基于有限元法的矿用隔爆型圆筒形外壳设计

   1．2圆筒形隔爆外壳的法兰刚度设计
  
   薄壁圆筒法兰和壳底法兰之间形成隔爆焊接结合面，当圆筒壳内的可燃性气体爆炸时，产生高温、高压气体，可能通过隔爆结合面泄出。因此，薄壁圆筒和壳底的法兰一样承受爆炸压力q。但是，由于法兰比较狭窄，GB 3836．-2000中对隔爆接合面间隙有严格的数值要求，法兰必须有足够的刚性．不能产生较大的弹性变形和永久变形。另外，由于卡紧的需要，对法兰还有止口或者螺孔深度等工艺上的要求。因此，法兰厚度比壳壁厚得多，故其强度没有必要进行校核，但其刚度必须核算。
  
   由图1．法兰内圆周和筒体(或壳底)焊接，外圆周是自由状态，因此，可将法兰简化为内圆周固定、外圆周自由、受均布压力的圆环，如图2所示。由弹性力学理论可知，当r=a，自由边挠度最大。即
  

   设计法兰时，除了考虑法兰厚度附加量C外，还需考虑实际使用过程中法兰隔爆面会遭受一定的机械损伤，如划痕和凹坑等，需进行修复后才能使用。因此，设计时法兰厚度还要留一定的维修余量，故法兰的实际厚度为
  

 

   2  QBZM--80／660N启动器设计；
  
   下面以QBZM一80／660N矿用隔爆型真空可逆电磁启动器外壳为例说明设计过程与步骤。该启动器用于含有甲烷爆炸气体以及煤尘的矿井中。外形为圆筒形，分为控制腔(大腔)和接线腔(小腔)两部分，小腔体积比大腔小得多，两者设计时可采用相同的壁厚，大腔的强度、刚度可满足条件时，小腔也可以。
  

   3壳体三维模型建立及有限元分析
  
   3．1壳体三维模型的建立及简化
  
   矿用隔爆型真空电磁启动器大多采用圆筒形隔爆外壳。外壳的控制腔为圆筒形，接线腔为长方体，置于主腔上部，上部由中隔板将接线腔隔为两部分。控制腔盖使用圆盘转动式开启装置。图3为QBZM一80／(560N矿用隔爆型真空可逆电磁启动器外型图。
  
   根据以上计算得到了QBZM-80／660N的壳体的一系列尺寸，壳体壁厚5mm，壳底壁厚5mm，壳体法兰厚13 mm，壳盖法兰厚12mm。现利用三维设计软件SolidWorks对壳体和壳盖进行建模。
   

   进行有限元分析时，必须对实际的结构模型进行适当的简化。该模型的建立是为有限元分析做准备，因此忽略对分析结果影响很小的压入装置、闭锁机构等结构，以及焊缝和焊接残余应力的影响，以简化分析过程，突出强度和刚度的重要性。
  
   简化后壳体三维模型如图4所示。根据爆炸性气体环境用电气设备国家标准(GB 3836．2-2000)规定，对于隔爆型外壳需要进行外壳耐压试验。现用COSMOSwodcs软件来模拟外壳耐压试验过程，验证理论计算的正确性，同时为外壳改进提供理论依据。