隔爆外殼的設(shè)計(供參考)

1、 防爆電器叢書防爆電器叢書 隔爆外殼的隔爆外殼的隔爆外殼的設(shè)計設(shè)計設(shè)計劉讓劉讓 編著 二零零七年八月 浙江 樂清 隔爆外殼的設(shè)計1隔爆外殼的設(shè)計隔爆外殼的設(shè)計劉劉 讓讓 編著編著一一 概述防爆產(chǎn)品的外殼設(shè)計，特別是隔爆型外殼的設(shè)計已有許多方法，本文想從理論基礎(chǔ)說起，盡量避免繁瑣的高等數(shù)學(xué)的計算，并簡化計算以達(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。本文主要針對從事防爆產(chǎn)品設(shè)計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)計包括兩個方面的內(nèi)容：1.隔爆參數(shù)的設(shè)計；2.外殼強(qiáng)度的設(shè)計。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

2、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，隨著技術(shù)的發(fā)展，方殼和快開門結(jié)構(gòu)使用越來越多，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)計的主要部分。外殼的強(qiáng)度設(shè)計，是如何用最少的材料設(shè)計出強(qiáng)度足夠的隔爆外殼，這也是許多專家研究的課題，至今尚未見到一種成熟而又精確的計算方法，設(shè)計中采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，有的通過試驗(yàn)來驗(yàn)證，浪費(fèi)材料和裕度過大是常見的。二 外殼設(shè)計的理論基礎(chǔ)1 虎克定律公式 PLLEA桿受拉力縱向伸長 L=L1L (圖 1) 隔爆外殼的設(shè)計2單位長度桿的縱向伸長(

3、線應(yīng)變)： =LLP 軸向力A 桿的橫截面E 彈性模量 MPaEA 桿的抗拉(壓)剛度這樣虎克定律的另一表達(dá)式 = = 桿中的正應(yīng)力(拉為正，壓為負(fù))EPA2 低碳鋼試件的拉伸圖（1）標(biāo)準(zhǔn)試樣(圖 2) L 工作段 在這一長度內(nèi)任何橫截面上的應(yīng)力均相同L=10d 或 L=5dL=11.3. 或 L=5.65AA（2）低碳鋼試樣的拉伸圖 (圖 3) 隔爆外殼的設(shè)計3 彈性階段 。PLLEA 屈服階段 試件長度急劇變化，但負(fù)載變動小。 強(qiáng)化階段 要繼續(xù)伸長，所需要克服試件中不斷增長的抗力，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 試件伸長到一定程度后，負(fù)載讀數(shù)反而逐漸降低，

4、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 在強(qiáng)化階段如果終止加載，在終止加載過程中，負(fù)載與伸長量之間遵循直線關(guān)系，此直線 bc 和彈性階段內(nèi)的直線 oa 近似平行，這過程為卸載，并將卸載時負(fù)載與試件的伸長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，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)開始，一直到 b 點(diǎn)，然后沿原來的曲線。 隔爆外殼的設(shè)計4 若對試件預(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，試件在彈性范圍

5、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，這可用來提高材料在彈性范圍內(nèi)所能承受的最大負(fù)載。（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，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對低碳鋼來講，極限應(yīng)力：s，b 是衡量材料強(qiáng)度的兩個重要指標(biāo)。延伸率： (L10d 時)

6、1100%LLL L1 拉斷后的桿長； L 原長 隔爆外殼的設(shè)計5材料名稱牌號EGPasMPabMPa5%(L5d 時)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)力不超過比例極限 p時，它與縱向線應(yīng)變的絕對值之比為一常數(shù)。 3 術(shù)語和公式(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，在橫截面上既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力，在中性軸為對稱軸時，拉

7、壓應(yīng)力在數(shù)值上相等。(3) 彎應(yīng)力： maxZMW對圓形截面 抗彎矩 WZ d3132對矩形截面 抗彎矩 WZ bh2 (圖 7)16三 經(jīng)驗(yàn)公式 外殼的強(qiáng)度問題，歸根結(jié)底是外殼壁厚的計算， 隔爆外殼的設(shè)計6按照 GB3836 的有關(guān)規(guī)定，爆炸壓力若以靜壓力考慮，對類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算： 230ePDCP 式中： ：筒壁厚 mm P： 容器工作壓力 MPa De：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 0.7 De600mm 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)

