李麗娟LI Li-juan

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

1 概述

根據(jù)GB3836.2-2010《爆炸性環(huán)境用 第2 部分：由隔爆型外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》，水壓試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證外殼是否能承受內(nèi)部的爆照壓力，Ⅰ類隔爆水壓試驗(yàn)水壓要求為1MPa。試驗(yàn)時(shí)，若外殼未發(fā)生影響防爆形式的永久性變形或損壞，則認(rèn)為試驗(yàn)合格。此外，在接合面任何部位的間隙都不應(yīng)有永久性的增大[1]。隔爆外殼要承受1MPa 的試驗(yàn)壓力，因此必須具有足夠的強(qiáng)度和剛性。以往大多采用經(jīng)驗(yàn)法或類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能準(zhǔn)確計(jì)算出各部分的受力情況，在設(shè)計(jì)時(shí)為安全起見，往往加大安全系數(shù)，這使得殼體結(jié)構(gòu)笨重，并且具有很大的盲目性，浪費(fèi)材料，增加了生產(chǎn)成本。以往的設(shè)計(jì)停留在類比法，靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)改外殼，設(shè)計(jì)者心中往往無(wú)數(shù)，在水壓試驗(yàn)或隔爆性能試驗(yàn)時(shí)常常發(fā)生問(wèn)題，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)又延誤了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間。因此，有加強(qiáng)筋的隔爆外殼的設(shè)計(jì)必須建立在科學(xué)可靠的基礎(chǔ)上。下文以某型號(hào)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電控箱，防爆標(biāo)志為Exd[ib]IMb，為研究對(duì)象，將彈塑性力學(xué)以及材料力學(xué)的計(jì)算方法引入隔爆外殼的理論強(qiáng)度剛度驗(yàn)證計(jì)算中，以期使隔爆外殼的設(shè)計(jì)更為科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)以及可靠[2]。

2 電控箱隔爆外殼外形結(jié)構(gòu)

電控箱由Q235A 鋼板焊接而成，分為上下兩個(gè)腔，上部為接線腔，接線腔頂部為蓋板；下部為安裝器件的主腔，前面板為門板。接線腔內(nèi)只安裝接線端子。

器件主腔：寬626mm，高623mm，厚度543mm?？涨蝗莘e186.9711L，接線腔：寬626mm，高241mm，厚度496mm?？涨蝗莘e為62.952L。

主腔與接線腔選用的鋼板厚度相同，因?yàn)榍罢呷莘e大于后者，而結(jié)構(gòu)又相同，若主腔鋼板滿足強(qiáng)度，則接線腔也必定滿足要求，因此只需對(duì)主腔進(jìn)行強(qiáng)度剛度驗(yàn)證計(jì)算。

3 簡(jiǎn)化受力模型

厚度與板面寬度的比值在1/5 與1/80 之間的板，這種板可以抗彎、抗扭，也可以承擔(dān)平面內(nèi)的應(yīng)力，這類板成為薄板，對(duì)于薄板，當(dāng)荷載作用于板中面內(nèi)而不發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，屬于平面應(yīng)力問(wèn)題；當(dāng)荷載垂直于中面時(shí)，主要發(fā)生彎曲變形。板中面上各點(diǎn)沿垂直方向的位移，稱為板的撓度。如果撓度與板厚之比小于1/5 時(shí)，屬于小撓度問(wèn)題，否則是大撓度問(wèn)題。隔爆外殼的變形屬于薄板的小撓度彎曲問(wèn)題。

薄板小撓度彎曲問(wèn)題，需要基于以下假設(shè)，Kirchhoff（克?；舴颍┘僭O(shè)[4]：

將薄板置于空間坐標(biāo)系oxyz 中，長(zhǎng)邊平行于x 軸，厚度方向平行于z 軸。

3.1 直法線假設(shè)

垂直于薄板中面的直線段（法線），變形后仍保持為直線，且垂直于彎曲變形后的中面，其長(zhǎng)度不變。

3.2 縱向纖維之間無(wú)擠壓假設(shè)

