120kw電機軟啟動隔爆箱優(yōu)化設計【全套含CAD圖紙、說明書】
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編號: 畢業(yè)設計(論文)說明書題 目: 120kw電機軟啟動 隔爆箱優(yōu)化設計 院 (系): 機電工程學院 專 業(yè): 機械設計制造及其自動化 學生姓名:學 號: 指導教師單位: 姓 名:職 稱:題目類型:理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 年6月3日1摘 要隨著煤炭開采技術的發(fā)展,井下煤炭生產(chǎn)需要極大功率的電機設備進行作業(yè),對于現(xiàn)有機電控制設備,其精度及安全的要求也越來越高。煤礦井下的安全事故大多都是由機電控制設備高電壓啟動,瞬時產(chǎn)生的能量電弧和電火花引起,所以就要求井下作業(yè)的高電壓高功率隔爆箱具有耐爆性和隔爆性。特別針對于在嚴苛環(huán)境下,比如井下作業(yè)所使用的設備必須滿足標準GB 38362010要求的防爆設備標準要求,以保證煤礦的安全正常生產(chǎn)。大功率隔爆箱的外殼的組成是剛性的,由一定強度的鋼板或鑄鋼、鑄鐵等金屬材質制成的機械結構,并具有一定的耐爆性能。在容積箱體內部發(fā)生不穩(wěn)定的爆炸時,箱體不完全密封的結合面變形量應小于許用變形量,以阻止容積箱內爆炸向容積箱外傳播。礦用隔爆箱的金屬外殼是由六面板組成的封閉長方體形狀箱體,其加工形成一般使用鋼板焊接或直接鑄造等方式。其各金屬面板在設計遵循彈性小撓度理論,以機械設計手冊公式為原理,對各面板進行進行應力、變形計算,選取最佳形狀尺寸??紤]到礦用隔爆型的快開門結構設計的實用性,根據(jù)以上強度剛度分析計算結果,確定礦用隔爆電氣設備外殼的壁厚,快開門結構形式,對計算結果進行了分析討論,給出了結構的改進意見。關鍵詞:隔爆外殼;耐爆性;隔爆性;快開門結構- 2 -AbstractWith the development of coal mining technologies, underground coal production requires a great deal of electrical power equipment operation, the existing mechanical and electrical control equipment, precision and safety requirements are also increasing.Most coal mine accidents are initiated by mechanical and electrical control equipment high-voltage, arc and spark energy generated to cause instantaneous, so it requires a high voltage, high power underground work flameproof tank burst and explosion resistant properties.In particular for devices in harsh environments, such as underground work must use explosion-proof equipment meet the standards GB 3836-2010 standards required to ensure the safety of mine normal production.Composed of high-power flameproof enclosure box it is rigid, by the strength of certain steel or cast steel, cast iron and other metal materials made of the mechanical structure, and has a certain resistance to explosive properties. The explosion occurred in the volume of instability inside the box, the box is not completely sealed surface should be less than the combined amount of deformation allowable amount of deformation, to prevent an explosion inside the volume to volume spread outside the box.Mine explosion-proof metal tank shell is closed rectangular box shape composed of six panels, which is processed to form the general use of steel plate welded or direct casting method. In the design of its metal panels