软起动隔爆箱体结构设计与计算
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00.00总装图A0.dwg
00.01接线腔A1.dwg
00.02盖板焊接图 A3.dwg
00.03箱门 A1.dwg
00.04门扣A3.dwg
01.00简化起动器壳体A1.dwg
01.01优化隔爆箱体门面板A3.dwg
01.02优化隔爆箱侧面板A3.dwg
摘 要
本论文对某公司的产品QJR-400/1140（660）矿用隔爆兼本质安全交流软起动器的外壳进行结构优化。
矿用防爆起动器外壳可以有效地接受内部爆炸压力，还能避免内部爆炸时产生的高温而引起外部爆炸性环境的爆炸。矿用隔爆起动器外壳是由两个不同的矩形组成的箱体，首先对它进行结构简化，把非关键部位去除简化，留下各外形面板及关键承力部件。将弹塑性力学引入设计过程中，根据实物的外形尺寸，将壳体的板简化为力学模型，结合小扰度理论，推算出各个面板的理论尺寸；采用比较法，根据理论和实物拟出不同板厚的方案，采用加强筋对其加固；利用隔爆箱和接线腔上的两对法兰满足刚度要求，对法兰的尺寸计算公式进行推导，得出了结果；对其他关键承力部件，如螺钉，进行理论受力分析。分析了起动器的实际试验和受力状况，确定了强度分析时的试验载荷，参考有关标准和资料，提出了起动器外壳变形的允许值。
使用UG三维模型软件进行起动器的三维建模，分别作出了关键承力部件的实体模型及简化整体模型。利用Workbench软件，对起动器外壳进行了有限元分析，检验外壳及零部件在1MPa压力测试下产生的应力和位移，获得隔爆箱体、法兰和门等关键部位的位移和应力云图。结合理论数值，来对起动器外壳和关键受力部件进行改进分析，从而达到提高材料的利用率、减轻设备重量和降低成本的目标。
关键词：矿用隔爆起动器；弹塑性力学；有限元分析；三维建模；轻量化。
Abstract
In this paper, the product QJR-400/1140 of a company's (660) mine flameproof and intrinsically safe AC soft starter shell design and research.
Flameproof starter shell can effectively under internal explosion pressure, can avoid high temperature internal explosion caused by the explosion of exterior explosive environment. Flameproof starter shell body is composed of two different rectangular, it first makes structure is simplified, the removal of non key parts of simplified, leaving the outer panel and the key force bearing component. The elastic and plastic mechanics is introduced into the design process, according to the shape size, the shell plate is simplified as a mechanical model, combined with the small disturbance theory, calculate the theoretical size of each panel; by comparison, according to the theory and the real draw up plans of different plate thickness, using reinforced reinforcement on the panel;Two pairs of flanges on flameproof boxes and wiring chamber to meet stiffness requirements, the formula for calculating the size of the flange derivation, And obtained the results; Theoretical stress analysis the bearing on other key components, such as bolts. Analysis of the actual situation of the test and force the starter to determine the test load strength analysis, refer to the relevant standards and information presented launcher shell deformation allowable value.
Three dimensional modeling of starter using UG 3D modeling software, the solid model of the key force bearing components were made and simplified model. Use Workbench software startup shell finite element analysis. Efficacy of displacement and stress in the housing and parts produced under the test pressure 1MPa. Get key parts of the flameproof enclosure, doors and flange stress,According to the theory of value, to improves components of stress analysis on the starter casing and key, so as to improve the material utilization rate, reduce the weight of equipment and cost reductions.
