隔爆外壳的设计

1、防爆电器丛书隔爆外壳的设计刘让编著二零零七年八月浙江 乐清隔爆外壳的设计 隔爆外壳的设计 刘让编著20 一 概述防爆产品的外壳设计，特别是隔爆型外壳的设计已有许多方法，本文想从理论基础 说起，尽量避免繁琐的高等数学的计算，并简化计算以达到实用性强、易掌握的目的。 使防爆产品的质量有更大的提高。本文主要针对从事防爆产品设计和防爆外壳工艺的技术人员，并具有中专学历以上 的人员学习，隔爆外壳的设计包括两个方面的内容：1.隔爆参数的设计；2.外壳强度的设计。 外壳的隔爆参数主要是指隔爆结合面的形式、隔爆面间隙和结合面的宽度以及结合面的粗糙度等，这些参照 GB3836 的有关内容正确选择就可以。近年来，

2、随着技术的发 展，方壳和快开门结构使用越来越多，外壳主腔使用螺钉紧固逐渐减少(但在厂用防爆 产品中仍用的较多)，矿用产品螺钉紧固方式大多用于接线箱和一些小产品中，因此新 的结合面紧固方式也是外壳设计的主要部分。外壳的强度设计，是如何用最少的材料设计出强度足够的隔爆外壳，这也是许多专 家研究的课题，至今尚未见到一种成熟而又精确的计算方法，设计中采用经验数据较多， 有的通过试验来验证，浪费材料和裕度过大是常见的。二 外壳设计的理论基础1 虎克定律 公式 L = PLEA杆受拉力纵向伸长 L=L1L(图 1)单位长度杆的纵向伸长(线应变)：= ÄL LP轴向力A 杆的横截面E 弹性模量MP

3、aEA 杆的抗拉(压)刚度这样虎克定律的另一表达式= s= P杆中的正应力(拉为正，压为负)EA2 低碳钢试件的拉伸图（1）标准试样(图 2) L工作段在这一长度内任何横截面上的应力均相同L=10d或 L=5dL=11.3.A或 L=5.65A（2）低碳钢试样的拉伸图 (图 3) 弹性阶段 L = PL 。EA 屈服阶段试件长度急剧变化，但负载变动小。 强化阶段要继续伸长，所需要克服试件中不断增长的抗力，材料在塑性变形中不断发生强化所致，这阶段塑性变形。 局部变形阶段试件伸长到一定程度后，负载读数反而逐渐降低，出现”颈缩”现象， 横截面急剧减小，负载读数降低，一直到试件拉断。（3）卸载规律 在

4、强化阶段如果终止加载，在终止加载过程中，负载与伸长量之间遵循直线关系，此直线 bc 和弹性阶段内的直线 oa 近似平行，这过程为卸载，并将卸载时负载与试件的 伸长量之间遵循的直线关系的规律称为材料的卸载规律。(图 4)由此可见，在强化阶段中，试件的变形实际上包括了弹性变形Le 和塑性变形Ls两部分，在卸载过程中，弹性变形逐渐消失，只留下塑性变形。 若重新加载，仍从 c 点开始，一直到 b 点，然后沿原来的曲线。若对试件预先施加轴向拉力，使之达到强化阶段，然后卸载，则再加负载时，试件 在弹性范围内所能承受的最大负载将增大，这称为材料的冷作硬化现象，这可用来提高 材料在弹性范围内所能承受的最大负载

5、。（4）应力应变曲线或曲线 (图 5)比例极限：A 点以下，应力和应变成正比，符合虎克定律p弹性极限：弹性阶段最高点 B，是卸载后不发生塑性变形的极限ep 与e 数值相差不多，可统称弹性极限。 屈服极限：屈服阶段有幅度不大的波动，最高点 C 应力为屈服高限，D 点为屈服低限。 从试验结果可知，屈服低限较为稳定，故称为屈服极限 s强度极限：强化阶段的 G 点为最高点，此点应力达到最大值，称为强度极限 b对低碳钢来讲，极限应力：s，b 是衡量材料强度的两个重要指标。延伸率：d = L - L1×100%L(L10d 时)L1 拉断后的杆长；L 原长材料名称牌号EGPasMPabMPa5%

6、(L5d 时)低碳钢Q235200-21024040025-27中碳钢4520936061016低合金钢16Mn200290-350480-52019-21泊桑比横向线应变/，在应力不超过比例极限p时，它与纵向线应变的绝对值之比为一常数。' e e3 术语和公式(1) 挠度：轴线上的点在垂直于 X 轴方向的线位移称为该点的挠度。横截面绕其中性 轴转动的角度称为该截面的转角。(图 6)(2) 梁(把钢板当成两端被固定支撑的梁)在弯曲时，在横截面上既有拉应力也有压应力， 在中性轴为对称轴时，拉压应力在数值上相等。M(3) 弯应力：maxWZ1对圆形截面 抗弯矩WZ321对矩形截面 抗弯矩W