to follow the elastic small deflection theory, Mechanical Design Handbook formula principle, each panel stress, deformation calculation, select the optimum shape and size. Open the door structure taking into account the mine explosion-proof design of practical, according to the intensity of the above stiffness analysis results to determine the mine wall thickness, in the form of Open the door structure flameproof electrical equipment enclosure, the calculation results are analyzed and discussed, to a structure improvements.Key words: The flameproof enclosure; The resistance blastability; Explosion-proof performance; Open the door structure- 4 -目 錄1 緒論11.1 隔爆箱設計調研情況11.2 隔爆箱設計要求與數(shù)據(jù)參數(shù)11.3 主要設計思想12 隔爆箱總體結構設計22.1 工作要求分析22.2 結構設計22.2.1 形狀的選取22.2.2 材料的選取22.3 總體設計方案分析33 外形尺寸設計33.1 隔爆壓力分析33.2 具體外形尺寸設計43.2.1 外殼變形參數(shù)計算43.2.2 矩形外殼壁厚選取54 蓋板與法蘭設計84.1 蓋板與法蘭彈性變形計算84.2 蓋板和法蘭厚度選取95 隔爆箱的快開門優(yōu)化設計115.1 接線腔法蘭與蓋板連接115.2 主腔快開門卡塊結構設計125.3 U型卡塊結構計算155.4 快啟門方式結構設計165.5 偏心式滑塊快啟門結構計算186 隔爆箱開箱保護開關設計216.1 開箱保護自鎖開關結構設計216.2 安全結構開關尺寸設計227 其它部分設計237.1 接線端子設計237.2 電氣間隙和爬電距離設計267.3 下支架設計277.4 水壓試驗設計277.5 部分零件設計要求27- 5 -8 結論28謝辭29參考文獻:30畢業(yè)設計(論文)報告用紙第 34 頁 共30頁畢業(yè)設計(論文)報告用紙1 緒論1.1 隔爆箱設計調研情況煤礦、鐵等礦產(chǎn)資源是人類社會賴以生存的重要物資,其開采及運輸過程需消耗巨大的動力,目前主要依靠電力或大功率防爆柴油機,井下作業(yè)環(huán)境通常伴隨瓦斯等可燃氣體。由于井下動力設備具有功率大、外漏明火的特點,為確保施工安全,所有設備必須配備性能可靠的隔爆系統(tǒng)。隨著煤炭井下作業(yè)要求的提升,采及運輸過程需消耗巨大的動力,許多煤礦井下所需要大型機械需要更高的功率電氣設備,井下用電負荷同時也在成倍增長,由于已經(jīng)地面供電系統(tǒng)容量小,往往難以滿足井下大功率(1000kW以上)高壓電機的啟動要求。目前主要依靠電力或大功率防爆柴油機,井下作業(yè)環(huán)境通常伴隨瓦斯等可燃氣體。由于井下動力設備具有功率大、外漏明火的特點,為確保施工安全,所有設備必須配備性能可靠的隔爆系統(tǒng)。以礦井井下電氣應用為例,長期以來,井下一直沒有隔爆型高壓啟動設備,即便是可直接啟動的高壓電機也是用隔爆真空配電裝置中的真空斷路器來控制高壓電機的啟、停,給瓦斯突出礦井井下高壓電機的配電帶來困難。1.2 隔爆箱設計要求與數(shù)據(jù)參數(shù)(一) 設計總體方案應綜合考慮標準、需求、功能、經(jīng)濟等方面影響因素;(二) 本設計可供電壓660V范圍系列軟啟動器共用;箱體采用矩形結構,主腔最小有效內腔容積125L;機械式開箱保護;(三) 遵循相關國家標準、行業(yè)標準繪制產(chǎn)品總裝圖、部分主要零件圖,工程圖紙表達準確、清晰、規(guī)范;1.3 主要設計思想井下作業(yè)環(huán)境通常伴隨瓦斯等可燃氣體。由于井下動力設備具有功率大、外漏明火的特點,為確保施工安全,隔爆箱設備必須具有性能可靠的隔爆能力。將礦用電氣產(chǎn)品的啟動元件放在特制的隔爆箱的箱體內,在高壓啟動的過程中,需要經(jīng)過軟起動的方式進行一拖一的軟起動方式,但是在啟動的過程中,會產(chǎn)生極大的爆炸沖擊力,因此該箱體具有將箱體內部引起爆炸的火花或電弧與箱體外部周圍的爆炸性氣體粉塵等隔離開來作用,并且能承受通過箱體的內部電氣設備引起的火花和電弧引起爆炸時所產(chǎn)生的爆炸沖擊力,不使箱體被變形損壞?;诮饘俨牧系膹椥院蛷椝苄岳碚?,對礦用隔爆金屬外殼的強度、剛度進行分析,以氣體爆炸的原理設計為基礎,參考選擇隔爆型電氣設備,設計隔爆箱的具體參數(shù)尺寸,以便在產(chǎn)品承載性能試驗之前就可以得到比較合理的設計參數(shù),參考快開門結構,優(yōu)化設計其可用簡易結構,提高礦用隔爆外殼設計的質量和效率。