Key words: flameproof starter; The elastoplastic mechanics; Finite Element Analysis; dimensional modeling; lightweight
目 录
1 绪论1
1.1 课题的提出1
1.2 本课题研究的主要内容及意义2
2 矿用隔爆电器设备壳体隔爆要求3
2.1 爆炸性电气设备的分类3
2.2 隔爆型电气设备的主要功能3
2.3隔爆箱的隔爆原理4
2.4 外壳的变形允许值4
2.5 本章小结5
3 壳体强度刚度的理论计算6
3.1 隔爆外壳设计概述6
3.2 箱体结构的设计计算7
3.2.1 弹塑性力学的理论公式7
3.2.2 壳体壁厚的设计9
3.2.3 各面板的最大扰度和应力结果10
3.2.4 门法兰和盖板法兰变形设计12
3.2.5 计算结果讨论13
3.3 连接螺钉的强度及数量13
3.4 优化方案设计16
3.5 本章小结16
4 基于UG的隔爆箱体外壳的三维建模17
4.1 UG软件17
4.2 隔爆软起动器各箱体及组件18
4.3 三维建模19
4.4 本章小结20
5 隔爆软起动器的有限元分析21
5.1 有限元简介21
5.2 ANSYS简介21
5.2.1 技术特点22
5.2.2 ANSYS Workbench平台22
5.3 隔爆软起动器的有限元建模23
5.3.1 几何建模23
5.3.2 材料的设置23
5.3.3 网格划分24
5.3.4 静力分析25
5.4 分析结果25
5.4.1 隔爆箱体的静力分析25
5.4.2 门扣的静力分析29
5.4.3 门面板的静力分析30
5.4.4 法兰的静力分析31
5.5 结果分析与优化32
5.6 本章小结34
6 结论35
谢 辞36
参考文献37
目前，用于煤矿井下爆炸性气体环境中的控制箱类型主要有本安型“i”、隔爆型“d”和增安型“e”等，隔爆型控制箱在应用中使用较为广泛。本论文涉及的隔爆起动器箱体主要由隔爆壳体、接线腔、内部连接件、引入装置、箱门、腔盖和螺钉等组成，还要有专门的箱门和透明件给有观察器件或者频繁开箱检测的箱体做准备。矿用隔爆型控制箱主要根据国家标准GB3836. 2-2010《爆炸性环境用电气设备第2部分，隔爆型d》和GB3836.1-2010《爆炸性环境用电气设备第1部分， 通用要求》设计与制造的。本论文对隔爆原理、防爆起动器的壳体进行设计和优化作了介绍。
1.1 课题的提出
石化工业及煤炭工业的迅速发展，提高了人类的工业水平及生活水平的，不过也会带来悲惨的爆炸灾害，在这些工业发展的初期，超过一半的爆炸事故是由电气设备的电火花，电弧产生的高温引起的。
矿用隔爆型起动器设备主要用于有煤尘和甲烷混合气体等有爆炸可能的矿井下。箱体要求可以承受住通过结构间隙或外壳任何接合面渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部发生的爆炸，而不会点燃外部的爆炸性气体。在有瓦斯环境中的煤矿井下的动力设备，如电动机、开关和控制设备等，因为火花或其他事故会引起瓦斯爆炸，为了避免这种危险，需要把设备设计成有防爆结构的特殊外壳，使其具有耐爆性和不传爆性。
隔爆型设备需要进行防爆试验（主要有隔爆性能试验和动态强度试验），设计要满足产品外壳一定的强度和刚度。以前国内设计隔爆电箱体时，大多采用类比法或经验设计、计算，在试制样机时如果隔爆外壳通过水压试验则合格，否则需增加外壳上强度或刚度薄弱的部分，然后再通过样机试验来验证设计是否达到要求。
随着工业科技的迅速发展，矿用电器设备技术也不断获得进展，在煤矿得到广泛应用的壳类电器开关出现了从低压（660V）向高压大容量（1140V，6KV）升级的发展趋势。根据这种需要，在设计生产过程中虽有一些理论分析，但并未对其进行理论研究，诸如根据隔爆电气设备箱体壁厚的理论计算，有限元分析验算等。并且在设计中，随着壳体的大小不同，多次重复的进行相同或相似的绘图，增加了设计时间、影响了出图效率。为了确保隔爆设备的设计科学、可靠、经济及合理，在保证用于爆炸性气体环境安全的情况下，利用弹塑性力学将壳体的板壁抽象成力学模型，计算各部分的壁厚，螺钉的分配，并运用有限元法对隔爆进行静力学分析，检验其强度和刚度是否满足要求，利用结果指导其箱体结构的改进。对提高隔爆电气设备的设计技术水平、快速响应市场、降低成本具有十分重要的意义[4]。
1.2本课题研究的主要内容及意义
