隔爆外殼的設(shè)計(jì)

1、防爆電器叢書(shū)隔爆外殼的設(shè)計(jì)劉讓編著二零零七年八月浙江 樂(lè)清隔爆外殼的設(shè)計(jì) 隔爆外殼的設(shè)計(jì) 劉讓編著20 一 概述防爆產(chǎn)品的外殼設(shè)計(jì)，特別是隔爆型外殼的設(shè)計(jì)已有許多方法，本文想從理論基礎(chǔ) 說(shuō)起，盡量避免繁瑣的高等數(shù)學(xué)的計(jì)算，并簡(jiǎn)化計(jì)算以達(dá)到實(shí)用性強(qiáng)、易掌握的目的。 使防爆產(chǎn)品的質(zhì)量有更大的提高。本文主要針對(duì)從事防爆產(chǎn)品設(shè)計(jì)和防爆外殼工藝的技術(shù)人員，并具有中專學(xué)歷以上 的人員學(xué)習(xí)，隔爆外殼的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：1.隔爆參數(shù)的設(shè)計(jì)；2.外殼強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。 外殼的隔爆參數(shù)主要是指隔爆結(jié)合面的形式、隔爆面間隙和結(jié)合面的寬度以及結(jié)合面的粗糙度等，這些參照 GB3836 的有關(guān)內(nèi)容正確選擇就可以。近年來(lái)，

2、隨著技術(shù)的發(fā) 展，方殼和快開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)使用越來(lái)越多，外殼主腔使用螺釘緊固逐漸減少(但在廠用防爆 產(chǎn)品中仍用的較多)，礦用產(chǎn)品螺釘緊固方式大多用于接線箱和一些小產(chǎn)品中，因此新 的結(jié)合面緊固方式也是外殼設(shè)計(jì)的主要部分。外殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，是如何用最少的材料設(shè)計(jì)出強(qiáng)度足夠的隔爆外殼，這也是許多專 家研究的課題，至今尚未見(jiàn)到一種成熟而又精確的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)中采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多， 有的通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，浪費(fèi)材料和裕度過(guò)大是常見(jiàn)的。二 外殼設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)1 虎克定律 公式 L = PLEA桿受拉力縱向伸長(zhǎng) L=L1L(圖 1)單位長(zhǎng)度桿的縱向伸長(zhǎng)(線應(yīng)變)：= ÄL LP軸向力A 桿的橫截面E 彈性模量MP

3、aEA 桿的抗拉(壓)剛度這樣虎克定律的另一表達(dá)式= s= P桿中的正應(yīng)力(拉為正，壓為負(fù))EA2 低碳鋼試件的拉伸圖（1）標(biāo)準(zhǔn)試樣(圖 2) L工作段在這一長(zhǎng)度內(nèi)任何橫截面上的應(yīng)力均相同L=10d或 L=5dL=11.3.A或 L=5.65A（2）低碳鋼試樣的拉伸圖 (圖 3) 彈性階段 L = PL 。EA 屈服階段試件長(zhǎng)度急劇變化，但負(fù)載變動(dòng)小。 強(qiáng)化階段要繼續(xù)伸長(zhǎng)，所需要克服試件中不斷增長(zhǎng)的抗力，材料在塑性變形中不斷發(fā)生強(qiáng)化所致，這階段塑性變形。 局部變形階段試件伸長(zhǎng)到一定程度后，負(fù)載讀數(shù)反而逐漸降低，出現(xiàn)”頸縮”現(xiàn)象， 橫截面急劇減小，負(fù)載讀數(shù)降低，一直到試件拉斷。（3）卸載規(guī)律 在

4、強(qiáng)化階段如果終止加載，在終止加載過(guò)程中，負(fù)載與伸長(zhǎng)量之間遵循直線關(guān)系，此直線 bc 和彈性階段內(nèi)的直線 oa 近似平行，這過(guò)程為卸載，并將卸載時(shí)負(fù)載與試件的 伸長(zhǎng)量之間遵循的直線關(guān)系的規(guī)律稱為材料的卸載規(guī)律。(圖 4)由此可見(jiàn)，在強(qiáng)化階段中，試件的變形實(shí)際上包括了彈性變形Le 和塑性變形Ls兩部分，在卸載過(guò)程中，彈性變形逐漸消失，只留下塑性變形。 若重新加載，仍從 c 點(diǎn)開(kāi)始，一直到 b 點(diǎn)，然后沿原來(lái)的曲線。若對(duì)試件預(yù)先施加軸向拉力，使之達(dá)到強(qiáng)化階段，然后卸載，則再加負(fù)載時(shí)，試件 在彈性范圍內(nèi)所能承受的最大負(fù)載將增大，這稱為材料的冷作硬化現(xiàn)象，這可用來(lái)提高 材料在彈性范圍內(nèi)所能承受的最大負(fù)載