2 隔爆箱總體結構設計隔爆箱的正常工作需要具備極大的機械強度,對于大功率的隔爆軟起動,在使用的過程中,需要有極好的隔爆和耐爆性能,在其殼體的結構選擇上,不同的形狀和材料有著不同的機械性能基礎,所以選擇好的結構設計有利于提高隔爆箱的性能。2.1 工作要求分析隔爆箱殼體由鋼板結構組成,在密封狀態(tài)下,受到爆炸沖擊力的作用下,需具有較強的剛度和特性,因此隔爆箱應該滿足2個工作要求:(一) 耐爆性,由于殼體具有很強的機械強度,當內部危險氣體的爆炸(瓦斯等可燃氣體和粉塵)爆炸時,不會發(fā)生塑性變形以及極限損壞,其特性由金屬材質強度和殼體結構機械結構強度來決定;(二) 隔爆性,當隔爆箱內部產(chǎn)生爆炸后,箱體雖與外界可燃氣體接觸,但其由于電氣設備失效產(chǎn)出的電弧引起的爆炸火花不能透過隔爆接合面,使外部可燃氣體發(fā)生爆炸。殼體隔爆面的結合間隙和法蘭寬度決定了其隔爆性能。1 2.2 結構設計2.2.1 形狀的選取隔爆外殼的幾何形狀多種多樣,其大部分的幾何形狀為長方體和圓柱體等形狀,由于長方體外殼的結構簡單,利于電氣設備的安裝搭設,能充分利用殼體的內腔空間,并且在大量的理論實踐中證明:隔爆體在相同容積、不同形狀的形態(tài)下,球形殼體的爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊壓力最大,長方體殼體爆炸沖擊壓力最小,因此,隔爆外殼多采用長方體形狀。2 根據(jù)設計要求,本次設計的箱體擬采用矩形結構,主要形狀參數(shù)為主腔最小有效內腔容積125L,故可以得到主腔的內腔容積尺寸為500mm500mm500mm。2.2.2 材料的選取井下所使用的防爆箱殼體材料,按照國家標準規(guī)定主要為鑄鋼、鑄鐵、鋁合金等材料。對于大部分高功率啟動隔爆箱殼體必須采用鋼板或鑄鐵構成,目前應用較多的材料為Q235碳素結構鋼,多數(shù)為平板結構。為追求最大的價值利益,其“性價比”是至關重要的指標,隔爆箱除了技術性能上的優(yōu)點為,制造價格也是決定產(chǎn)品質量的重要因素之一。依據(jù)標準GB3836.2-2010規(guī)定的設計要求,設計體積較大的防爆箱殼體時,增加殼體結構板材厚度,會使整個設備重量增加,不利于隔爆箱的起吊運輸,同時也增加了其制造成本。因此,在滿足安全可靠的前提下,隔爆外殼用鋼材的選擇應滿足GB3836.12-2010的要求,同時應符合強度、力學性能和彎曲性能的要求。在鍛件制造中,隔爆殼體法蘭、快開門裝置和隔爆套在鍛造過程中,必須控制鍛造溫度,不容許有鍛造缺陷。并且其材料等級應不低于HT150,不能在其加工面附近設澆注口,鑄造后不應有太多的氣泡和密集的砂眼,影響工件質量。本次課題選定為:隔爆箱外殼采用的材料為碳素鋼Q235-A,屈服極限=240Mpa,強度極限取=400Mpa。2.3 總體設計方案分析隔爆型控制箱體的設計依據(jù)為隔爆原理,根據(jù)國標防爆標志GB3836.2-2010,在控制箱體設計中,選定隔爆箱的基礎參數(shù)之后,最重要的是分析合理的隔爆面尺寸和外形參數(shù)以及整體箱體的結構強度計算,使設計的隔爆箱滿足隔爆和耐爆性能要求,隔爆型控制箱體設計參數(shù)為主要爆炸的瞬間沖擊壓力、隔爆箱體各壁面的最大應力變化值、位移值和安全系數(shù)。隔爆箱在內部可燃氣體遇到機電設備啟動時的電弧等引起爆炸時,會產(chǎn)生大能量,在理論密閉的隔爆箱內,對各壁面造成巨大沖擊載荷,因此對于爆炸產(chǎn)生的壓力理論值計算,以及矩形外殼內壁的厚度計算是隔爆箱安全性的重要組成部分。在隔爆箱的優(yōu)化設計中,優(yōu)化其生產(chǎn)質量,既對其材料尺寸和性能做強化設計,使用最佳的尺寸參數(shù)。針對對于隔爆箱的使用情況,參考大多數(shù)的隔爆箱的結構設計,其使用的連接方式多數(shù)為法蘭螺栓連接的方式,在使用中,雖然可靠性強,但是在開門和關門的過程中,十分不便利與利用,在設計過程中,對于主腔的快啟門結構的優(yōu)化設計是隔爆箱外形設計的高效設計方案。本課題中,具體優(yōu)化設計方案為:隔爆壓力的計算,矩形外殼內腔壁厚的選取,蓋板和法蘭厚度的選擇和快啟門結構設計。3 外形尺寸設計隔爆箱的外形尺寸設計主要有隔爆壓力的計算以及外殼變形的參數(shù)變化、箱體面板的厚度分析計算。根據(jù)基本材料參數(shù),決定其工作的性能和優(yōu)越性。3.1 隔爆壓力分析參考王啟龍隔爆殼體的設計研究2 研究表明,當密閉容器中可燃氣體爆炸時,爆炸壓力既產(chǎn)生氣體生成物的最初瞬間的沖擊壓力在忽略隔爆箱中電氣設備的容積變化的條件下,根據(jù)波義耳-馬略特定律,得爆炸前后后壓力變化公式為: (3-1)式中:氣體爆炸后的壓力,單位為帕(Pa)氣體爆炸前的壓力,一般為Pa(為一個大氣壓)。氣體爆炸后的絕對溫度;氣體爆炸后的絕對溫度;氣體爆炸后的溫度,由于井下爆炸的主要來源為爆炸氣體和粉塵混合物,主要含量為甲烷氣體,若其濃度8.5%,則在密閉空間爆炸燃燒后最高可達2650,一般可達18002200。爆炸前的溫度,一般常溫為1517 (3-2)在課題設計爆炸后溫度下,隔爆控制箱體承受的爆炸壓力位8.38.5,但是由于爆炸生成物在箱體內自由擴散,會引起熱損失并以熱量等其他方式釋放一部分能量,因此爆炸后的溫度大約為1800,理論計算中爆炸壓力為在左右。考慮到實際使用中具有一定的變化因素限制,取設計壓力位 。