7、Z6三 经验公式d3bh2(图 7)外壳的强度问题，归根结底是外壳壁厚的计算，按照 GB3836 的有关规定，爆炸压力若以静压力考虑，对类A 和B 产品的外壳为1MPa ；C 为 1.5MPa。 受内压操作的筒体外壳壁厚的计算：d =PDe+ C230f s - P式中：筒壁厚mmP： 容器工作压力MPaDe：容器内径mm： 焊缝强度系数De400-500mm 采用人工单面焊接取0.7De600mm采用人工双面焊接取0.95：许用拉伸应力 b/n b材料的强度极限b380-400 MPa(Q235) n：安全系数取 3.5C：为弥补钢板负公差所增加的厚度钢板厚度在 20mm 以下取 C1；厚于

8、 20mm 取 C0这一公式是大容器的经验公式，在防爆电器中壁厚大于 20mm 的很少，所以系数 C要酌情考虑。四 大型矩形外壳的计算基础1 考虑材料塑性时梁的极限弯矩 一般的计算考虑材料是在弹性范围内工作，我们需要要进一步研究材料在受到弯曲时的最大正应力达到材料屈服极限以后的弯曲问题。纯弯曲时，梁的容许弯矩WW×*由以下分析可知，对于塑性材料制成的梁，以此W为梁的容许弯矩在强度方面尚未发 挥材料的潜力。把低碳钢的曲线简化(1) 当应力不超过S时，材料符合虎克定律；(2) 拉伸、压缩时的弹性模量相等，S也相等；(图 8) (3) 应力达到S后，应变在此应力下增加，当外 力大到一定时，

9、距中性轴最远的应力为maxS 此时MSS×W，这即(*)式所允许的最大弯矩， 此时，材料并无塑性变形。(图 9) 当外力继续增加，横截面上的正应力将按S值 逐渐向中性轴发展，最后，全部达到S，此时的弯矩，就是考虑材料塑性时的极限弯矩 Mjx，(图 10) 此时横截面上各点均发生塑性变形，在不增加外 力的情况下，整个梁将继续变形，前已说，由于 卸载规律，材料发生强化作用，实际的Mjx比理想值 要大。具体分析一下Mjx的变化。 按静力平衡条件，整个横截面上的法向内所有元素所组成的合力 N0 (图 11)òA1SòAaSN dA(- )dA0得 A1AaA1：受拉面积A

10、a：受压面积N0 也是确定中性轴位置的条件，在此条件下，法向内力元素所组成的力偶矩就是梁的极限弯矩MjxòA1SòAaSMjxy dA(-y)(- )daòA1òAaSydAy dAS(S1Sa)对于具有水平对称轴的横截面S1SaS；S1Sa2SS 为半个横截面的面积对中性轴的面积矩MjxSWSWS2S WS为塑性抗弯截面模量 (cm3) 对于矩形截面 (图 12)2S A × h b× h × h bh24248WS2Sbh24将MjxSWS与 MSW 相比较得：M jx WSMW对不同的截面形状Mjx/M的比值不同，但都

11、大于 1，所以，在考虑材料塑性时梁的容许弯矩Mjx也就相应地会比M有所增大。见下表：几点说明：1 初绕度实际上是利用材料的卸载规律，提高材料的强度；(图 13a)2 板材焊筋是提高零件的抗弯矩；(图 13b)3 板材上压筋是综合 1,2 的效应，即既利用卸载规律又提高抗弯矩。(图 13c)4 对薄板而言，板材是绕着 X,Y 轴弯曲的，因而板材的变形是 X,Y 两方向的综合。(图14a、14b、14c)四 矩形薄板大挠度近似计算方法 近似计算的两个要点：1 掌握并集中考虑矩形薄板的最大应力部位(1) 对侧压均布的薄板的最大应力部位与最大形变部位是相对应的；(2) 最大变形如边界是刚性的，是在垂直

12、于长边的中点方向；(3) 最大应力点在矩形板的中心，向长边垂直方向。(图 15)2 把变形的弹性面理想化为圆弧组成。近似计算的几何关系(形变和位移关系)，把矩形板的最大变形线看成一个长板条。(图 16)AB矩形的短边 a下面受压，板条上弯，形成 pAB ，曲率半径为 r X， pAB 中心点在O，AB与 pAB 将有一 最大挠度f，q X以度计。pAB2 2pr X q X 360D(1)令 n r X xa2或 r nX Xa2代入(1)pAB2p n qan qa X X ×2360D2 X X ×57.29572(2)板条按 X 轴向的应变：pABa-n qe x 2