5、。（4）應(yīng)力應(yīng)變曲線或曲線 (圖 5)比例極限：A 點(diǎn)以下，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，符合虎克定律p彈性極限：彈性階段最高點(diǎn) B，是卸載后不發(fā)生塑性變形的極限ep 與e 數(shù)值相差不多，可統(tǒng)稱彈性極限。 屈服極限：屈服階段有幅度不大的波動(dòng)，最高點(diǎn) C 應(yīng)力為屈服高限，D 點(diǎn)為屈服低限。 從試驗(yàn)結(jié)果可知，屈服低限較為穩(wěn)定，故稱為屈服極限 s強(qiáng)度極限：強(qiáng)化階段的 G 點(diǎn)為最高點(diǎn)，此點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到最大值，稱為強(qiáng)度極限 b對(duì)低碳鋼來(lái)講，極限應(yīng)力：s，b 是衡量材料強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)。延伸率：d = L - L1×100%L(L10d 時(shí))L1 拉斷后的桿長(zhǎng)；L 原長(zhǎng)材料名稱牌號(hào)EGPasMPabMPa5%

6、(L5d 時(shí))低碳鋼Q235200-21024040025-27中碳鋼4520936061016低合金鋼16Mn200290-350480-52019-21泊桑比橫向線應(yīng)變/，在應(yīng)力不超過(guò)比例極限p時(shí)，它與縱向線應(yīng)變的絕對(duì)值之比為一常數(shù)。' e e3 術(shù)語(yǔ)和公式(1) 撓度：軸線上的點(diǎn)在垂直于 X 軸方向的線位移稱為該點(diǎn)的撓度。橫截面繞其中性 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度稱為該截面的轉(zhuǎn)角。(圖 6)(2) 梁(把鋼板當(dāng)成兩端被固定支撐的梁)在彎曲時(shí)，在橫截面上既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力， 在中性軸為對(duì)稱軸時(shí)，拉壓應(yīng)力在數(shù)值上相等。M(3) 彎應(yīng)力：maxWZ1對(duì)圓形截面 抗彎矩WZ321對(duì)矩形截面 抗彎矩W

7、Z6三 經(jīng)驗(yàn)公式d3bh2(圖 7)外殼的強(qiáng)度問(wèn)題，歸根結(jié)底是外殼壁厚的計(jì)算，按照 GB3836 的有關(guān)規(guī)定，爆炸壓力若以靜壓力考慮，對(duì)類A 和B 產(chǎn)品的外殼為1MPa ；C 為 1.5MPa。 受內(nèi)壓操作的筒體外殼壁厚的計(jì)算：d =PDe+ C230f s - P式中：筒壁厚mmP： 容器工作壓力MPaDe：容器內(nèi)徑mm： 焊縫強(qiáng)度系數(shù)De400-500mm 采用人工單面焊接取0.7De600mm采用人工雙面焊接取0.95：許用拉伸應(yīng)力 b/n b材料的強(qiáng)度極限b380-400 MPa(Q235) n：安全系數(shù)取 3.5C：為彌補(bǔ)鋼板負(fù)公差所增加的厚度鋼板厚度在 20mm 以下取 C1；厚于

8、 20mm 取 C0這一公式是大容器的經(jīng)驗(yàn)公式，在防爆電器中壁厚大于 20mm 的很少，所以系數(shù) C要酌情考慮。四 大型矩形外殼的計(jì)算基礎(chǔ)1 考慮材料塑性時(shí)梁的極限彎矩 一般的計(jì)算考慮材料是在彈性范圍內(nèi)工作，我們需要要進(jìn)一步研究材料在受到彎曲時(shí)的最大正應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限以后的彎曲問(wèn)題。純彎曲時(shí)，梁的容許彎矩WW×*由以下分析可知，對(duì)于塑性材料制成的梁，以此W為梁的容許彎矩在強(qiáng)度方面尚未發(fā) 揮材料的潛力。把低碳鋼的曲線簡(jiǎn)化(1) 當(dāng)應(yīng)力不超過(guò)S時(shí)，材料符合虎克定律；(2) 拉伸、壓縮時(shí)的彈性模量相等，S也相等；(圖 8) (3) 應(yīng)力達(dá)到S后，應(yīng)變?cè)诖藨?yīng)力下增加，當(dāng)外 力大到一定時(shí)，