除了考慮材質強度提高殼體的耐爆能力外,殼體容積、散熱面積和隔爆參數(shù)等同樣也影響著殼體耐爆性能。但是在相關實驗中表明,實際爆炸壓力對于容積的大小的影響很小,不過在殼體容積相當時,其表面的散熱面積的不同對爆炸壓力的影響很是巨大,并且外殼結構的間隙還對爆炸壓力的隔爆性起很大的作用。既在隔爆面間隙大小相同,而容積不同的情況下,若隔爆箱內腔容積愈小,間隙對壓力的影響就越大。為了減少由電氣設備失效所引起的爆炸對外部氣體的威脅,必須同時從隔爆殼體的材料、尺寸和配合質量等方面提高殼體的隔爆性和耐爆性。3.2 具體外形尺寸設計3.2.1 外殼變形參數(shù)計算參考孫海林隔爆電氣設備外殼強度分析及參數(shù)化設計3 的設計方案,根據(jù)彈性和塑形強度理論可知,矩形結構外殼的殼壁可視為在整個板面上,爆炸的壓強對各板面受力,其受力形式為均布載荷,由于板面為四邊固定的等厚矩形板模型。根據(jù)彈性和塑形強度理論力學計算,最大應力點應位于在矩形長邊的中心位置,設改點為最大應力變化點P,則其最大撓度位置也位于四邊固定板面中心,設為最大撓度位置點O。當矩形相鄰兩板之間的夾角為銳角并相交時,則應力將增加;但若其相鄰兩板我為圓角相交時,由計算數(shù)據(jù)可知應力集中將會大大降低。對與殼體四周側面的變形,只要不影響外觀,允許具有一定余量的塑性變形,否則根據(jù)材料力學理論設計需要增加壁厚或加強筋,這樣不僅能完全利用材料的強度,還減輕減輕產(chǎn)品的重量,降低加工成本。故板面中心的最大彎曲正應力為: (3-3)其最大撓度: (3-4)上述公式中, 系數(shù)與矩形長和寬比值關系見表3-1;b為矩形板的寬度,mm; 為實驗壓力,;t為矩形板的厚度,mm;E為材料的彈性模量。表3-1 系數(shù)和關系表a/b11.21.41.61.8220.30780.38340.43560.4680.4870.49740.50.01380.01880.02260.02510.02670.02770.0284其板面中心的最大彎曲正應力根據(jù)公式(3-3)為: 其最大撓度根據(jù)公式(3-4)為: 3.2.2 矩形外殼壁厚選取參考肖林京基于SolidWorks的礦用隔爆箱彈塑性力學分析5 設計理念,在設計時盡量在板與板相交處靠圓角相交,以圖3-1的結構簡圖為設計標準表示。 底面板面由于爆炸會使隔爆接合面產(chǎn)生永久性的塑性變形或彈性變形,保證其不超過允許規(guī)定值,將不會影響到隔爆性能。因此隔爆接合面(蓋板和法蘭的結合面)是隔爆外殼強度計算的關鍵。圖3-1 四邊固定的等厚矩形板模型圖 根據(jù)第三強度理論,引起材料屈服的主要因素是最大切應力,而且不論材料處于何種應力狀態(tài),只要最大切應力達到材料單向拉伸屈服時的最大切應力,材料既發(fā)生屈服,其相應的強度條件為: (3-5) 相當應力: (3-6) 即: (3-7)式中, 為Q235材料屈服點,=240Mpa; n為材料Q235屈服極限的安全系數(shù),一般取n =1.25。 因此,在隔爆型外殼無加強筋的情況下,矩形外四周外壁厚度t 可根據(jù)式(3-5)與式(3-6)得出: (3-8)按照技術要求,單位面積上的橫向壓力P均取7.5Mpa,系數(shù)和取0.3078和0.0138。其矩形外殼底板厚度t根據(jù)式(3-8)得: 由于左右側板與前后側板的長寬比例相同,可以忽略其微小誤差,其板面厚度根據(jù)式(3-8)得: 根據(jù)上述公式(4-3)和(4-4),使用插值法計算可求得主腔體整體板件的橫向位移和最大應力,如表3-2 表3-2 殼體外形尺寸板對應的橫向位移和最大應力外形尺寸(mm)厚度(mm)短邊長(mm)板橫向位移(mm)最大應力(Mpa)底板530x530x16165300.9122.56左右側板500x530x885006.815.33前后側板500x530x885006.185.33為了加強側板間的強度要求如圖3-2所示,在加入加強筋后,模擬加強筋處結構,根據(jù)材料力學理論分析,其成簡支條件,每塊板可以被筋條隔成三塊板,分析可得加強筋后,各板件的結構撓度和應力變化值,然后根據(jù)變化初步確定其厚度。圖3-2 主腔體加筋條板計算簡圖在實際的腔體中其加強筋板塊的具體分布示意圖如圖3-3所示圖3-3 加強筋板具體示意分布圖根據(jù)實際計算可得表3-3 接線腔及主腔體邊界條件位移和應力結果表3-3 接線腔及主腔體邊界條件的位移和應力結果外形尺寸(mm)厚度(mm)短長邊(mm)板最大橫向位移(mm)最大彎矩(Nm)最大應力(Mpa)接線腔左右側板350x300x883000.76895.781.73前后側板376x300x883000.56875.621.41主腔體底板530x530x16165300.912938.82.56左右側板500x530x885000.7941077.752.81前后側板500x530x885000.7941077.752.814 蓋板與法蘭設計隔爆箱的隔爆和防爆原理除了體現(xiàn)在整體機械強度的特性之外,還體現(xiàn)在接線腔和主腔與外界相隔離的法蘭接合面的間隙大小和夾緊結構。隔爆箱是為了隔離機電設備啟動時環(huán)境與外界環(huán)境的隔離,所以在設計的過程中,需要設計蓋板與法蘭結構來保證隔爆箱在危險情況下的有效利用。