矿用电气防爆柜体结构的优化方法

2021-10-21陈芳

机械管理开发 2021年10期

陈芳

（晋能控股煤业集团忻州窑矿，山西大同 037000）

引言

随着煤炭采掘技术的不断发展，煤炭工业取得了长足的进步，但是由于井下的特殊环境也为煤矿安全生产造成了较大的威胁。尤其是瓦斯爆炸事故在矿难事故中占比较大，对井下人员及设备损害也远高于其他事故，而爆炸原因经常是电气设备由于故障而出现的火花或电弧引燃设备内部瓦斯气体，从而造成爆炸[1]。因此，为了井下安全生产及人员的生命安全，要求井下电气设备柜体外壳必须具有防爆功能，即内部爆炸不允许通过柜体缝隙传导至外部，柜体不允许因爆炸而损坏。

目前国内外使用的防爆柜体多采用经验法或类比法，出于安全考虑再增加一定的壁厚，该方法可以起到防爆的作用，但在井下实际操作过程中，由于壁面太厚、柜体笨重导致搬运及维护困难[2]。因此，对防爆柜体进行优化设计，使其在满足防爆要求的前提下尽量减轻重量。本文结合电机软启动器隔爆柜体常用结构，对矿用防爆柜体结构优化方法进行研究。

1 防爆柜体壁厚设计

井下电气柜体内的启动器、接触器能元器件在工作时难免会产生电火花或电弧，可能引起柜体内瓦斯气体的爆炸从而引发矿井内的瓦斯爆炸，因此，防爆柜体的隔爆性能设计十分关键。隔爆壳体壁厚设计的原理是通过合理的柜体壁厚及结构设计，在爆炸过程中压力峰值及气体过压工况下，柜体机械强度满足安全裕量要求。对于常用电机软启动器隔爆柜体，设计压力一般取1 MPa，其壳体内部尺寸要求一般大于600 mm×600 mm×400 mm。厚度计算公式为：

式中：δ 为柜体壁厚；b 为柜体壁短边长度；k 为安全系数；C 为应力系数；P 为设计应力值；σT为柜体材料屈服极限。

根据上述计算公式，采用安全系数1.5，材料选择Q235 钢情况下对柜体各壁厚进行计算，得到后壁面厚度为12 mm，其余四个壁面厚度为15 mm。根据经验公式，柜体法兰门厚度设定为22 mm。根据上述计算，防爆柜体壁厚较厚，由于体积巨大，在井下安装、维护及使用过程中均造成不便，且经验公式一般会设置较大安全裕度，造成某些壁面的应力储备较大[3]。通过优化设计方法结合有限元仿真分析，可以较为准确地对各个壁面进行结构设计。

2 柜体静压数值分析

采用Workbench 软件导入三维数模，并对其进行一定的简化。由于六面体网格在计算精度、抗畸变、变形特性以及网格离散误差等方面具有较大优势，且柜体类零件通过一定的简化后形状较为规则，因此采用六面体网格对柜体进行网格划分。在静压试验中，外壳主要承受水的重力及液体加压后对各个壁面的1 MPa 压强。由于壳体内部尺寸较小，柜体内水的自重产生的压强远小于液体所加压强，因此，水的自重不予考虑，把柜体看成各个壁面受到均匀1 MPa 压强。为使柜体产生充分形变达到稳态，仿真时间步采用30 s，得到柜体应力应变云图如下页图1所示。

图1 壳体等效应力及形变图

根据上述仿真结果，柜体最大应力值为181 MPa，出现在法兰门和柜体连接处，且应力云图光滑过渡，无应力突增点。顶部壁面及左右侧面最大应力值仅有80 MPa，而柜体背壁大平面最大应力值为145 MPa，最大形变为3.5 mm，未超过国标要求的5 mm 形变。由于柜体采用Q235 钢材质，其屈服应力极限高达235 MPa，因此根据上述分析，可对左右壁面厚度进行大幅缩减，同时对背部壁面采用减小壁厚加加强筋的形式进行优化。

3 柜体结构的优化

针对上述分析中，防爆柜壁厚较厚，应力储备过多的问题，采用优化设计方法对其进行结构优化研究。其一般思路是以数学中的最优化理论为基础，设定目标函数，并设定一定的约束条件，最终得到最优目标解[4]。本节采用Workbench 的Design Xplorer/VT模块，对含有参数化模型的变量进行优化分析。

由于柜体为对称结构，因此，在建立参数化模型时采用对称法建模，同时建立四个优化参数和三个目标函数。四个优化参数分别为：V1为左右侧壁厚度、V2为背壁厚度、V3为背壁加强筋高度、V4为法兰门厚度；三个目标函数，分别为：P1为壳体的应力、P2为壳体的质量、P3为壳体的应变。其各参数设定值及变化范围如表1 所示。