9、距中性軸最遠(yuǎn)的應(yīng)力為maxS 此時(shí)MSS×W，這即(*)式所允許的最大彎矩， 此時(shí)，材料并無(wú)塑性變形。(圖 9) 當(dāng)外力繼續(xù)增加，橫截面上的正應(yīng)力將按S值 逐漸向中性軸發(fā)展，最后，全部達(dá)到S，此時(shí)的彎矩，就是考慮材料塑性時(shí)的極限彎矩 Mjx，(圖 10) 此時(shí)橫截面上各點(diǎn)均發(fā)生塑性變形，在不增加外 力的情況下，整個(gè)梁將繼續(xù)變形，前已說(shuō)，由于 卸載規(guī)律，材料發(fā)生強(qiáng)化作用，實(shí)際的Mjx比理想值 要大。具體分析一下Mjx的變化。 按靜力平衡條件，整個(gè)橫截面上的法向內(nèi)所有元素所組成的合力 N0 (圖 11)òA1SòAaSN dA(- )dA0得 A1AaA1：受拉面積A

10、a：受壓面積N0 也是確定中性軸位置的條件，在此條件下，法向內(nèi)力元素所組成的力偶矩就是梁的極限彎矩MjxòA1SòAaSMjxy dA(-y)(- )daòA1òAaSydAy dAS(S1Sa)對(duì)于具有水平對(duì)稱軸的橫截面S1SaS；S1Sa2SS 為半個(gè)橫截面的面積對(duì)中性軸的面積矩MjxSWSWS2S WS為塑性抗彎截面模量 (cm3) 對(duì)于矩形截面 (圖 12)2S A × h b× h × h bh24248WS2Sbh24將MjxSWS與 MSW 相比較得：M jx WSMW對(duì)不同的截面形狀Mjx/M的比值不同，但都

11、大于 1，所以，在考慮材料塑性時(shí)梁的容許彎矩Mjx也就相應(yīng)地會(huì)比M有所增大。見(jiàn)下表：幾點(diǎn)說(shuō)明：1 初繞度實(shí)際上是利用材料的卸載規(guī)律，提高材料的強(qiáng)度；(圖 13a)2 板材焊筋是提高零件的抗彎矩；(圖 13b)3 板材上壓筋是綜合 1,2 的效應(yīng)，即既利用卸載規(guī)律又提高抗彎矩。(圖 13c)4 對(duì)薄板而言，板材是繞著 X,Y 軸彎曲的，因而板材的變形是 X,Y 兩方向的綜合。(圖14a、14b、14c)四 矩形薄板大撓度近似計(jì)算方法 近似計(jì)算的兩個(gè)要點(diǎn)：1 掌握并集中考慮矩形薄板的最大應(yīng)力部位(1) 對(duì)側(cè)壓均布的薄板的最大應(yīng)力部位與最大形變部位是相對(duì)應(yīng)的；(2) 最大變形如邊界是剛性的，是在垂直

12、于長(zhǎng)邊的中點(diǎn)方向；(3) 最大應(yīng)力點(diǎn)在矩形板的中心，向長(zhǎng)邊垂直方向。(圖 15)2 把變形的彈性面理想化為圓弧組成。近似計(jì)算的幾何關(guān)系(形變和位移關(guān)系)，把矩形板的最大變形線看成一個(gè)長(zhǎng)板條。(圖 16)AB矩形的短邊 a下面受壓，板條上彎，形成 pAB ，曲率半徑為 r X， pAB 中心點(diǎn)在O，AB與 pAB 將有一 最大撓度f(wàn)，q X以度計(jì)。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)板條按 X 軸向的應(yīng)變：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同樣，沿 Y 軸向(即沿長(zhǎng)邊方向)的應(yīng)變sin -1 1nye yny57.29571(5)這就是簡(jiǎn)化的幾何方程。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)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(鋼)(4)、(5)、(6) 可以畫(huà)出以nx、s x為坐標(biāo)的曲線但是公式中(6)每一組都有s x、s y，不能單獨(dú)與(4)、(5)代入求解，但是s x與s y有一定的關(guān)系。長(zhǎng)邊比短邊的比例值大時(shí)，可以認(rèn)為s y