4.1 蓋板與法蘭彈性變形計算在實際隔爆箱設計過程中,蓋板和法蘭結合面在承受爆炸沖擊的壓力下,由于上腔接線腔不是位于主腔的主要爆炸點,因此在變形中,主要以主腔設計為主,其變形接合面部分的兩個部分的彈性變形之和不能超過許用的間隙。法蘭厚度比殼體厚度要厚得多,則強度不必校核,但其剛性必須校核。隔爆箱多為蓋式結構,故隔爆箱接合面為平面法蘭式結合,根據(jù)要求,蓋的隔爆結合面的最小有效長度L25mm。5 根據(jù)機械工程師手冊中對最大變形位置的受力分析及撓度計算。由于是固定外殼的結構,所以法蘭板的邊界條件應設為:兩短邊簡支,一長邊固定,兩長邊自由。得其主要變形參數(shù)為:最大撓度: (4-1)蓋板的邊界條件為:兩短邊簡支,兩長邊自由。 最大撓度: (4-2)k1, k2是根據(jù)板的寬長比不同的系數(shù),查閱設計手冊,可選定板件在長寬比2以上時,可取k1=0.12, k2=0.14。代入蓋板和法蘭尺寸和k1和k2的數(shù)值,計算結果如表4-1所示:表4-1 蓋板和法蘭最大變形的計算結果法蘭厚度t(mm)法蘭寬度a(mm)最大變形(mm)接線腔蓋板368mmx368mmx1818320.025接線腔法蘭368mmx368mmx1818320.021主腔蓋板474mmx474mmx2222620.064主腔法蘭474mmx474mmx2222620.055由于接線腔箱體法蘭和蓋板的接合面不是爆炸沖擊的主要點,為了方便使用,蓋板與法蘭之間的連接是用螺栓或螺釘聯(lián)結,根據(jù)受力結果分析,螺栓(螺釘)緊固足夠符合其安裝精度。但是主腔蓋板和法蘭之間由于承受巨大沖載,其板中心受力后產(chǎn)生的扭力使隔爆結合面上的變形方向與壓力方向相反,并且在使用的過程中,其關閉和開合的頻率較高,所以使用其他的結構方式進行結合。4.2 蓋板和法蘭厚度選取由于隔爆面(既法蘭和蓋板接合面)為標準值,根據(jù)標準可知其接合面的寬度和間隙決定著個保姆的隔爆性能,因此經(jīng)過查閱國家標準手冊可得,其接合面寬度的最小值L和接合面間隙W數(shù)據(jù)對應表如表4-2:5 表4-2 接合面寬度的最小值L和間隙W的對應數(shù)據(jù)平面接合面和止口接合面寬度L(mm)與外殼容積V(L)對應的最大間隙W(mm)安全系數(shù)為1.5時的允許間隙(mm)V100V1006L12.50.30.3-12.5L250.40.40.13325L0.50.50.2根據(jù)設計要求,可得騎許用撓度之間的關系式: (4-3)既:蓋板許用撓度+箱體法蘭許用撓度(隔爆結合面的允許間隙W-平面度公差B)/安全系數(shù)s由于結合面為了符合結合標準,經(jīng)過鏜削或車削加工,并進行高精度的配合研磨,取平面度公差B取0.2mm。s為安全系數(shù),取s=1.5。門蓋板許用撓度+箱體法蘭許用撓度不同,使用分配系數(shù)來區(qū)別其大小。邊界條件下法蘭的板最大撓度: (4-4)有上式最終可得法蘭最小厚度的公式: (4-5)其中:l是簡支對邊距離,單位m; t是法蘭板的厚度,單位m; c是應力系數(shù),板的長寬比。k是箱體法蘭和蓋板間隙的分配系數(shù),其和為1。對箱體法蘭來說,由于剛度較好。故k可取小些,這里取0.4;對蓋板與箱體法蘭相比較,剛度較差,k相應取大些,這里取0.6。這里不考慮結合面維修余量,腐蝕公差等非控制因素,如果需要考慮,增加法蘭之間的厚度。另外,根據(jù)設計要求在雙面焊接和100%無損傷時,取焊縫系數(shù)為1。根據(jù)以上的分析,將上腔和主腔具體數(shù)據(jù)代入式(4-5),其中焊縫系數(shù)為1,可以得到法蘭最小厚度的理論計算結果。如表4-3所示。6 7 表4-3 各箱體法蘭最小厚度計算結果參數(shù)螺栓間距(mm)法蘭允許最大間隙W(mm)法蘭最小厚度t(mm)法蘭最小厚度(考慮焊縫系數(shù))(mm)與原設計厚度與理論最小厚度差值(mm)接線腔1230.111.2314.20-3.12主腔體1280.118.3418.02-2.54同樣得到蓋板最小厚度的理論結果,如表4-4表4-4 各箱體蓋板最小厚度計算結果參數(shù)螺栓間距(mm)法蘭允許最大間隙W(mm)法蘭最小厚度t(mm)法蘭最小厚度(考慮焊縫系數(shù))(mm)與原設計厚度與理論最小厚度差值(mm)接線腔1160.112.7616.40-3.35主腔體1370.119.9020.53-2.74可以從上表看出蓋板比起箱體法蘭的厚度大約厚8%左右,由于分配系數(shù)不同而得。實際工作中隨著安全系數(shù)的取值不同,最小厚度也會有所變化。外殼上的公制螺紋孔的公差等級應為GB/T197-2003和GB/T2516-2003規(guī)定的6H或以上,且螺紋隔爆面需要有防松有措施。補充說明若接合面可被電鍍,此時,金屬鍍層不應應超過0.008mm,技術要求中需明確寫出。5 隔爆箱的快開門優(yōu)化設計參考大多數(shù)的隔爆箱的法蘭與蓋板連接設計,大部分的連接均采用螺栓(或螺釘,以下以螺栓設計為模板)連接,在實際的使用過程中,隔爆箱的開啟使用頻率大多集中在主腔的開啟和關閉,所以使用螺栓緊固這種方式,對于高頻率的開啟和關閉的主腔蓋門不合適,不僅不方便于實際過程中的使用,螺栓的緊定誤差的累積也影響著隔爆箱的隔爆性能。故選擇接線腔使用螺栓緊固的方式,主腔體使用開啟門的優(yōu)化方案。