隔爆外壳的设计(供参考)

《隔爆外壳的设计(供参考)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隔爆外壳的设计(供参考)（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 防爆电器丛书防爆电器丛书 隔爆外壳的隔爆外壳的隔爆外壳的设计设计设计 刘让刘让 编著 二零零七年八月 浙江 乐清 隔爆外壳的设计 1 隔爆外壳的设计隔爆外壳的设计 刘刘 让让 编著编著 一一 概述 防爆产品的外壳设计，特别是隔爆型外壳的设计已有许多方法，本文想从理论基 础说起，尽量避免繁琐的高等数学的计算，并简化计算以达到实用性强、易掌握的目 的。使防爆产品的质量有更大的提高。 本文主要针对从事防爆产品设计和防爆外壳工艺的技术人员，并具有中专学历以 上的人员学习， 隔爆外壳的设计包括两个方面的内容： 1.隔爆参数的设计； 2.外壳强度的设计。 外壳的隔爆参数主要是指隔爆结合面的形式、隔爆面间

2、隙和结合面的宽度以及结 合面的粗糙度等，这些参照 GB3836 的有关内容正确选择就可以。近年来，随着技术 的发展，方壳和快开门结构使用越来越多，外壳主腔使用螺钉紧固逐渐减少(但在厂用 防爆产品中仍用的较多)，矿用产品螺钉紧固方式大多用于接线箱和一些小产品中，因 此新的结合面紧固方式也是外壳设计的主要部分。 外壳的强度设计，是如何用最少的材料设计出强度足够的隔爆外壳，这也是许多 专家研究的课题，至今尚未见到一种成熟而又精确的计算方法，设计中采用经验数据 较多，有的通过试验来验证，浪费材料和裕度过大是常见的。 二 外壳设计的理论基础 1 虎克定律 公式 PL L EA 杆受拉力纵向伸长 L=L1

3、L (图 1) 隔爆外壳的设计 2 单位长度杆的纵向伸长(线应变)： = L L P 轴向力 A 杆的横截面 E 弹性模量 MPa EA 杆的抗拉(压)刚度 这样虎克定律的另一表达式 = = 杆中的正应力(拉为正，压为负) E P A 2 低碳钢试件的拉伸图 （1）标准试样(图 2) L 工作段 在这一长度内任何横截面上的应力均相同 L=10d 或 L=5d L=11.3. 或 L=5.65AA （2）低碳钢试样的拉伸图 (图 3) 隔爆外壳的设计 3 弹性阶段 。 PL L EA 屈服阶段 试件长度急剧变化，但负载变动小。 强化阶段 要继续伸长，所需要克服试件中不断增长的抗力，材料在塑性变形

4、中 不断发生强化所致，这阶段塑性变形。 局部变形阶段 试件伸长到一定程度后，负载读数反而逐渐降低，出现”颈缩”现 象，横截面急剧减小，负载读数降低，一直到试件拉断。 （3）卸载规律 在强化阶段如果终止加载，在终止加载过程中，负载与伸长量之间遵循直线关系， 此直线 bc 和弹性阶段内的直线 oa 近似平行，这过程为卸载，并将卸载时负载与试件 的伸长量之间遵循的直线关系的规律称为材料的卸载规律。(图 4) 由此可见，在强化阶段中，试件的变形实际上包括了弹性变形Le 和塑性变形 Ls 两部分，在卸载过程中，弹性变形逐渐消失，只留下塑性变形。 若重新加载，仍从 c 点开始，一直到 b 点，然后沿原来的

5、曲线。 隔爆外壳的设计 4 若对试件预先施加轴向拉力，使之达到强化阶段，然后卸载，则再加负载时，试件 在弹性范围内所能承受的最大负载将增大，这称为材料的冷作硬化现象，这可用来提 高材料在弹性范围内所能承受的最大负载。 （4）应力应变曲线或 曲线 (图 5) 比例极限：A 点以下，应力和应变成正比，符合虎克定律 p 弹性极限：弹性阶段最高点 B，是卸载后不发生塑性变形的极限 e p 与 e 数值相差不多，可统称弹性极限。 屈服极限：屈服阶段 有幅度不大的波动，最高点 C 应力为屈服高限，D 点为屈服低 限。从试验结果可知，屈服低限较为稳定，故称为屈服极限 s 强度极限：强化阶段的 G 点为最高点