14、017)長(zhǎng)邊接近短邊時(shí)(或相等時(shí))，s ys x1這樣可以作出兩條曲線，中間再作出一條s y2s x 的曲線，作為內(nèi)插參考。(圖對(duì)于受力條件及邊界條件，采用無(wú)矩理論的大撓度理論：ssPX y (7)r Xr yh式中s y，s x為任意一點(diǎn)在x，y 方向的拉應(yīng)力(薄膜應(yīng)力)；r x, r y為這點(diǎn)曲面在x，y方向的曲率半徑；P為板面所受的均布載荷，h為板厚(單位須與 r x, r y一致)。(7) 是靜力學(xué)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 關(guān)系簡(jiǎn)化成一元方程。矩形薄板在側(cè)壓下變形與它的長(zhǎng)短邊 a,b 有以下關(guān)系：撓度f(wàn) »a28r

15、Xb2»8r y22r X ar yb(8)從前圖知pAB2 r X q X(這里q X以弧度計(jì))又q xsin -1a2r X333根據(jù)sin x x 1 × x 1 × 3 × x 取前兩項(xiàng)23245可將 x 向的應(yīng)變值為：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)作為特例，當(dāng) ab ，此時(shí)s xs y上式

16、變?yōu)閤s Prx P2h4hnxa(11)當(dāng) ba 時(shí)xs Prx Ph2hnxa(12)這和通常材料力學(xué)求球面應(yīng)力公式相當(dāng)。公式(10) 、(11)、 (12) 都是與nX有關(guān)的應(yīng)力s x的直線方程，它通過(guò)原點(diǎn)，只要求 出任意一點(diǎn)，就可畫(huà)出，如畫(huà)在前面代表的幾何物理方程的曲線上，可以與相應(yīng)的曲線相交，交點(diǎn)就是幾何物理方程與靜力學(xué)方程的共同解。具體作法：(1)已知 a,b,h及側(cè)壓力P，用公式(10) 、(11)、 (12)算出方程直線上一個(gè)點(diǎn)，建 議取nX10，p1(10, s X)(2)畫(huà)出 0p1 與相應(yīng)曲線相交，當(dāng)s Xs y0 時(shí)，可用內(nèi)插法；(3)求解點(diǎn)上引垂線交于 f 曲線，可得

17、 f 值；(4)強(qiáng)度條件：s X240 MPa (材料屈服點(diǎn))又： f »a28rxa28( 1 n a)2 xa24nxf 1可作出f與n的曲線 (圖 18)Xa4nx以上為驗(yàn)算過(guò)程如已知 a，b，P，s X240 MPa求 h(1)由s X240 作水平線與相應(yīng)的曲線相交，求出nX(2)按公式(10) 、(11)、 (12)求出 h五 討論 用近似計(jì)算法處理大型矩形外殼有很大裕度及可靠性。1 變形上的裕度：采用大撓度理論，主要是利用了大撓度變形時(shí)材料產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力平 衡了壓力，撓度加大，受力情況更好，如果計(jì)算值低，結(jié)果使撓度比預(yù)期值大，就不會(huì) 產(chǎn)生惡性循環(huán)。2 材料性能上的裕度：

18、材料一般為熱軋成型的，其屈服點(diǎn)一般總在 240 MPa 2 以上，極 限應(yīng)力在 4000 MPa以上，延伸率在 2527%，以此計(jì)算在屈服點(diǎn)的延伸率約為 0.114%， 可見(jiàn)，如果鋼板強(qiáng)度選用在彈塑性邊緣，即 240 MPa以下，距離到破壞應(yīng)力裕度是很大的。3 外殼在出廠時(shí)的水壓試驗(yàn)是穩(wěn)定的內(nèi)部壓力，使用中如產(chǎn)生爆炸都為瞬態(tài)的爆炸壓 力，在這種負(fù)載下，板材的屈服極限還會(huì)提高，最高可達(dá)一倍，即在穩(wěn)態(tài)壓力下屈服點(diǎn)為 240 MPa，在瞬態(tài)爆炸壓力下可達(dá)到 280 MPa，這是可以理解的，因瞬態(tài)爆炸壓力一到峰值就衰減了。六 具有初撓度薄板的計(jì)算 (圖 19)/qACB 為初撓度，加壓后變?yōu)?qAC / B有初撓度2rx/2r xnx =anx =an / sin -1 1xn /得e x= x (13)xn sin -1 1n x/將(13)和(6)結(jié)合，在x和y三種關(guān)系下，作出三套曲線，即在不同的 rx (即 nx 值)作為起點(diǎn)，用(13)和(6)計(jì)算在 rx 減小時(shí)x，這樣可用(8)、(9)、(1