接線腔使用螺栓緊固的方式連接法蘭和蓋板,則需要進行校核強度,由于腔體對蓋板的載荷較小,選擇合適的螺栓個數(shù),保證其工作的穩(wěn)定和安全,個數(shù)的多少影響著其結合面密閉性和安全。其接線腔和主腔接合面密封具體設計方案如下:5.1 接線腔法蘭與蓋板連接參考李軍,礦用隔爆型矩形箱體外殼強度設計計算6 理論,由于矩形殼體是對稱結構,適宜偶數(shù)個螺栓,由材料力學和機械設計可知蓋板總拉力均勻分在各個螺栓(螺釘)上。當超過螺栓(螺釘)許用拉力時就加一對螺栓(螺釘),但當長寬比接近1時螺栓向上取整時要取4倍數(shù)為宜,以便長短邊螺栓(螺釘)的間距相近。設計中,接線腔合理的螺栓(螺釘)間距l(xiāng)應為螺栓(螺釘)公稱直徑的7-10倍,壓力容器的封閉內壓小于1.6Mpa時取7倍,一般聯(lián)結取10倍螺栓(螺釘)直徑。由于接線腔壓力比主腔壓力小,在對照GB3836.1中規(guī)定,選擇實際工況為1Mpa。根據(jù)機械工程手冊,得到 (5-1)其中:是預緊系數(shù),在軟墊片和靜止載荷時取1.5-2.5,這里取1.5。 是螺栓相對剛度系數(shù),在蓋板使用剛性墊片和彈性墊片結合時取0.9。 是受力面的實際總受力大小,由工況壓力既法蘭結合面在連接時受到壓強與面積乘積得到。依公式(5-1),得接線腔的總受力為: 許用應力是螺栓材料的屈服極限,通常螺栓為45鋼,則其屈服極限為:根據(jù)機械工程手冊,考慮控制預緊力,不設計預緊力大小時,安全系數(shù)將取2-5,使螺栓直徑d過大。由于箱體屬于剛性密封,需要控制其預緊力,故其安全系數(shù)s應取1.2-1.5。最終確定螺栓的許用應力在安全系數(shù)s=1.2時為300Mpa算出各型號螺栓的實際許用拉力為: 其中是相應螺栓的螺紋底徑面積(d=8,10,12,16mm)上腔的蓋板受力面尺寸是0.368mmx0.283mm,可得其總體長寬比為1.3 ,在設計腔體內壓為1Mpa下受到的總壓力為F=151200N.若使用M8螺栓個數(shù).根據(jù)機械設計安全規(guī)定,螺栓個數(shù)應取整數(shù)位最佳,并最好去偶數(shù)被的螺栓(螺釘)個數(shù),因此向上去偶數(shù)16,布置方式可以是四角4個,每邊中間各3個,間距為73.6mm,間距偏小。若使用M10螺栓個數(shù).為安全起見,螺栓個數(shù)向上去偶數(shù)10,布置方式可以是四角3個,每邊中間各兩個,間距為92mm,間距合適,故上腔蓋板選取M10螺栓10個最為合適。5.2 主腔快開門卡塊結構設計參考常雪飛常雪飛,幾種快開門結構的防爆殼體J.煤礦機械,2010.11 P155-1578 的設計,快開卡塊門或蓋是利用快啟門結構,在其運動軌跡中能實現(xiàn)其門或蓋在其限定方向上的移動或轉動等,如使用門板平移,使門或蓋平移一段距離,讓卡塊離開限定位置,或著輪子的轉動,使卡塊離開限定位置等,實現(xiàn)打開或關合的門或蓋的功能。由于受到極大爆炸載荷的作用,所以快開門卡塊是外殼連接最危險的的部位,極易產(chǎn)生失效和安全事故。因此設計合理的卡塊形狀以及選定安全的安裝位置是隔爆型正常使用的重要部分??扉_門卡塊裝置的結構使操作大致分為兩個步驟完成,第一步使門和蓋板實現(xiàn)相對位置的移動,第二步實現(xiàn)門或蓋的安全脫離動作,這就是快開門卡塊的開啟動作順序,反之,則為門或蓋的關閉動作。因此在隔爆面,卡塊受到很大的載荷,未來保證能夠起到密封隔爆的作用,需要對其卡塊的結構進行強度校核以及受力分析,確保能安全使用,并且要求在使用卡塊結構后能充分體現(xiàn)與螺栓(螺釘)緊固的可靠性,還應具有極高的工作效率和優(yōu)越的結構性能。8 (一) 卡塊連接結構按照門或蓋的結合形狀形狀可以分為圓形結構和方形結構,比較快開門卡塊的開啟和關閉方式的不同,大致可以分為門體平動操作結構、門體轉動操作結構和偏向輪轉動操作結構等,同時,由于卡塊的形狀的不同,也可大致將卡規(guī)、卡槽、或卡板等結構分為可分為U型、L型、T型卡塊結構和E型(或齒型)等。1.緊固件 2.殼體法蘭 3.門板 4.U型卡塊圖5-1 U型卡塊結構1.緊固件 2.殼體法蘭 3.門板 4.U型卡塊圖5-2 L型卡塊結構1.殼體法蘭 2.門板 3.T型卡塊圖5-3 T型卡塊結構1. 殼體法蘭 2. 門板3.T型卡塊 4.緊固件圖5-4 E型卡塊結構(二) 槽型開口連接結構槽型結構中卡塊通過安裝在門或殼體的法蘭上,用螺栓或螺釘緊固的固定件或者腔開口做成自帶螺紋的結果,在門或蓋關閉或打開過程中,通過對外力對其作用力,使其在固定的行程中產(chǎn)生平移,讓其從限定的卡槽中做出相應動作或軌跡,從而實現(xiàn)對門或蓋的關閉或打開。當隔爆箱電源開啟,軟起動程序進行的時候,門或蓋與殼體法蘭在外力的作用下,到達指定位置,由于受到卡塊的約束,其不能產(chǎn)生有效移動,不會使隔爆結合面間隙存在增大的位移,保證其安全性。當隔爆箱內部產(chǎn)生巨大的爆炸載荷的同時,門或蓋受到內部爆炸載荷的作用,在其瞬間,爆炸沖擊力對隔爆型門板具有向外的作用效果,卡塊的作用就是約束其相對位移,控制隔爆間隙該沖擊壓力,限制門或蓋與隔爆型殼體法蘭之間隔爆間隙存在增大趨勢,使其不能達到傳爆極限,實現(xiàn)隔爆的目的。(三) 平面結合結構平面結合結構是不同的卡塊分別與門或蓋法蘭和殼體法蘭之間通過平面接合,其工作原理及隔爆機理同槽型開口結構相同,通過卡塊之間的平面接觸,達到卡緊隔爆面的目的。