減重設計

通過應力分析得知，法蘭及門板的強度儲備高，需要對法蘭及門板進行減重設計。根據(jù)GB 3836.2—2010中對緊固件的要求[2]，選取8.8級M12×25 mm的內六角圓柱頭螺栓22個，均勻分布在門板上，最小螺栓間距為103 mm。經過多次仿真計算，最終門板選定厚度22 mm，法蘭面厚度28 mm。

2.2.3 其余各板厚度及筋板的調整

其余各板采用相同方法進行減薄設計，最終選定頂板厚度為16 mm，其余各板厚為14 mm，并去除一些多余的筋板。在薄弱部位增加筋板，如頂板長邊方向增加5條加強筋板，短邊方向增加2條加強筋板。最終，箱體各部分改進前后板厚對照如表1所示。改進后的箱體經應力仿真分析得出的應力云圖如圖6所示。

表1 箱體各部位板厚對照表

由圖6 可知，改進后箱體應力最大位于接線腔與主腔連接孔的邊緣處，最大值為244 MPa。此位置是安裝接線端子的地方，且只在小區(qū)域內應力超出了材料的屈服強度，打壓10 s后，箱體恢復原樣。其余各板受到的應力值均小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

圖6 改進后的箱體應力云圖

2.2.4 其他部位的改進設計

針對原接線腔門與箱體間僅是螺栓緊固，在現(xiàn)場檢修時需兩人配合才能保證安全卸載接線腔門，給操作工人帶來諸多不便，因此，在接線腔門與箱體間增加鉸鏈連接，方便開關門。

調整接線腔門把手的安放位置。原把手位于門板正中間位置，既不省力又不符合常規(guī)的開門方式。結合人體力學及工人的操作習慣，現(xiàn)將把手移至門板的偏右上方位置，更加便于人員操作。

增加門板定位銷。由于電控箱用于特殊的工況場合，經常面臨淋水、潮濕的環(huán)境，長時間在整機劇烈振動作用下，易出現(xiàn)螺栓松動現(xiàn)象，造成門板與法蘭面存在相對運動，從而帶來隔爆接合面磷化層剝落、腐蝕嚴重、凹坑等問題。增加門板定位銷，有效防止了因螺栓松動造成的隔爆接合面的破壞。

3 結論

本文首先通過SolidWorks軟件對現(xiàn)有的隔爆型電控箱進行三維建模，利用Simulation插件對箱體在1MPa壓力下的應力進行仿真分析，得出原箱體的設計在強度上確實余量較大，從而造成原箱體體積大、厚重。然后根據(jù)原箱體在1 MPa壓力下的應力及位移云圖，找到箱體的應力分布，并對強度富裕區(qū)域和薄弱區(qū)域分別進行結構改進。經過一系列的改進后，箱體在滿足強度要求的狀態(tài)下，總質量由648 kg減為596 kg，成功減重8%。達到了減輕重量，減少材料用量，節(jié)約成本的目的，為今后同類型電控箱箱體的輕量化設計提供了一定的參考價值和借鑒經驗。