垂直于中面方向的應(yīng)力較小，可以略去不計(jì)。

3.3 中面內(nèi)無(wú)面內(nèi)位移假設(shè)

基于上述三點(diǎn)假設(shè)，根據(jù)薄板小撓度理論，結(jié)合力學(xué)平衡方程推出：

4 驗(yàn)證電控柜主腔壁板的強(qiáng)度

電控柜主腔是由5 塊矩形剛板焊接而成的腔體，其中后板、底板、左右側(cè)板焊接有加強(qiáng)筋板，頂板因?yàn)樾枰惭b穿墻端子，所以沒(méi)有加焊加強(qiáng)筋，腔體和門的接合處是截面為矩形的焊接法蘭結(jié)構(gòu)，兩者矩形法蘭之間形成隔爆接合面。對(duì)于外殼來(lái)說(shuō)，5 塊壁板允許有較小的彈性變形，但要承受內(nèi)腔的爆照壓力P，強(qiáng)度是最為重要的，而其主要取決于鋼板厚度。水壓試驗(yàn)時(shí)，電控柜內(nèi)腔要承受試驗(yàn)時(shí)水的設(shè)置壓力，即均布載荷q，還有承受水由于重力產(chǎn)生的壓力，即線性載荷q′，由于q′很小，計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)。故壁板計(jì)算載荷為均布載荷q，q 等于1 兆帕。

按材料力學(xué)第三強(qiáng)度理論[4]：

式中，a 為薄板短邊長(zhǎng)度，mm；

h 為板的厚度，mm；

q 為設(shè)計(jì)壓力，q=106Pa；

C4為應(yīng)力系數(shù)；

[σ]為板材料的許用應(yīng)力；

ns為安全系數(shù)，取ns=1.3；

σs為板材料的屈服極限，Q235A 的屈服極限為240 兆帕，σs×240×106Pa。

壁板四周邊界條件的規(guī)定，壁板四周是與相鄰壁板焊接，則邊界條件為四邊固支，用平行短斜線表示，壁板上焊接有加強(qiáng)筋板，且設(shè)定加強(qiáng)筋板有足夠的強(qiáng)度，則加強(qiáng)筋板處視為簡(jiǎn)支約束，薄板四周都焊接有加強(qiáng)筋板，則邊界條件為四邊簡(jiǎn)支，用虛線表示。

根據(jù)更趨于安全原則，將壁板約束條件歸為三類：壁板只與鄰近鋼板焊接，中間區(qū)域無(wú)加強(qiáng)筋板，邊界條件為四邊固支，計(jì)算時(shí)應(yīng)力系數(shù)選用表1；壁板兩條長(zhǎng)對(duì)邊為加強(qiáng)筋板，邊界條件按四邊簡(jiǎn)支，計(jì)算時(shí)應(yīng)力系數(shù)選用表2，其余邊界約束組合，應(yīng)力系數(shù)取表1 表2 的對(duì)應(yīng)比值系數(shù)的平均值。

表1 四邊固支約束應(yīng)力系數(shù)

表2 四邊簡(jiǎn)支約束應(yīng)力系數(shù)

①驗(yàn)證電控柜頂板厚度，外形尺寸如圖1 所示。

圖1 頂板尺寸圖

頂板四邊都是焊接，所以邊界約束條件按四邊固支，

②驗(yàn)證左右側(cè)板厚度，外形尺寸如圖2 所示。

圖2 左側(cè)板尺寸圖

兩側(cè)板為對(duì)稱件，選左側(cè)板作驗(yàn)證。

③驗(yàn)證后板厚度，外形尺寸如圖3 所示。

圖3 后板尺寸圖

計(jì)算值與電控柜所選鋼板厚度相近，驗(yàn)證原設(shè)計(jì)后板結(jié)構(gòu)合理。

④驗(yàn)證底板厚度，外形尺寸如圖4 所示。

圖4 底板尺寸圖

計(jì)算值大于電控柜所選鋼板厚度，驗(yàn)證原設(shè)計(jì)底板結(jié)構(gòu)不合理。

通過(guò)以上驗(yàn)證計(jì)算說(shuō)明電控柜主腔側(cè)板、底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，達(dá)不到強(qiáng)度要求。后板面積最大，計(jì)算厚度值最小，且符合強(qiáng)度要求，說(shuō)明電控箱后板設(shè)計(jì)所選鋼板厚度可以滿足要求。

