煤矿电气设备的隔爆外壳结构优化

赵家臣侯原亮刘俊杰赵龙阳

（1.广西百色美联能源科技有限责任公司，广西 百色 533000；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541004；3.桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，广西 桂林 541004）

煤矿电气设备的隔爆外壳结构优化

赵家臣1侯原亮2刘俊杰2赵龙阳3

（1.广西百色美联能源科技有限责任公司，广西 百色 533000；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林 541004；3.桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，广西 桂林 541004）

对在产的煤矿井下电气设备进行应力应变分析，根据分析结果，以外壳板厚、法兰厚、加强筋截面尺寸为设计变量，以各侧板受到的应力小于σmax和外壳最大变形量小于5mm为约束条件，以隔爆外壳质量最小化为目标函数对隔爆外壳进行结构优化。结果表明，优化后隔爆外壳的质量减轻了38.083kg，同时也通过了国家标准GB3836-2010的出厂水压试验。

电气设备；隔爆外壳；应力应变分析；结构优化

如今，结构优化已经应用于工程结构设计中，主要为工程师改进结构设计提供可靠而高效的计算方法。结构优化技术大致可分为：拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化[1]。尺寸优化是通过调节结构尺寸参数来提高结构特性的优化技术。对于隔爆外壳来说，目前国家规定只能选用三种外型：方型、圆型或圆方结合型，不宜使用形状、形貌及拓扑优化技术，故本次对其结构优化选用尺寸优化技术[2-3]。

1 有限元模型的建立及静态分析

1.1 有限元模型的建立

利用有限元法对组装好的隔爆外壳进行几何模型简化，在三维软件solidworks中建立其简易的几何模型，然后通过CAE有限元分析软件HyperWorks中的HyperMesh模块的导入接口导入其几何模型，通过对该模型定义材料属性及统一HyperMesh模块的单位制之后，最后对其进行网格划分。有限元模型中共划分为34270个单元和71973个节点，其中hex8单元有32726个、penta单元有1544个，它们的节点数分别为67143个和4830个，隔爆外壳的有限元模型如图1所示。

图1 隔爆外壳有限元模型

1.2 约束及边界条件设置

根据外壳内部的工作状态及水压试验时的情况，给外壳施加的载荷可分三部分，包括：施加在外壳内垂直于各壁表面的1 MPa 的水压力；水的重量产生的垂直于各壁表面沿竖直方向呈三角形分布的水压力；外壳自身重量约237 kg。

水自重产生的压力：P=ρgh

其中，ρ：水的密度，大小等于1×103kg·m-3；

g：重力加速度，大小等于9.8 N·kg-1；

h：外壳内腔高度，下腔为0.584m，上腔为0.210m。

代入数据得：

P=ρgh=103×9.8×(0.584+0.210)=7781.2 Pa<<1 MPa故水自重产生的压力可忽略不计。

外壳作水压试验时，正摆放在试验台上，因此其底板由下支架支撑住，而其上盖由12个高强度螺栓与法兰联接，法兰与盖的结合面加了橡胶密封垫，而其门盖由12个夹持器具夹紧，法兰结合面也加有橡胶密封垫。通过简易的水压加载装置与外壳的小外接口相连接，对外壳进行加压至预定压力来进行水压试验。所以在对外壳模拟加约束时，需对底板和上腔法兰施加沿Y方向移动的约束和对下腔法兰施加沿Z轴方向移动的约束；为了使外壳不产生刚体位移，还需要限制其底板绕X、Z 轴转动自由度并使底板下表面四角点固定。载荷施加及约束施加如图2所示。

图2 外壳施加约束及载荷图

经过有限元分析软件的后处理模块RADIOSS对隔爆外壳上下腔的分析计算，可以发现，外壳的最大变形发生在下腔侧板的中央位置，且由中央位置逐渐扩散；而外壳上腔侧板的应力及发生的位移远远小于下腔。应力及变形的仿真结果如表1所示。

表1 外壳应力及位移计算值

从有限元分析计算结果可以看出，外壳下腔壁板与隔板的焊缝边处出现较大的应力，且由焊缝边的中间向两头逐渐扩散，其中间处最大值达到了589.6 MPa，说明各焊缝边中间处容易出现应力集中；同理下腔的侧板各交接边和下腔法兰内侧的四角点位置也出现了应力集中。

总体而言，外壳各侧壁受到的应力及应变都在弹性范围内，其中很多原因是加强筋起到了关键的作用，有很大一部分压力都是由加强筋分担着。所以出现了各加强筋中部位置的应力几乎达到了屈服极限值的现象，其最大位移量也达到了4.48mm，而虽然外壳上腔并没有设加强筋，但上腔体积比下腔要小很多，所以其受到的变形量也不大。

2 隔爆外壳结构优化

优化设计是指在满足一定的约束条件下，采用各种优化算法对所研究的力学结构模型进行轻量化、体积最小等结构特性达到最佳为设计目标[4]。所以在隔爆外壳满足强度要求的基础上，对其进行最佳结构截面尺寸、配筋等参数的设置。如取材料的许用应力，取安全系数K=1.5，而K=，则，其中σs是屈服强度，σb是抗拉强度。这样不但可以提高了结构的承载能力，而且又不至于损坏外壳，达到了最大限度利用材料的目的。优化设计的数学模型可表述为：