6、，此点应力达到最大值，称为强度极限 b 对低碳钢来讲，极限应力：s，b 是衡量材料强度的两个重要指标。 延伸率： (L10d 时) 1100%LL L L1 拉断后的杆长； L 原长 隔爆外壳的设计 5 材料名称牌号 E GPa s MPa b MPa 5% (L5d 时) 低碳钢Q235200-21024040025-27 中碳钢4520936061016 低合金钢16Mn200290-350480-52019-21 泊桑比 横向线应变 /，在应力不超过比例极限 p时，它与纵向线应变的绝对 值之比为一常数。 3 术语和公式 (1) 挠度：轴线上的点在垂直于 X 轴方向的线位移 称为该点的挠度

7、。横截面绕其中 性轴转动的角度 称为该截面的转角。(图 6) (2) 梁(把钢板当成两端被固定支撑的梁)在弯曲时，在横截面上既有拉应力也有压应力， 在中性轴为对称轴时，拉压应力在数值上相等。 (3) 弯应力： max Z M W 对圆形截面 抗弯矩 WZ d3 1 32 对矩形截面 抗弯矩 WZ bh2 (图 7) 1 6 三 经验公式 外壳的强度问题，归根结底是外壳壁厚的计算， 隔爆外壳的设计 6 按照 GB3836 的有关规定，爆炸压力若以静压力考虑，对类A 和B 产品的外壳为 1MPa ；C 为 1.5MPa。 受内压操作的筒体外壳壁厚的计算： 230 e PD C P 式中： ：筒壁厚

8、 mm P： 容器工作压力 MPa De：容器内径 mm ： 焊缝强度系数 De400-500mm 采用人工单面焊接取 0.7 De600mm 采用人工双面焊接取 0.95 ：许用拉伸应力 b/n b材料的强度极限 b380-400 MPa (Q235) n：安全系数取 3.5 C：为弥补钢板负公差所增加的厚度 钢板厚度在 20mm 以下取 C1；厚于 20mm 取 C0 这一公式是大容器的经验公式，在防爆电器中壁厚大于 20mm 的很少，所以系数 C 要酌情考虑。 四 大型矩形外壳的计算基础 1 考虑材料塑性时梁的极限弯矩 一般的计算考虑材料是在弹性范围内工作，我们需要要进一步研究材料在受到

9、弯曲 时的最大正应力达到材料屈服极限以后的弯曲问题。 隔爆外壳的设计 7 纯弯曲时，梁的容许弯矩 WW * 由以下分析可知，对于塑性材料制成的梁，以此W为梁的容许弯矩在强度方面尚未发 挥材料的潜力。 把低碳钢的 曲线简化 (1) 当应力不超过 S时，材料符合虎克定律； (2) 拉伸、压缩时的弹性模量相等，S也相等；(图 8) (3) 应力达到 S后，应变在此应力下增加，当外 力大到一定时，距中性轴最远的应力为 maxS 此时 MSSW，这即(*)式所允许的最大弯矩， 此时，材料并无塑性变形。(图 9) 当外力继续增加，横截面上的正应力将按 S值 逐渐向中性轴发展，最后，全部达到 S，此时 的弯

10、矩，就是考虑材料塑性时的极限弯矩 Mjx，(图 10) 此时横截面上各点均发生塑性变形，在不增加外 力的情况下，整个梁将继续变形，前已说，由于 卸载规律，材料发生强化作用，实际的 Mjx比理想值 要大。 具体分析一下 Mjx的变化。 按静力平衡条件，整个横截面上的法向内所有元素所 组成的合力 N0 (图 11) NSdA (-S)dA0 1A Aa 得 A1Aa A1：受拉面积 Aa：受压面积 N0 也是确定中性轴位置的条件，在此条件下，法向内力元素所组成的力偶矩 隔爆外壳的设计 8 就是梁的极限弯矩 Mjx MjxySdA (-y)(-S)da 1A Aa SydAy dA 1A Aa S(

