矿用隔爆型圆筒形外壳的有限元法设计.doc

　初步设计的产品运用三维建模之后，再利用有限元分析，对外壳进行改进，使产品最后成型。设计出来的产品通过外壳耐压试验和隔爆试验，以及最后用于实际生产中，都验证其完全满足强度等要求，取得了很好的效果。 　　本文探讨研究了矿用隔爆型圆筒形外壳的有限元法设计相关内容。 　　0引言 　　矿用隔爆型电气设备用于煤矿井下，其隔爆性能是通过隔爆外壳来实现的。隔爆外壳要承受1MPa试验压力，因此。必须具有足够的强度和刚性.就使得科学合理的设计该类外壳在煤矿的安全生产中是至关重要的。 　　隔爆外壳必须具备如下基本特性： 　　(1)隔爆性，即壳内发生爆炸时，隔爆外壳应能有效地阻止内部的爆炸压力向外壳周围爆炸性混合物传播; 　　(2)热传导性，即应保证正常运行和壳内发生爆炸时，外壳的表面温度低于周围介质的引燃温度; 　　(3)耐爆性，要求外壳有足够的强度和刚度来承受内腔的爆炸压力，而不发生明显的变形或破裂。 　　以往大多采用经验或类比法进行设计，不能准确计算出各部分的受力情况，在设计时为安全起见，往往加大安全系数。这使得壳体结构笨重.并且具有很大的盲目性，浪费材料，增加了生产成本。 　　圆筒形隔爆外壳较方形结构具有受力均匀、结构简单、壳体内结构紧凑等优点，现今小型隔爆型电气设备大多采用这种圆筒形结构。 　　本文利用弹塑性力学理论对外壳进行初步设计，得出外壳的壳体壁厚、法兰厚度等初始参数。再利用Solidworks软件进行三维建模，然后在COSMOSworks软件中进行有限元分析，根据分析结果对壳体进行改进，收到了满意的效果。 　　1圆筒形隔爆外壳的强度、刚度设计 　　根据爆炸性气体环境用电气设备国家标准(GB 3836.2-2000)，含有瓦斯的爆炸性气体混合物爆炸时的最大压力，一般在0.8 MPa左右。爆炸外壳失效主要是强度不足和刚度不足造成的。 　　1.1强度设计 　　圆筒形隔爆外壳由圆筒形壳壁、壳底、法兰和壳盖组成。如图1所示。 　　1.1.1圆筒形壳壁的强度设计 　　隔爆外壳的圆筒形壁厚一般取t=3~6 mm，内径D1=200~700 mm，工业中薄壁容器规定t/D=0.05，因此，圆筒形壳壁属薄壁容器范畴。根据弹性力学薄壁圆筒理论可知， 　　在薄壁圆筒结构中。在相对于P1、P2的第三个方向上作用于内壁的内压力q和外壁上的大气压力都远小于P1、P2(可以认为是零)。主应力为p1、P2、P3，且PIp2p3，根据第四强度理论的强度条件，有 　　把平均直径代入式D=Da+t(3)得薄壁圆筒的壁厚理论值 　　考虑到外壳在实际加工过程中焊缝对强度的削弱，钢板负公差、圆筒在卷圆过程中工艺减薄量和腐蚀等因素对强度的影响，薄壁圆壳的实际壁厚为 　　1.1.2壳底和壳盖的强度设计 　　球形壳底在圆筒形防爆外壳上应用较广.它由球冠冲压钢板成型，而后与简体焊接。所受的力如图1所示。据薄壁球壳理论可知，球壳的径向应力和切向应力为 　　同理，考虑加工过程中诸因素对壳底强度的影响。另外，由于壳底和法兰两者厚度相差较大，如果其连接断面发生阶梯性突变，将产生应力集中。也将影响壳底的强度，所以，球形端盖(壳底)的实际壁厚为 　　1.2圆筒形隔爆外壳的法兰刚度设计 　　薄壁圆筒法兰和壳底法兰之间形成隔爆焊接结合面，当圆筒壳内的可燃性气体爆炸时，产生高温、高压气体，可能通过隔爆结合面泄出。因此，薄壁圆筒和壳底的法兰一样承受爆炸压力q。但是，由于法兰比较狭窄，GB 3836.-2000中对隔爆接合面间隙有严格的数值要求，法兰必须有足够的刚性.不能产生较大的弹性变形和永久变形。另外，由于卡紧的需要，对法兰还有止口或者螺孔深度等工艺上的要求。因此，法兰厚度比壳壁厚得多，故其强度没有必要进行校核，但其刚度必须核算。 　　由图1.法兰内圆周和筒体(或壳底)焊接，外圆周是自由状态，因此，可将法兰简化为内圆周固定、外圆周自由、受均布压力的圆环，如图2所示。由弹性力学理论可知，当r=a，自由边挠度最大。即 　　设计法兰时，除了考虑法兰厚度附加量C外，还需考虑实际使用过程中法兰隔爆面会遭受一定的机械损伤，如划痕和凹坑等，需进行修复后才能使用。因此，设计时法兰厚度还要留一定的维修余量，故法兰的实际厚度为 　　2 QBZM--80/660N启动器设计; 　　下面以QBZM一80/660N矿用隔爆型真空可逆电磁启动器外壳为例说明设计过程与步骤。该启动器用于含有甲烷爆炸气体以及煤尘的矿井中。外形为圆筒形，分为控制腔(大腔)和接线腔(小腔)两部分，小腔体积比大腔小得多，两者设计时可采用相同的壁厚，大腔的强度、刚度可满足条件时，小腔也可以。 　　3壳体三维模型建立及有限元分析 　　3.1壳体三维模型的建立及简化 　　矿用隔爆型真空电磁启动器大多采用圆筒形隔爆外壳。外壳的控制腔为圆筒形，接线腔为长方体，置于主