近年来，对隔爆箱体已进行了许多方面的分析，包括：隔爆外壳强度设计，对箱体结构设计，壳体形状的探讨，对箱体法兰和螺钉联接强度的校核等。尽管经过了这些分析，但是所选用的方法主要选用传统的方法，只用原有的经验和专业知识来选择和调整结构设计参数，只能构造得比较简单的计算模型，与实际的结构形状变化很大，因此，计算精度较低，要使结构能安全可靠地运行，通常的采用提高安全系数，使其结构尺寸加大，浪费结构材料，设计周期大大增加，并且很难使许多设计参数得到正确的选择。由此设计出来的结构，一般达到了设计标准，但在材料使用、结构形式等方面有着不经济和不合理性，结构的综合性能往往不能达到理想状态。设计人员对实际应变、位移和应力情况没有一定的了解，不能得出其薄弱环节的位置，更谈不上进行设备的优化设计。
现代设备正朝着高速、高精度、高效、低成本、节省资源和高性能等方面的发展，传统的计算方法一般都无法满足要求。所以要满足这种需求，需要想出另外更好的方法。近年来兴起的有限元分析方法，它有计算精度高、速度快和显示直观可靠等特点。因此通过ANSYS软件的支撑下，对防爆起动器箱体进行有限元静应力分析，校验它的强度和刚度有没有满足要求，可以提高起动器壳体，和隔爆电气设备壳体的设计的技术水平，并降低成本有着十分重要的意义[7]。
本课题利用防爆电器在设计过程中所暴露出来的问题，考虑到防爆电器行业的发展现状，以矿用隔爆兼本质安全交流软起动器（以下简称隔爆起动器），型号为QJR-400/1140（660）的外壳为研究对象，作出了以下的工作：
（l）尝试使用弹塑性力学理论对起动器进行设计。根据小扰度理论，计算出各个面板的理论厚度以及法兰的尺寸。利用受压状态下螺钉的受力模型，计算出法兰面螺钉的规格、数量和螺钉间距。在理论计算基础上，提出对箱体改进的方案。
（2）在二维CAD图的基础上，简化起动器壳体，利用UG建立出计算结果的模型设计，以及箱体的总装模型，给ANSYS有限元分析提供三维模型。
（3）在ANSYS环境下，对防爆起动器进行试验压力的模拟，对防爆起动器箱体及其关键部位进行了应力与位移的分析；再根据有限元分析的结果，对壳体的结构，例如加强筋的布置、箱体的壁厚等，进行结构改进，以实现结构上的优化。
2 矿用隔爆电器设备壳体隔爆要求
在有爆炸危险环境中使用的电气设备称之为防爆电器，防爆电器设备是具有防爆外壳的电气设备，当设备外壳内部发生可燃性混合物爆炸时，外壳不被破坏，并且不会使壳外可燃性混合物发生燃烧和爆炸的电气设备。可分为两大类：
Ⅰ类 煤矿井下用电气设备；
Ⅱ类 工厂用电气设备。
矿井中，在正常情况下，除了甲烷外等其他可燃性气体时，电气设备必须根据Ⅰ类和Ⅱ类的相应标准制造。煤矿经常使用的是隔爆型与本质安全型电气设备。Ⅱ类电气设备，按其适用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙或最小点燃电流比分为A、B、C三级，按其最高表面温度分为Tl～6六组。对防爆电气设备的技术要求都要符合相应的国家标准GB3836.2—2010。
2.1 爆炸性电气设备的分类
在爆炸危险场所使用的防爆设备也根据需求划分成类、级或组别，以便与使用的场所相对应，有利于对号选用。划分的方法和场所是相同的，煤矿用设备表示为Ⅰ类；工厂用设备表示为Ⅱ类，Ⅱ类设备中还划分为ⅡA、ⅡB、ⅡC三级与Tl～T6六个组别。
防爆电气设备在粉尘场所使用时，依据电气设备的外壳的防护能力可以分为两个等级如表2-1所示：
表2-1 电器设备防护能力
等级 结构 防护能力 使用区域
DT级 尘密结构型 IP6X， 10区；
DP级 防尘结构型 IP5X， 11区存在有非导电粉尘的地方。
2.2 隔爆型电气设备的主要功能
防止故障状态下或正常工作时的设备可能出现电火花，需将它们放入一个或分放在几个隔爆箱体中。有隔爆性能是隔爆型电气设备的基础功能，并且它还要有一定的结构强度，在各个零部件之间的连接中也需要有一定的结构尺寸。当壳内部的电火花、电弧引爆了从外部环境中进入壳内的爆炸性甲烷等空气的混合物时，应该使外壳不会被爆炸，防止破坏壳体破坏和不会引爆壳外的甲烷等混合物气体。
GB 3836.2-2010对隔爆型电气设备的外壳、间隙、接合面和压力重叠等多个技术参数都做了详细的规定。经过实践论证，按照防爆电气设备的设计制造标准，完全满足生产实际的要求，并能防止电火花引起爆炸事故。
2.3隔爆箱的隔爆原理