式中，X：设计变量；

R：实数域；

H(X)：优化的目标函数；

gi(X)：第i个不等式约束函数；

hj(X)：第j个等式约束函数；

m、n：状态变量个数。

由上述对隔爆外壳的有限元应力应变分析可知，外壳加强筋中部位置比较薄弱需要进行加强，而外壳侧壁及法兰有比较多的应力预存，可以适当地对它们的厚度进行减薄。故首先根据优化设计三要素建立隔爆外壳的优化数学模型。设计变量：外壳板厚、法兰厚、加强筋截面尺寸；约束条件：各侧板受到的应力小于，外壳最大变形量小于5mm；目标函数：外壳质量最小化。

经过对设计变量的多次修改及有限元分析计算，最后确定了改进方案，具体尺寸优化前后对比值如表2所示；优化前和优化后的有限元分析的应力应变云图如图3、图4、图5和图6所示。

图3 优化前隔爆外壳下腔米塞斯应力及位移云图

图4 优化后隔爆外壳下腔米塞斯应力及位移云图

从图3和图4中可以得到，优化后隔爆外壳下腔的各侧板应力集中位置的应力由261.1 MPa增大到333.6MPa，大约增加了28%；侧板中央部位的应力由62.83MPa增大到222.5MPa，大约提高了2.5倍；而侧板的最大位移由5.766mm降低到2.297mm，大约降低了60%；加强筋中部的应力得到了下降，强度有所提高。

图5 优化前隔爆外壳上腔米塞斯应力及位移云图

图6 优化后隔爆外壳上腔米塞斯应力及位移云图

从图5和图6中可以得到，优化后隔爆外壳上腔法兰内四角应力集中处的最大应力达到368.5MPa，比初始设计值提高了约2.7倍，法兰各外边中央处的最大应力值增加到了204.8MPa，也比初始设计值大了很多，但它们都在强度极限范围内。而各侧板中央位置的最大应力由初始设计值28.88MPa增大到122.9MPa，同时侧板发生的最大位移也由0.2781mm增大到0.6289mm。

优化后的软起动隔爆外壳系统，根据外壳优化后的尺寸要求，对其进行了加工制造，并在半精加工之后、精加工之前对其进行了出厂水压试验。由于设计了专用的多功能水压测试试验台，它使隔爆外壳隔爆间隙的密封及夹紧效果得到改善，试验外壳顺利通过了1MPa的水压试验，隔爆外壳最大凹凸变形量在3mm以内，达到了国家标准GB3836-2010对隔爆外壳的设计要求，并且将精加工后的优化样机送国家专门检测机构进行破坏性爆炸试验，获得成功。

表2 尺寸优化前后对比表

3 结论

在按国家标准GB3836-2010对隔爆外壳的最大变形量不大于5mm要求的基础上，对软起动隔爆系统等效模拟样机进行了优化设计，优化以后的隔爆外壳经过水压试验测量所得的隔爆系统外壳凹凸变形量在3mm以内，达到了设计的要求。经对钢板重量的理论计算，优化前隔爆外壳总重量约为236.79 1kg，而优化后其重量约为198.708kg，这比优化前减轻了38.083kg，也就是重量减小了16.08%，优化改进后的样机不但通过了国家标准GB3836-2010的出厂水压试验，而且还通过了国家安全生产上海防爆电气检测检验中心的破坏性爆炸试验。

[1] 李延伟,杨洪波.大口径平背形主镜轻量化结构优化设计方法[J].系统仿真学报,2008,(24):6851-6853.

[2] 管义峰,管悦然.基于HyperWorks的油船舱段有限元和结构优化分析[J].科学技术与工程,2009,9(3): 755-757.

[3] 刘军,李军.基于三维实体有限元分析的矿用隔爆外壳优化设计[J].矿业安全与环保,2009,36(1):29-31.

[4] 李治洲.矿用隔爆型电器产品壳体设计分析[J].煤矿机械,2014,35(7):29-31.

Flame-proof enclosure structure optimization of the coal mine electrical equipment

Carried on stress-strain analysis for the production of coal mine underground electrical equipment, according to the results，took the shell thickness, flange thickness and ribs sectional dimensions as design variables, each side suffered stress is less than σmaxand the maximum deformation amount of shell is less than 5mm to the constraints, flame-proof enclosure quality minimization as objective function to optimize the structure of Flame-proof enclosure. The results show that after optimizing the quality of flame-proof enclosure reduces 38.083kg, but also through the factory hydraulic test of the national standard GB3836-2010.

Electrical equipment; flame-proof enclosure; stress-strain analysis; structure optimization

TD403

A

1008-1151(2015)01-0040-03

2014-12-13

广西科学研究与技术开发计划课题（桂科转13129027）、（桂科能1298019-2）。

赵家臣（1984－），男，云南大理人，广西百色美联能源科技有限责任公司工程师，桂林电子科技大学硕士生校外导师，从事于矿山机械的研究。

赵龙阳（1977－），湖南韶山人，桂林电子科技大学计算机科学与工程学院讲师，硕士，从事自动化系统开发及最优化控制研究工作。