矿用隔爆型圆筒形开关壳体设计

鱼永平

（甘肃容和矿用设备集团有限公司，甘肃 白银730919）

0 引言

矿用隔爆型圆筒形开关，如图1所示，用来控制煤矿井下小功率用电设备的主要电气控制设备。

图1 矿用隔爆型圆筒形开关

目前，设计此类开关时没有确定的公式，大多数企业的设计人员在设计时往往感到依据不充分，靠经验或类比的方法估算，造成数据不准确，当数值偏小时存在安全隐患，而当数据偏大时又造成材料的浪费。

为了使该类开关在满足防爆性能的基础上，合理利用原材料，最大限度地减少壳体质量，本文根据材料力学的原理，综合考虑压力容器壳体设计的知识，对此类开关壳体及法兰的厚度等主要部件进行了设计计算，力求科学合理。

1 压力容器与矿用隔爆型圆筒型开关的对比分析

压力容器或叫受压容器，从广义上讲应包括所有承受压力载荷的密闭容器。一般来说，压力容器发生爆炸时，其危害程度与压力容器的工作介质，工作压力及容器的容积有关。

根据《压力容器安全规程》，按容器的工作压力分为以下几种：①低压容器：1≤ P＜1.6 MPa；②中压容器：1.6 MPa≤ P＜10 MPa；③高压容器：10 MPa≤ P＜100 MPa；④超高压容器：P＞100 MPa.

矿用隔爆型开关在发生爆炸时，其内部压力为1.0 MPa，当出现压力重叠时（极限情况）为1.5 MPa.

由此而知，矿用隔爆型圆筒型开关属于低压容器范围。

2 矿用隔爆型圆筒型开关力学模型的建立

通过分析压力容器与矿用隔爆型圆壳类开关不难发现，它们的外形一样；根据材料力学的应力分析可以知道，这两类容器的受力情况也是一样的。因此，可以运用材料力学的知识及压力容器的相关设计理论、对矿用隔爆型圆柱体开关主要部件的材质厚度进行设计。

3 矿用隔爆型圆壳类开关部件设计

3.1壳体壁厚设计

根据材料力学应力分析与低压容器壁厚计算[1]，综合考虑其它因素（焊缝系数、腐蚀裕度等），圆柱体形状开关壳体壁厚按下式计算：

式中，δ1为圆筒形薄壁的厚度（cm）；p为设计压力（MPa）；Di为圆筒体薄壁的内径（cm）；[σ]t为设计温度下圆筒体材料的许用应力（MPa）；φ为焊缝系数[1]。如下表1所示。

表1 焊缝系数

结合上述数据，计算后，综合考虑材料的统一性，对公司多个产品的厚度做了调整，开关壳体壁厚选用3.5 mm、3 mm钢板，这样既满足了防爆的要求，又节约了大量的材料。

3.2壳底、壳盖壁厚设计

壳底、壳盖外形如图2所示。

图2 壳底、壳盖外形图

式中，δ2为圆柱体壳底、壳盖的计算厚度（cm）；p为设计压力（MPa）；r2为半椭圆截面形封头—圆筒—法兰型端盖的长轴半径（cm）；c为半椭圆截面形封头—圆筒—法兰型端盖封头的高度，即椭圆的短轴半径（cm）；[σ]为材料的许用应力（MPa）.

3.3法兰厚度计算

3.3.1矩形法兰厚度

根据材料力学应力分析与低压容器法兰厚度计算综合考虑，计算矿用隔爆型圆筒形开关矩形法兰（接线盒法兰）的厚度时，可用下式来计算[2]：

根据材料力学应力分析与低压容器壁厚计算综合考虑，矿用隔爆型圆柱体形开关壳底、壳盖可用下式（具体推导略）来计算：

式中：δ3为法兰的计算厚度（cm）；a为法兰上两个相邻的紧固螺栓（螺钉）之间的距离（cm）；α为扰度系数，如下表2所示；p为设计压力（MPa）；k为安全系数（1.5）；E 为所用材料的弹性模量（MPa）；i为隔爆间隙（0.25 cm）；B为平面度（cm）；φ为焊缝系数，如表1所示。

表2 扰度系数

3.3.2圆形法兰厚度

根据材料力学应力分析与低压容器法兰厚度计算综合考虑，矿用隔爆型圆筒形开关圆环形法兰（壳身、壳盖法兰）厚度时，可用下式来计算[3]：

式中，K 为 1.2～1.3.

根据上述公式设计，矩形法兰厚度25 mm（先前尺寸30 mm），圆形法兰厚度30 mm（先前尺寸36 mm）。

根据上述计算得出的相关数据，设计了我公司QBZ-120（80、60）系列矿用隔爆型真空电磁起动器，如图3所示，在安标国家矿用产品安全标志中心重庆矿用设备检测检验中心的爆炸试验中，通过了1.5 MPa的爆炸性能试验，壳体无变形，法兰无变形，取得了防爆合格证书、安全标志证书。

图 3 设计的 QBZ-120（80、60）系列矿用隔爆型真空电磁起动器

目前该类开关已批量生产，使用于我公司用户。

4 结束语

通过对矿用隔爆型圆筒形开关与常用低压容器的对比分析，应用材料力学与低压容器的理论知识，同时考虑到煤矿井下的特殊情况，解出常用矿用隔爆型圆筒形开关的壳体壁厚、法兰厚度。通过本文介绍的方法和公式，能对该类壳体结构设计提供定量的依据。

本文所述产品设计尺寸经本公司水压试验和国家检测中心爆炸试验结果表明，完全满足设计和标准要求。

参考文献：

[1]吴粤燊.压力容器安全技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]张显力.防爆电气概论[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.