該種結構對最終隔爆間隙影響是主要因素為構成接合面平面本身的平面度,并且隔爆間隙不受構件的尺寸公差所主要限制因素。綜合考慮各種快開門開合結構,在實際的生產(chǎn)和設計中,選用U型卡塊結構為設計方向,結構簡單,便于實際加工過程中的利用,具有良好的連接強度,能保證隔爆外殼在主腔門或蓋關合好,與螺栓連接方式相比較,更具有方便、安全可靠,確保隔爆性能。技術要求需補充:裝配后吊起前蓋,測得隔爆結合面的間隙不大于0.25mm(或者:前門法蘭與外殼法蘭隔爆間隙應在出廠前調整為不大于0.25mm)。但是側視圖為0.3 ,出現(xiàn)矛盾,請更改一致.剖面圖中,觀察窗的部分,無法判斷金屬墊的位置,請確定金屬墊在觀察窗中的具體位置。5.3 U型卡塊結構計算U型卡塊,在箱體內部發(fā)生爆炸時,由于其爆炸載荷的作用,爆炸載荷對門板的壓力大部分作用于門板和法蘭的連接上,因此U型卡塊平均受力,每個卡塊受到剪切、拉伸和擠壓的作用力,在選用U型卡塊結構上,必須校核其隔爆性能,并選用最佳的設計尺寸,確保其安全使用。(一) 隔爆性能計算主腔內爆炸壓力為7.5Mpa,U型卡塊結構選用45號鋼,固定方式為螺釘緊固,根據(jù)表3-1常用調質鋼經(jīng)調質熱處理后的力學性能,可知其屈服極限=355Mpa,拉伸極限=590Mpa以及剪切極限為=0.7=242Mpa,安全系數(shù)為n=1.5。表5-1常用調質鋼經(jīng)調質熱處理后的力學性能鋼號同意數(shù)字代號力學性能/Mpa/Mpa/%/%/J45MnU2140259035517454745Mn2A00452885735104547(二) U型卡塊結構校核U型卡塊的結構如圖5-5,L為卡塊限制位的長度,B為連接兩門板和蓋板的法蘭厚度之和,卡塊由螺釘固定在門板或蓋板上。經(jīng)過材料力學受力分析可知,在受到蓋板的壓力下,在不同截面內,U型卡塊受到來自內腔爆炸的拉伸力、剪切力和擠壓力作用,U型卡塊的連接選用足夠的強度螺釘緊固,考慮到U型卡塊受力變形,其分析如下:圖5-5 U型卡塊結構圖受到的擠壓應力為: (5-2)受到的剪切應力為: (5-3)受到拉伸應力為: (5-4)其中受到的作用力均為爆炸對U型卡塊所均分的力,已知其所受到的壓力位=126000N,則各截面的大小范圍為:具體計算可得 由上可知為了滿足U型卡塊的牢固性,必須選用最大截面作為基礎面,故根據(jù)GB3836.1-2010中的U型卡塊標準,得U型卡塊的形狀標準為:L=20mm,B=40mm,t=10mm,C=20mm等。選用M10的螺釘進行固定。5.4 快啟門方式結構設計參考徐桂軍,雙向礦用隔爆快開門9 的結構設計中,有多種不同的快啟門方案,在結構設計上,方便快捷,具有很高的實用價值。通過外置或內置的結構,實現(xiàn)門或蓋板的不同的位移方向,配合快開門卡塊結構,或者不考慮其卡塊結構,安全可靠的實現(xiàn)其需要的功能,使得門或蓋能快速并且安全的開合。其主要的移動方向分為平移和提升兩種移動軌跡,具體如下介紹:a. 平移式方式快啟門結構其典型平移式結構有很多,但大多數(shù)實際生產(chǎn)的快啟門結構中,以偏心軸式方式快啟門結構為主要設計方向,其結構和操作方式如下。(一) 結構: 如圖5-6所示,箱體鉸鏈通過焊接或者螺釘緊固的方式固定在在箱體側壁;門或蓋通過門鉸鏈焊接在門板上;滑動軸與箱體鉸鏈用鉸鏈軸連接;門鉸鏈套在滑動軸上,可在滑動軸上滑動;驅動軸穿入門鉸鏈上的孔,其端部偏心軸插入滑動軸上的U型孔中;扳手與驅動軸用銷釘固定連接。(二) 操作方式: 當門或蓋板處于緊密配合(既關閉位置時),通過逆時針轉動受到移動限制的扳手帶動上下兩個相對應驅動軸轉動,由于上下兩驅動軸端部通過平鍵或其他限制方式的偏心軸受到滑動軸上U型孔的限制,在驅動軸轉動的同時,門板受力只能向右水平移動,同時帶動門鉸鏈和門板向右平移,當門板的位移L大于與箱體的限位后(既法蘭連接卡塊結構最大控制位置時),即可將門打開。反之,則為關門時動作順序。1.驅動軸 2.扳手 3.鉸鏈軸 4.箱體鉸鏈 5.滑動軸 6門鉸鏈 7.門或蓋8.箱體圖5-6 偏心軸式方式快啟門結構1.頂板 2.扳手 3.6.門鉸鏈 4.箱體鉸鏈 5.鉸鏈軸 7.箱體 8.銷軸 9.門板圖5-7 外置偏心輪式方式快啟門結構b. 提升式方式快啟門結構參考大多數(shù)實際生產(chǎn)的快啟門結構中,可以看出提升方式結構簡單,安全性高,其主要以外置偏心輪式方式快啟門結構和外置旋轉鉸鏈快啟門結構為主要設計方向,現(xiàn)主要介紹偏置偏心輪式快啟門結構,其結構和操作方式如下。外置偏心輪式方式快啟門結構(一) 結構: 如圖5-7所示,頂板、箱體鉸鏈焊接(或用螺栓連接)在箱體側壁,門鉸鏈用螺栓連接在門板上,并在門或蓋板法蘭連接處設計一個承載結構。扳手圓盤用銷釘與門鉸鏈連接,銷釘孔與扳手圓盤構成偏心輪。扳手圓盤直徑與頂板與箱體鉸鏈之間距離相等。門鉸鏈和箱體鉸鏈用鉸鏈軸連接。(二) 操作方式: 在關門狀態(tài)時,向上扳動扳手,由于扳手圓盤受到頂板與箱體鉸鏈的限制,只能在頂板與箱體鉸鏈之間滾動,扳手在以銷軸為軸轉動的同時,帶動銷軸向上移動。由于銷軸穿在門鉸鏈中,在銷軸向上移動的同時,帶動門板向上移動,當門板的位移L大于箱體的限位后(既法蘭連接卡塊結構最大控制位置)時,即可將門或蓋打開。關門時需將扳手抬起,將門或蓋抬高后再關閉,當門板與箱體完全閉合時,向下扳動扳手,門或蓋下落,門或蓋與箱體的限位裝置貼合,達到關門的目的。