隔爆外壳的设计(供参考)

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、隔爆面间隙和结合面的宽度以及结合面的

2、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 PLLEA杆受拉力纵向伸长 L=L1L (图 1) 隔爆外壳的设计2单位长度杆的纵向伸长(

3、线应变)： =LLP 轴向力A 杆的横截面E 弹性模量 MPaEA 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)EPA2 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=5dL=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 。PLLEA 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，

4、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

5、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 ep 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，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)

6、1100%LLL L1 拉断后的杆长； L 原长 隔爆外壳的设计5材料名称牌号EGPasMPabMPa5%(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。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

7、压应力在数值上相等。(3) 弯应力： maxZMW对圆形截面 抗弯矩 WZ d3132对矩形截面 抗弯矩 WZ bh2 (图 7)16三 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： 230ePDCP 式中： ：筒壁厚 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

8、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(

9、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

10、，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)dA01AAa 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 MjxMjxySdA (-y)(-S)da 1AAa SydAy dA 1AAa S(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 2A4h2h4h28bh WS2S24bh 将 MjxSWS

11、与 MSW 相比较得： jxMMSWW 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

12、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ABABAB一最大挠度 f，X以度计。 (1)2AB2360XX 令 nx 或X 代入(1) 2Xa2Xna (2)2AB2360XX

13、n2a57.2957XXn2a 隔爆外壳的设计12板条按 X 轴向的应变：x1 (3)222ABaa57.2957XXn x1sin2Xa1sin1Xn xnX1 (4)11sin57.2957Xn同样，沿 Y 轴向(即沿长边方向)的应变 yny1 (5)11sin57.2957yn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)1E y (yX) (6)1E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

14、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1217) 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)XXyyPh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 f28Xa28yb (8)Xy22ab从前图知 XX (这里X以

15、弧度计)2AB 隔爆外壳的设计14又 x1sin2Xa根据 x 取前两项sin x1233x123435x可将 x 向的应变值为： x12xxa 3248xa同理 y3248yb因此 (9)xyxy3232xyab33ab44baba把公式(7),(8)代入(9)得 x (10)33(1)xPahb332(1)xPn aahb作为特例，当 ab ，此时xy 上式变为 x nxa (11)2xPh4Ph当 ba 时 x nxa (12)xPh2Ph这和通常材料力学求球面应力公式相当。公式(10) 、(11)、 (12) 都是与 nX有关的应力x的直线方程，它通过原点，只要求出任意一点，就可画出，

16、如画在前面代表的几何物理方程的曲线上，可以与相应的 隔爆外壳的设计15曲线相交，交点就是几何物理方程与静力学方程的共同解。具体作法：(1)已知 a,b,h 及侧压力 P，用公式(10) 、(11)、 (12)算出方程直线上一个点，建议取 nX10，p1(10, X)(2)画出 0p1 与相应曲线相交，当Xy0 时，可用内插法；(3)求解点上引垂线交于 f 曲线，可得 f 值；(4)强度条件：X240 MPa (材料屈服点) 又： f28xa218()2xan a24xan 可作出 f 与 nX的曲线 (图 18)fa14xn以上为验算过程 隔爆外壳的设计16 如已知 a，b，P，X240 MP

17、a 求 h(1)由X240 作水平线与相应的曲线相交，求出 nX(2)按公式(10) 、(11)、 (12) 求出 h五 讨论用近似计算法处理大型矩形外壳有很大裕度及可靠性。1 变形上的裕度：采用大挠度理论，主要是利用了大挠度变形时材料产生的薄膜应力平衡了压力，挠度加大，受力情况更好，如果计算值低，结果使挠度比预期值大，就不会产生恶性循环。2 材料性能上的裕度：材料一般为热轧成型的，其屈服点一般总在 240 MPa 2 以上，极限应力在 4000 MPa 以上，延伸率在 2527%，以此计算在屈服点的延伸率约为0.114%，可见，如果钢板强度选用在弹塑性边缘，即 240 MPa 以下，距离到破

18、坏应力裕度是很大的。3 外壳在出厂时的水压试验是稳定的内部压力，使用中如产生爆炸都为瞬态的爆炸压力，在这种负载下，板材的屈服极限还会提高，最高可达一倍，即在稳态压力下屈服点为 240 MPa，在瞬态爆炸压力下可达到 280 MPa，这是可以理解的，因瞬态爆炸压力一到峰值就衰减了。六 具有初挠度薄板的计算 (图 19) 为初挠度，加压后变为 ACB/AC B 2xxna/2xxna 得 (13)/1/11sin1sinxxxxxnnnn 将(13)和(6)结合，在 x和 y三种关系下，作出三套曲线，即在不同的(即x有初挠度 隔爆外壳的设计17值)作为起点，用(13)和(6)计算在减小时 x，这样可用(8)、(9)、(12)在10 时，/xnxxn得出直线，并延长，使之所标的初挠度那条曲线相交，即得解。 方程(13)中的已知，即有初挠度的外壳其和是已知的。xnx2a 初挠度可以是圆筒形外壳，也可是矩形外壳(即薄板压出鼓肚的)，甚至可用水压以均匀的增加外壳侧壁的塑性变形作为初挠度。 解出的应力 x为最大应力，一般小于或等于钢板的屈服极限： x240 MPa七 例： 1 给定薄板尺寸：a480 ；b1370 ；h8 ；2.85ba 取10 代入公式(10)xn x(10)xn8 10480229MPa2 8 1.043 在曲线图上，作线连接原点和(10,229