8、度極限 b380-400 MPa (Q235) n：安全系數(shù)取 3.5 C：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 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 大型矩形外殼的計算基礎(chǔ) 1 考慮材料塑性時梁的極限彎矩 一般的計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的最大正應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限以后的彎曲問題。 隔爆外殼的設(shè)計7 純彎曲時，梁的容許彎矩 WW *由以下分析可知，對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 曲線簡化(

9、1) 當(dāng)應(yīng)力不超過 S時，材料符合虎克定律；(2) 拉伸、壓縮時的彈性模量相等，S也相等；(圖 8)(3) 應(yīng)力達(dá)到 S后，應(yīng)變在此應(yīng)力下增加，當(dāng)外力大到一定時，距中性軸最遠(yuǎn)的應(yīng)力為 maxS此時 MSSW，這即(*)式所允許的最大彎矩，此時，材料并無塑性變形。(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，此時的彎矩，就是考慮材料塑性時的極限彎矩 Mjx，(圖 10)此時橫截面上各點(diǎn)均發(fā)生塑性變形，在不增加外力的情況下，整個梁將繼續(xù)變形，前已說，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

10、，整個橫截面上的法向內(nèi)所有元素所組成的合力 N0 (圖 11) NSdA (-S)dA01AAa 得 A1Aa A1：受拉面積 Aa：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 隔爆外殼的設(shè)計8就是梁的極限彎矩 MjxMjxySdA (-y)(-S)da 1AAa SydAy dA 1AAa S(S1Sa) 對于具有水平對稱軸的橫截面 S1SaS；S1Sa2S S 為半個橫截面的面積對中性軸的面積矩 MjxSWS WS2S WS 為塑性抗彎截面模量 (cm3) 對于矩形截面 (圖 12) Sb 2A4h2h4h28bh WS2S24bh 將 MjxSWS

11、與 MSW 相比較得： jxMMSWW 對不同的截面形狀 Mjx/M 的比值不同，但都大于 1，所以，在考慮材料塑性時梁的容許彎矩Mjx也就相應(yīng)地會比M有所增大。見下表： 隔爆外殼的設(shè)計9幾點(diǎn)說明： 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。 隔爆外殼的設(shè)計10(圖 14a、14b、14c) 四 矩形薄板大撓度近似計算方法 近似計算的兩個要點(diǎn)： 1 掌

12、握并集中考慮矩形薄板的最大應(yīng)力部位 (1) 對側(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應(yīng)的； (2) 最大變形如邊界是剛性的，是在垂直于長邊的中點(diǎn)方向； (3) 最大應(yīng)力點(diǎn)在矩形板的中心，向長邊垂直方向。(圖 15) 2 把變形的彈性面理想化為圓弧組成。 隔爆外殼的設(shè)計11 近似計算的幾何關(guān)系幾何關(guān)系(形變和位移關(guān)系)，把矩形板的最大變形線看成一個長板條。(圖 16) AB矩形的短邊 a 下面受壓，板條上彎，形成，曲率半徑為X，中心點(diǎn)在 O，AB 與將有ABABAB一最大撓度 f，X以度計。 (1)2AB2360XX 令 nx 或X 代入(1) 2Xa2Xna (2)2AB2360XX

13、n2a57.2957XXn2a 隔爆外殼的設(shè)計12板條按 X 軸向的應(yīng)變：x1 (3)222ABaa57.2957XXn x1sin2Xa1sin1Xn xnX1 (4)11sin57.2957Xn同樣，沿 Y 軸向(即沿長邊方向)的應(yīng)變 yny1 (5)11sin57.2957yn這就是簡化的幾何方程。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，即物理方程物理方程 x (xy)1E y (yX) (6)1E式中 E206GPa 0.3 (鋼)(4)、(5)、(6) 可以畫出以 nx、x為坐標(biāo)的曲線但是公式中(6)每一組都有x、y，不能單獨(dú)與(4)、(5)代入求解，但是x與y有一定的關(guān)系。長邊比短邊的比例值大時，可以認(rèn)

