煤矿救援机器人隔爆外壳结构强度分析

2018-11-28高俊

机械管理开发 2018年11期

高俊

（同煤集团机电装备科大机械有限公司，山西大同 037000）

引言

由于煤矿井下存在危险的爆炸性气体，若机器人不具有隔爆能力，很容易会因其自身电气设备的爆炸而造成的二次灾害。隔爆壳体的设计是整个煤矿救援机器人设计的重点，它既是机器人移动的底盘，又要为电池模块、控制模块、驱动模块和传感模块等电气设备提供一个足够安全的安装环境。隔爆壳体的主要作用是保证通过壳体的结合面和结构间隙渗透到壳体内部的可燃性混合气体在壳体内部爆炸而不会引起外部爆炸性气体环境的爆炸，同时也不会造成机器人自身的损坏。因此，煤矿救援机器人的隔爆壳体不仅应该具有足够大的有效空间来安装电气设备，而且应具有足够高的强度来保证自身和外部环境的安全[1-2]。

1 煤矿救援机器人隔爆壳体设计

1.1 隔爆外壳外形设计

在相同容积下，由于外壳形状的不同，爆炸压力也会有较显著的差别。由于矩形外壳火焰前锋到达壁面的时间早于爆炸性混合物完全燃烧的时间，因而有一部分爆炸生成物的热量被壁吸收，同时通过壁向周围传导，使爆炸生成物冷却，削弱了爆炸生成物向壁膨胀的效果[3]。且相同容积下，矩形壳体产生的爆炸压力小。因此，壳体外形设计为矩形，主体结构采用大开盖结构。在盖箱和壳体的法兰之间采用螺栓连接，两法兰的接触面之间有隔爆结构。底面设计为平板。两侧设计有“凸”字形侧翼，见图1、图2。

1.2 隔爆外壳材料的选择

图1 煤矿探测机器人结构图

图2 隔爆外壳整体结构图

国家对于煤矿井下设备的壳体材料有明确的限制，同时探测机器人又具有高精密度和高机动性能，所以低密度、高强度的轻合金才是探测机器人隔爆壳体材料的最佳选择。参考煤电钻外壳材料，隔爆外壳材料选用ZL401铸铝合金。ZL401铸铝合金各项参数如下：弹性模量为68 GPa；泊松比μ为0.35；材料密度为 2.95 t/m3；许用应力[σt]为 48.75 MPa。

1.3 爆炸压力的设计

大量的实验表明，当爆炸性气体爆炸时，产生的压力一般在0.703～1.01 MPa，并伴随着较高温度，因此设计压力为1.02 MPa。

2 煤矿救援机器人隔爆外壳强度计算思路

2.1 隔爆壳体底板厚度设计

在进行设计计算时，应当对隔爆外壳最容易发生弹性形变的位置进行受力分析，由材料力学知识可知壳体底面为最薄弱区域，故选择壳体底面作为研究对象。在进行应力计算时，固定形式条件属于壳体两侧完全固定。

根据弹性力学理论可得底板所受的最大应力为：

式中：P为爆炸压力，MPa；C为应力系数；y为短边长度；h为底板厚度。

底板所受的最大应力应该不大于材料的许用应力，即：

壳体底板厚度设计方法与盖腔的厚度设计方法一样，这里不再赘述。

2.2 盖腔法兰和壳体法兰厚度计算思路

法兰可看作是两相对边简支（长度为两相邻螺栓之间的距离），一边固定，另一边自由，受爆炸压力的板，其最大桡度在中点处，根据《机械工程师手册》中的近似计算公式：

最大挠度

式中：α为挠度系数；E为材料的弹性模量，MPa；a为法兰两螺栓间距，mm；h为法兰厚度，mm。

所以盖腔法兰的最大挠度：

壳体法兰的最大挠度：

由于隔爆壳体结合面的挠度为壳体法兰最大挠度与盖腔法兰最大挠度之和，即：

刚度条件为：

式中：[f]为许用挠度，且满足公式（9）。

式中：W为隔爆结合面的允许间隙；B为为平面度公差；S为安全系数。

2.3 盖腔法兰和壳体法兰之间连接螺栓的数量和类型

在计算螺栓间距时，根据法兰的大小可以确定螺栓的数量。这里取螺栓个数为8。

爆炸发生时，螺栓所受的力为拉力F，方向正对爆炸压力方向，大小为盖腔法兰面积与爆炸压力的乘积，即：

式中：S"为盖腔法兰面积。

单个螺栓所受的力F1为拉力F除以螺栓数量和安全系数，即：式中：K为安全系数，取1.5；n为螺栓数量。通过查阅标准手册最终选择M12的紧固螺栓。

3 隔爆壳体的有限元分析结果

设计完成后，利用UG软件和ABAQUS软件对隔爆壳体分别进行建模和有限元分析，观察其中的应力分布和变形情况，验证煤矿救援机器人设计的合理性，并对隔爆壳体进行了初步的优化设计。

3.1 分析前处理

根据防爆标准GB 3836.1—2000对壳体进行静压试验，壳体的分析类型为静态分析。对防爆壳体和法兰的耐压试验分别进行，固定壳体两侧出口和箱体法兰四周，然后给其内部1.02 MPa垂直于部各面和法兰面压强，对各面和法兰面施加压力。应用ZL401铸铝合金材质到各面和法兰，其中，ZL401铸铝合金弹性模量为68 GPa，泊松比为0.35，密度为2.95 t/m3。然后再对壳体和底面采用软件中良好的网格设定参数进行网格划分，单元大小为7.124 28 mm，单元公差为 0.356 214 mm[4-5]。

有限元分析前的准备工作完成后进行运行分析。

3.2 结构优化结论

分析结果表明：壳体和箱体的应力较不均匀，壳体凸出处和箱体四条边线处的应力值偏大，其他区域的应力值较小，应力有一定的强度储备，需要对其进行局部改进和优化。首先对薄弱部位进行加强，即对壳体凸出处和箱体四条边线处进行加强设计，具体方法为将直角边拐角改成圆形拐角，并增设加强筋。然后对应力值较小、应力强度储备较大的部位进行减重优化设计，即在保证应力的前提下减少板厚。