防爆电器之开关壳体强度设计

防爆电器之开关壳体强度设计

防爆电器之开关的防爆特性，主要是由壳体的特殊设计来实现的，开展对防爆电器之开关壳体设计理论的研究，对防爆电器之开关的发展十分必要，本文对防爆电器之开关壳体的强度设计作一探讨。

1 引言

防爆电器之开关的工作环境，例如用于煤矿的防爆电器之开关是工作在含有大量甲烷的空气混合气体中，当甲烷含量达到5%-16%时遇700的火源将发生爆炸，当甲烷含量在9.5%时爆炸力最大达7.4大气压，因此壳体设计就以技术条件所要求的8kg内压为依据，分析壳体受力情况和强度。/cm3℃

2 壳体设计理论依据

在压力容器设计中，容器在工作失效时所表现的强度性能、刚度性能、稳定性能的三种形式中，最重要的是强度问题，即在一定的压力下容器不会发生破裂或过量的塑性变形。

常用防爆壳体外径为600mm左右，壁厚为36mm，在工业设计计算压力容器中属于薄壁容器。

2.1 容器在内压下的受力分析

如图1中所示:σ_m—轴向应力;σ_Q—切向应力;σ_r—径向应力。

因为在薄壁容器中σ_r相对于σ_m、σ_Q较小，故可忽略。

轴向应力（σ_m）计算：π（Dn+Dw）/2×tσ_rm=(πD²_m)/4×P

式中Dn—容器内径;Dw—容器外径;P—容器所承受的内压力;t—容器壁厚。因为薄壁容器中Dn、Dw相差不大，可用平均值D代替，所以上式简化为

πDtσ_m=(πD²)/4×P得σ_m=PD/4t             (1)

切向应力(σ_Q)计算：

如图1中所示：PsinQdQ·D/2·L=σ_Q2Lt

σ_Q=(PDL·4σ_QL)∫^π₀sinQdQ

得：σ_Q=PD/2t                             (2)

2.2 #p#分页标题#e#强度计算

强度理论又称为“失效准则”或“失效判据”。

由式 ( 2) 再考虑焊缝减弱及附加量等因素，可

得:

圆柱壳体   t≥(PDm/2[σ]φ－p)+C          (3)

椭球封头   t≥(PDm/2[σ]φ－p)·K+C       (4)

式中:P—设计压力，kg/cm²;[σ]—材料在设计温度下的许用应力;φ—焊缝系数或应力折减系数（＜1）;C—壁厚附加量cm;K—椭球封头形状系数，见图(2)

K=1/6[2+(D_m/2h_m)²]

2.3 安全系数与许用应力的确定

2.3.1安全系数

对于炭钢:材料断裂安全系数nb=3.0 ;材料屈服极限的安全系数nb=1. 65

2.3.2许用应力的确定:

基本许用应力: [σ]_g=σ_b/n_b、或[σ]_g=σ_b/n_b

设计许用应力: [σ]=Y[σ]g，其中y为毛坯质量系数，钢板的毛坯质量系数为1。

2.4 强度设计中的相关问题

2.4. 1最高工作压力与设计压力。设计压力应为最高工作压力的1.1-1.25倍。作为防爆电器之开关外壳，防爆规程规定设计压力为1.5倍工作压力。

2.4.2焊缝系数。焊缝系数φ是考虑焊接对容器强度的削弱，用以降低设计许用应力的一个系数，φ的

大小取决于焊缝坡口形式，焊接方法，焊接工艺及焊

接检验探伤严格性，对于双面焊的对接焊缝，又经水

压试验φ=O.8。

2.4.3壁厚附加量。壁厚附加量C=C₁+C₂+C₃

C₁为钢板的负公差，依据板厚、取值在#p#分页标题#e#0.2-0.5mm;C₂为加工中的工艺减薄量，因为防焊壳体

为冷卷，冷校，故C_l=O;C₃为腐蚀裕量，因为壳体不装腐蚀物体，故C₃=0。

3 防爆电器之开关壳体设计归纳

如前所述，薄壁容器的壁厚可由(3).(4)式得出:

因为一般壳体封头中Dn/2hn接近于2,K 接近1，所以(3),(4)式可归纳为一式

t≥[PDn/(2[σ]φ－P)]+C

根据防爆壳体的基本特点(φ=0.8—0.9,C可取0.2—0.5mm，这样得:

t≥[PDn/(1．6[σ]－P)]+0．4

又对A3钢板[σ]可取1450kg对矿用防爆电器之开关P=1.5×爆炸力，即P=12kg/cm²./cm²;

则t≥(12Dn/2308)+0．4=(Dn/192)+0．4          (5)

因此可将(5)式做为设计防爆壳体壁厚的参考公式，该式已在多项设计中得到了验证。