把矿用电气设备的带电部件放入特制的隔爆箱的箱体内，该箱体拥有将箱体内部由于少许电气部件发出的火花或电弧并与箱体外部四周的爆炸性气体粉尘等阻隔开来或不足以引燃和引爆的功用，并且能经受起经受箱体的各个接触面或间隙进入壳体内部的爆炸性介质被壳体内部电气设备引起的火花、电弧引起爆时所产生的爆炸压力，以便不使箱体被损坏；并且能同时能阻止箱体内部气体爆炸的生成物向箱体外的爆炸性介质传播。就可以根据上述的原理来设计隔爆型电气设备。大部分都釆用钢板焊接式结构或铸铁来构成隔爆型电气设备的外壳。一般在隔爆型箱体的设计过程中，主要考虑的因素包括强度和刚度。过去，隔爆箱的箱体进行初步的设计时，一般釆用的是经验法和类比法，即依据已经通过的水压试验并获得经过认证的定型产品，在了解已有定型产品所釆用的材料、板厚、法兰形式、外形形式等已知条件下进行比对、依据经验来设计，但设计中的依据并不够充分。
2.4外壳的变形允许值
静压试验时外壳产生塑性和弹性变形，特别是体积较大的外壳在试验时都要产生永久塑性变形。如果在出厂试验时进行静压试验，隔爆接合面的变形将造成隔爆接合面间隙超过允许值，造成外壳不合格。国内企业一般是在半精加工后进行水压试验，然后进行精加工，消除压力试验产生的永久塑性变形。因此隔爆接合面只允许弹性变形，不允许有永久塑性变形，保证精加工后（一次切削）达到粗糙度和平面度要求为准。GB3836.2-2010第16.3条规定：压力试验后，如果外壳无结构损坏或可能影响隔爆性能的永久变形，则认为试验合格。试验后，隔爆接合面如果产生永久性塑性变形或弹性变形超过规定值，将影响隔爆性能；如果其它侧面产生弹性变形或塑性变形，不会影响隔爆性能。因此隔爆接合面（盖板和法兰）是隔爆外壳强度计算的关键。对其它侧面的变形只要不影响外观，允许有一定的塑性变形，否则需要增加壁厚或加强筋，这样充分利用材料的强度，减轻产品的重量，降低成本。
在强度计算时按以下要求作为依据。
（1） 除隔爆接合面外，隔爆外壳侧面的永久塑性变形允许值，初步确定为该面最大尺寸（长或宽的最大值）的2%，该值以后可以调整；
（2） 隔爆外壳隔爆接合面,即箱体法兰和盖板只允许弹性变形，不允许有永久塑性变形。
两者最大挠度之和应该小于许用挠度[f]：
（2.1）
即：盖板许用挠度+箱体法兰的许用挠度≤（隔爆接合面的允许间隙W-平面度公差B）/安全系数s[11]
因此，在本论文中，根据矿用隔爆起动器结构作为例子，在采用经验和类比法的基础上对其进行初步设计，再用UG三维软件对隔爆箱的箱体进行三维模型建造，利用ANSYS软件来对箱体结构进行应力，位移，变形和安全系数来进行分析，并根据分析出的结果对箱体结构来进行优化设计，最后得出既符合强度、刚度又减少材料的使用和环保的具体要求的箱体具体结构尺寸。
2.5 本章小结
本章主要介绍了隔爆起动器设备的概念和分类，爆炸性电器设备的分类、分级与分组，讲述了防爆箱体的类型和防爆原理，对外壳变形的允许值进行了解释，以便为接下来的设计提供思路。
本课题是以某公司的隔爆软起动器的外壳作为研究对象，型号为QJR-400/1140（660）矿用隔爆兼本质安全交流软起动器。对其箱体进行简化和优化，通过弹塑性力学理论对箱体各面板进行计算，根据计算结果，列出两种比较结果，并用UG软件表达出其三维模型。然后利用Workbench软件进行有限元分析，得出隔爆箱体的简化模型和各个关键部件位移和应力云图，便于对改进提供依据
主要的研究工作有以下几个方面：
1）利用弹塑性力学对起动器设备外壳强度刚度的计算。根据煤矿的使用要求和使用规格，该起动器大致可以分为两个部分进行设计，主要为隔爆箱和接线腔体两个部分。两个箱体之间用焊接的方法连接起来，根据实物的外形尺寸来确定简化模型中各个关键部位的零部件尺寸。
（1）对隔爆箱体壁厚的设计。根据弹塑性力学的小扰度理论，求出各个面板的理论尺寸；
（2）在均布载荷作用下，起动器的各关键部件和法兰产生弹性变形，进行最大应力和挠度值计算；
（3）计算连接螺钉的强度和数量。计算出门法兰和接线腔法兰的螺钉受到的总拉力和各规格的螺钉的实际许用拉力，选择出合适的规格和布局；
（4）根据计算出的数值和实物的比较对箱体的板厚拟出两种方案设计，以便于对优化设计提供依据。
2）对起动器外壳进行UG三维建模。建立不同尺寸的起动器简化模型，和关键部件的模型。为Workbench要进行的有限元分析提供准备。在整体建模中对模型进行了简化，只表现出箱体的基本结构。不仅节省了建模时间，还有助于有限元对需要分析的部件进行分析。
3）基于Workbench的有限元分析。本次课题采用的是基于ANSYS的Workbench软件。操作简单给本次课题带来了很大的便利。通过分析可以得出位移和应力云图，并显示出最值和发生未知。其云图形象的表达了部件的变形情况。可以根据这些数据，为优化结构提供有力的依据。
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