⑤改進(jìn)措施。

將左側(cè)板長(zhǎng)邊方向上加焊一條加強(qiáng)筋板，底板短邊方向上加焊一條加強(qiáng)筋板，使上述壁板原有分割區(qū)域再次縮小。

改進(jìn)后再次驗(yàn)證厚度值

上述計(jì)算結(jié)果表明壁板在長(zhǎng)邊短邊方向加焊加強(qiáng)筋板可以有效地提高壁板強(qiáng)度。由式（4）可得出，應(yīng)力系數(shù)越小，短邊數(shù)值越小，計(jì)算的最小薄板厚度越小，即越節(jié)省材料。由表1，表2 可看出薄板長(zhǎng)短邊之比越接近1，即分割后的區(qū)域長(zhǎng)短邊越相近，應(yīng)力系數(shù)越小。所以設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋板時(shí)，薄板橫向縱向都要考慮。

5 電控柜法蘭的剛度驗(yàn)證

電控柜隔爆外殼法蘭的外形見圖5，法蘭的厚度比壁板的厚度大的多，可見強(qiáng)度足以滿足要求，但其剛度必須校核才能確定。由圖5 所示，法蘭的一邊焊在殼體壁板上，殼體法蘭和門法蘭之間用螺栓連接。因此，法蘭的周邊條件可簡(jiǎn)化為二相對(duì)邊簡(jiǎn)支，長(zhǎng)度為兩螺栓之間距離b，一邊固定（焊在壁板的一邊），另一邊自由，在板上作用著設(shè)計(jì)壓力P，即均布載荷q，如圖6 所示。由彈性力學(xué)可知，板的最大撓度在自由邊的中點(diǎn)A[5-6]。

圖5 法蘭外形尺寸圖

圖6 法蘭約束示意圖

剛度條件：

式中[f]-許用撓度，mm。

許用撓度和以下因數(shù)有關(guān)：

①GB3836.2-2010 中規(guī)定的隔爆接合面最大間隙W；

②法蘭平面在加工過(guò)程中，由于平面度誤差對(duì)隔爆接合面的影響；

③由于焊接對(duì)法蘭剛度的影響，即焊縫系數(shù)，φ；

④選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，K。

許用撓度應(yīng)為

式中，W 為隔爆接合面最大間隙，mm，查GB3836.2-2010 表1，W=0.5mm；

T 為平面度公差，mm，取T=0.008；

φ 為焊縫系數(shù)，取φ=0.70；

K 為安全系數(shù)，取K=1.5。

撓度計(jì)算，見式（1）

C3為撓度系數(shù)；

a 為法蘭兩螺栓的短邊距離，mm；

E 為材料的彈性模量，E=200GPa；

h 為法蘭厚度，mm；

q 為水壓試驗(yàn)時(shí)，水的設(shè)置壓力，q=106Pa；

由以上驗(yàn)證計(jì)算可看出外殼法蘭的剛度滿足要求。

電控柜門由蓋板和法蘭焊接而成，柜門蓋板強(qiáng)度計(jì)算同主腔后板，法蘭剛度計(jì)算同主腔殼體法蘭。

6 結(jié)束語(yǔ)

參照以上驗(yàn)證計(jì)算，指出電控柜的薄弱之處，提出了改進(jìn)措施。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的電控柜隔爆外殼在做水壓試驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有發(fā)生水泄露，沒(méi)有產(chǎn)生影響隔爆性能的變形，經(jīng)檢驗(yàn)測(cè)量，隔爆間隙符合要求，水壓試驗(yàn)順利通過(guò)，試驗(yàn)的成功證明了理論驗(yàn)證計(jì)算的正確性，為隔爆外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是加強(qiáng)筋布置、箱體壁厚選擇等提出了一種可供參考的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。