13、 2 X X 1(3)a57.29572xq sin -1 asin -1 12r XnXsin -1 1ne xnX X 1(4)57.2957同样，沿 Y 轴向(即沿长边方向)的应变sin -1 1nye yny57.29571(5)这就是简化的几何方程。应力与应变的关系，即物理方程1e xE1e yE( s x m s y)( s y m s X)(6)式中E206GPam 0.3(钢)(4)、(5)、(6) 可以画出以nx、s x为坐标的曲线但是公式中(6)每一组都有s x、s y，不能单独与(4)、(5)代入求解，但是s x与s y有一定的关系。长边比短边的比例值大时，可以认为s y

14、017)长边接近短边时(或相等时)，s ys x1这样可以作出两条曲线，中间再作出一条s y2s x 的曲线，作为内插参考。(图对于受力条件及边界条件，采用无矩理论的大挠度理论：ssPX y (7)r Xr yh式中s y，s x为任意一点在x，y 方向的拉应力(薄膜应力)；r x, r y为这点曲面在x，y方向的曲率半径；P为板面所受的均布载荷，h为板厚(单位须与 r x, r y一致)。(7) 是静力学公式，是s y，s X的二元一次方程，要找到s x ，r x和s y， r y的近似 关系简化成一元方程。矩形薄板在侧压下变形与它的长短边 a,b 有以下关系：挠度f »a28r

15、Xb2»8r y22r X ar yb(8)从前图知pAB2 r X q X(这里q X以弧度计)又q xsin -1a2r X333根据sin x x 1 × x 1 × 3 × x 取前两项23245可将 x 向的应变值为：e xrxq x 1axa48r 22同理b3e yy48r 2因此a3r23s x e x »x»s ye yb2ry34a × b bb3a4a(9)把公式(7),(8)代入(9)得s xPrxa3(1 +)hb3Pnx a a32(1 +)hb3(10)作为特例，当 ab ，此时s xs y上式

16、变为xs Prx P2h4hnxa(11)当 ba 时xs Prx Ph2hnxa(12)这和通常材料力学求球面应力公式相当。公式(10) 、(11)、 (12) 都是与nX有关的应力s x的直线方程，它通过原点，只要求 出任意一点，就可画出，如画在前面代表的几何物理方程的曲线上，可以与相应的曲线相交，交点就是几何物理方程与静力学方程的共同解。具体作法：(1)已知 a,b,h及侧压力P，用公式(10) 、(11)、 (12)算出方程直线上一个点，建 议取nX10，p1(10, s X)(2)画出 0p1 与相应曲线相交，当s Xs y0 时，可用内插法；(3)求解点上引垂线交于 f 曲线，可得

17、 f 值；(4)强度条件：s X240 MPa (材料屈服点)又： f »a28rxa28( 1 n a)2 xa24nxf 1可作出f与n的曲线 (图 18)Xa4nx以上为验算过程如已知 a，b，P，s X240 MPa求 h(1)由s X240 作水平线与相应的曲线相交，求出nX(2)按公式(10) 、(11)、 (12)求出 h五 讨论 用近似计算法处理大型矩形外壳有很大裕度及可靠性。1 变形上的裕度：采用大挠度理论，主要是利用了大挠度变形时材料产生的薄膜应力平 衡了压力，挠度加大，受力情况更好，如果计算值低，结果使挠度比预期值大，就不会 产生恶性循环。2 材料性能上的裕度：

18、材料一般为热轧成型的，其屈服点一般总在 240 MPa 2 以上，极 限应力在 4000 MPa以上，延伸率在 2527%，以此计算在屈服点的延伸率约为 0.114%， 可见，如果钢板强度选用在弹塑性边缘，即 240 MPa以下，距离到破坏应力裕度是很大的。3 外壳在出厂时的水压试验是稳定的内部压力，使用中如产生爆炸都为瞬态的爆炸压 力，在这种负载下，板材的屈服极限还会提高，最高可达一倍，即在稳态压力下屈服点为 240 MPa，在瞬态爆炸压力下可达到 280 MPa，这是可以理解的，因瞬态爆炸压力一到峰值就衰减了。六 具有初挠度薄板的计算 (图 19)/qACB 为初挠度，加压后变为 qAC / B有初挠度2rx/2r xnx =anx =an / sin -1 1xn /得e x= x (13)xn sin -1 1n x/将(13)和(6)结合，在x和y三种关系下，作出三套曲线，即在不同的 rx (即 nx 值)作为起点，用(13)和(6)计算在 rx 减小时x，这样可用(8)、(9)、(1