14、為y0長邊接近短邊時(或相等時)，yx這樣可以作出兩條曲線，中間再作出一條yx 的曲線，作為內(nèi)插參考。(圖1217) 隔爆外殼的設(shè)計13 對于受力條件及邊界條件，采用無矩理論的大撓度理論： (7)XXyyPh式中y，x 為任意一點(diǎn)在 x，y 方向的拉應(yīng)力(薄膜應(yīng)力)； x, 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x, y一致)。(7) 是靜力學(xué)公式，是y，X的二元一次方程，要找到x ，x和y，y的近似關(guān)系簡化成一元方程。矩形薄板在側(cè)壓下變形與它的長短邊 a,b 有以下關(guān)系：撓度 f28Xa28yb (8)Xy22ab從前圖知 XX (這里X以

15、弧度計)2AB 隔爆外殼的設(shè)計14又 x1sin2Xa根據(jù) x 取前兩項(xiàng)sin x1233x123435x可將 x 向的應(yīng)變值為： x12xxa 3248xa同理 y3248yb因此 (9)xyxy3232xyab33ab44baba把公式(7),(8)代入(9)得 x (10)33(1)xPahb332(1)xPn aahb作為特例，當(dāng) ab ，此時xy 上式變?yōu)?x nxa (11)2xPh4Ph當(dāng) ba 時 x nxa (12)xPh2Ph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x的直線方程，它通過原點(diǎn)，只要求出任意一點(diǎn)，就可畫出，

16、如畫在前面代表的幾何物理方程的曲線上，可以與相應(yīng)的 隔爆外殼的設(shè)計15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點(diǎn)，建議取 nX10，p1(10, X)(2)畫出 0p1 與相應(yīng)曲線相交，當(dāng)Xy0 時，可用內(nèi)插法；(3)求解點(diǎn)上引垂線交于 f 曲線，可得 f 值；(4)強(qiáng)度條件：X240 MPa (材料屈服點(diǎn)) 又： f28xa218()2xan a24xan 可作出 f 與 nX的曲線 (圖 18)fa14xn以上為驗(yàn)算過程 隔爆外殼的設(shè)計16 如已知 a，b，P，X240 MP

17、a 求 h(1)由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，如果計算值低，結(jié)果使撓度比預(yù)期值大，就不會產(chǎn)生惡性循環(huán)。2 材料性能上的裕度：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%，以此計算在屈服點(diǎn)的延伸率約為0.114%，可見，如果鋼板強(qiáng)度選用在彈塑性邊緣，即 240 MPa 以下，距離到破

18、壞應(yīng)力裕度是很大的。3 外殼在出廠時的水壓試驗(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算 (圖 19) 為初撓度，加壓后變?yōu)?ACB/AC B 2xxna/2xxna 得 (13)/1/11sin1sinxxxxxnnnn 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(即x有初撓度 隔爆外殼的設(shè)計17值)作為起點(diǎn)，用(13)和(6)計算在減小時 x，這樣可用(8)、(9)、(12)在10 時，/xnxxn得出直線，并延長，使之所標(biāo)的初撓度那條曲線相交，即得解。 方程(13)中的已知，即有初撓度的外殼其和是已知的。xnx2a 初撓度可以是圓筒形外殼，也可是矩形外殼(即薄板壓出鼓肚的)，甚至可用水壓以均勻的增加外殼側(cè)壁的塑性變形作為初撓度。 解出的應(yīng)力 x為最大應(yīng)力，一般小于或等于鋼板的屈服極限： x240 MPa七 例： 1 給定薄板尺寸：a480 ；b1370 ；h8 ；2.85ba 取10 代入公式(10)xn x(10)xn8 10480229MPa2 8 1.043 在曲線圖上，作線連接原點(diǎn)和(10,229