11、S1Sa) 对于具有水平对称轴的横截面 S1SaS； S1Sa2S S 为半个横截面的面积对中性轴的面积矩 MjxSWS WS2S WS 为塑性抗弯截面模量 (cm3) 对于矩形截面 (图 12) Sb 2 A 4 h 2 h 4 h 2 8 bh WS2S 2 4 bh 将 MjxSWS 与 MSW 相比较得： jx M M S W W 对不同的截面形状 Mjx/M 的比值不同，但都大于 1， 所以，在考虑材料塑性时梁的容许弯矩Mjx也就相应地会比M有所增大。见下表： 隔爆外壳的设计 9 几点说明： 1 初绕度实际上是利用材料的卸载规律，提高材料的强度；(图 13a) 2 板材焊筋是提高零件

12、的抗弯矩；(图 13b) 3 板材上压筋是综合 1,2 的效应，即既利用卸载规律又提高抗弯矩。(图 13c) 4 对薄板而言，板材是绕着 X,Y 轴弯曲的，因而板材的变形是 X,Y 两方向的综合。 隔爆外壳的设计 10 (图 14a、14b、14c) 四 矩形薄板大挠度近似计算方法 近似计算的两个要点： 1 掌握并集中考虑矩形薄板的最大应力部位 (1) 对侧压均布的薄板的最大应力部位与最大形变部位是相对应的； (2) 最大变形如边界是刚性的，是在垂直于长边的中点方向； (3) 最大应力点在矩形板的中心，向长边垂直方向。(图 15) 2 把变形的弹性面理想化为圆弧组成。 隔爆外壳的设计 11 近

13、似计算的几何关系几何关系(形变和位移关系)，把矩形板的最大变形线看成一个长板条。 (图 16) AB矩形的短边 a 下面受压，板条上弯，形成，曲率半径为 X， 中心点在 O，AB 与将有 A AB A AB A AB 一最大挠度 f， X以度计。 (1) A 2 AB2 360 XX 令 nx 或 X 代入(1) 2 X a 2 X n a (2) A 2 AB2 360 XX n 2 a 57.2957 XX n 2 a 隔爆外壳的设计 12 板条按 X 轴向的应变： x 1 (3) A 22 2 ABa a 57.2957 XX n x 1 sin 2 X a 1 sin 1 X n xn

14、X 1 (4) 1 1 sin 57.2957 X n 同样，沿 Y 轴向(即沿长边方向)的应变 yny 1 (5) 1 1 sin 57.2957 y n 这就是简化的几何方程。 应力与应变的关系，即物理方程物理方程 x ( xy) 1 E y ( yX) (6) 1 E 式中 E206GPa 0.3 (钢) (4)、(5)、(6) 可以画出以 nx、 x为坐标的曲线 但是公式中(6)每一组都有 x、y，不能单独与(4)、(5)代入求解，但是x与y有一定 的关系。 长边比短边的比例值大时，可以认为 y0 长边接近短边时(或相等时)， yx 这样可以作出两条曲线，中间再作出一条 yx 的曲线，作为内插参考。(图 1 2 17) 隔爆外壳的设计 13 对于受力条件及边界条件，采用无矩理论的大挠度理论： (7) X X y y P h 式中 y，x 为任意一点在 x，y 方向的拉应力(薄膜应力)； x, y 为这点曲面在 x，y 方向的曲率半径； P 为板面所受的均布载荷，h 为板厚(单位须与 x, y一致)。 (7) 是静力学公式，是 y，X的二元一次方程，要找到x ，x和y，y的近 似关系简化成一元方程。 矩形薄板在侧压下变形与它的长短边 a,b 有以下关系： 挠度 f 2 8 X a 2 8 y b