反之,則為關門時動作順序。為了保證U型卡塊與快啟門結構配合,選用平移式方式快開門結構,偏心式方式快啟門結構,由于其制造簡單,結構便于利用。其主要動作順序為:當門或蓋處于關閉位置時,逆時針轉動扳手或者驅動軸,帶動上下偏心軸轉動,由于驅動軸端部偏心軸滑塊受到結構形狀U型孔的限制作用,在轉動的同時,受到手柄軸滑塊的限制,向右水平移動,使得快開門卡塊脫離箱體的限位,實現(xiàn)門或蓋打開動作。關門時動作與開門時相反。5.5 偏心式滑塊快啟門結構計算(一) 偏心軸設計a.確定偏心輪材料偏心軸材料主要有球墨鑄鐵和鍛鋼兩類。球墨鑄鐵的切削性能良好,可獲得理想的結構形狀,與鋼質偏心軸一樣可以進行各種熱處理和表面處理(滲碳、滲氮等)來提高曲軸疲勞強度、硬度和耐磨性。由于在偏心軸處受到的壓力對于精度的影響不大,所以偏心軸材料使用球墨鑄鐵。b.確定偏心距由于受到U型卡塊的限制,為了滿足卡塊能完全離開法蘭面,偏心距B必須大于卡塊的長度L,具體結構如圖6-8,當偏心軸繞著轉動軸轉動時,其運動軌跡為偏心軸向右和向下的位移量為一個偏心距B=10mm。轉動軸與偏心塊用平鍵固定連接,為了實現(xiàn)蓋門的向右移動,利用滑塊與門板連接,使滑塊在前后能自由移動,保證其連接的門板可以相對向右的移動。圖5-8偏心軸轉動示意圖經(jīng)設計,根據(jù)實際情況,可將偏心軸設計成有轉動軸和偏心塊連接在一起的偏心轉動軸,在轉動的過程中,為了消除偏心軸的前后移動,使用卡塊結構限制其移動,在另一方向,由于沒有受到限制,所以,偏心軸只能在水平方向移動。其結構如圖5-9所示。同時可以得到偏心軸和滑塊,與門板以及門鉸鏈之間的相對移動變化軌跡如圖5-10。 圖5-9 偏心卡塊與軸的安裝示意 圖5-10 偏心軸滑塊與門鉸鏈和門的移動變化(二) 偏心軸滑塊設計根據(jù)設計要求,驅動軸并沒有受到較大的載荷力度,其驅動軸選用直徑為20mm的軸,然后由于在U型卡塊的設計中,參考國家標準GB3836的設計要求,選擇U型卡塊的最大有效限制距離為10mm。所以偏心軸的偏心距和限制距離相等,為B=10mm,故可以確定偏心軸與滑塊的詳細參數(shù)為:軸=20mm,偏心軸=44mm,滑塊的尺寸為54mm54mm20mm。(三) 驅動軸設計由于驅動軸是驅動偏心軸與滑塊的主要動力,以及外加施載力的部位,所以根據(jù)設計特點,可將其驅動軸設計為圖5-11的結構形式,由于考慮到手柄的連接在實際使用中會造成較大的問題,當手柄破損時,會使受力變得艱難,所以將手柄設計為空心軸,并在某位置打個通孔,在實際使用中,可以使用身邊的工具進行驅動。圖5-11 驅動軸與其連接軸設計圖通過對驅動軸的設計,由于滑塊固定位置有一定厚度的板件,所以在驅動軸的距離端部一定距離設計一個軸肩,用于固定其安裝位置,并在頂部設計一個螺釘緊固,通過固定板固定于限定板間,由于其滑塊需要移動,軸需要轉動,所以改處不需要固定的很死。然后連接兩驅動軸使用3mm厚的軸,使用銷固定在一起,其具體結構如圖。(四) 整體固定方式綜合上述結構,可以設計出其整體與門板以及箱體的固定鏈接方式,如圖6-12所示,門鉸鏈的固定通過螺釘和板件在箱體上緊定,其移動固定端與鉸鏈用雙頭螺栓固定連接,然后偏心軸和滑塊的固定板通過焊接的方式固定在門板上。圖5-12 偏心軸和滑塊與箱體整體固定方式示意(五) 滑塊材料設計偏心軸與手柄連接,在手柄逆時針轉動時,只能保證向右的移動,要打開蓋板必須使得門板能夠向右移動一個L的距離,使得門板能夠與法蘭安全分離。由于手柄沒有受到極大的壓力與彎矩作用,所以需要極大的鋼性與強度。為了保證滑塊的可靠性,選用45號鋼,用于強度要求較高、韌性中等的零件。在向右移動的過程中,滑塊受到驅動軸偏心塊的作用力,因此必須保證在旋轉過程中不能存在卡死等的現(xiàn)象,根據(jù)機械設計手冊可得:滑塊移動偏心塊轉動條件: (5-6)其中,為最大滑動摩擦系數(shù); F為滑塊受到的偏心對其的總壓力; 為滑塊間受力與法線方向的夾角45號鋼的材料密度為7.85g/cm3,根據(jù)驅動要求設計,驅動軸受到轉動的力矩,分配到滑塊所受到的壓力位F=124N.查閱機械設計手冊和參考金屬材料的力學性能表可以得到,金屬材料摩擦系數(shù)表5-2??芍?,滑塊滑動摩擦系數(shù)為:表5-2 金屬材料摩擦系數(shù)表材料A材料B摩擦系數(shù)干摩擦條件潤滑摩擦條件靜摩擦滑動摩擦靜摩擦滑動摩擦高硬碳高硬碳0.160.12-0.14高硬碳鋼0.140.11-0.14鋼鋁族元素0.45鋼黃銅0.310.19低碳鋼黃銅0.510.44低碳鋼鑄鐵0.230.1830.133低碳鋼低碳鋼0.740.570.09-0.1945號鋼的在干摩擦條件下靜摩擦系數(shù)為0.74,滑動摩擦系數(shù)為0.57。根據(jù)公式(6-6)可知,滑塊受到的力與法線方向的角度為為,經(jīng)經(jīng)驗公式與結論校核,該設計參數(shù)符合要求。6 隔爆箱開箱保護開關設計由于隔爆型電氣設備的使用環(huán)境惡劣,極易引起瓦斯爆炸,在隔爆型電氣設備啟動時,會產(chǎn)生極大的能量,在隔爆箱沒有完成關閉的時候,箱體缺乏安全性,不安全啟動將箱體內部由于一些電氣部件產(chǎn)生的火花或電弧并與箱體外部周圍的爆炸性氣體粉塵引燃和引爆,所產(chǎn)生的爆炸壓力將會造成嚴重的事故。所以要保證隔爆箱的安全關閉之后才能啟動電源進行工作任務。6.1 開箱保護自鎖開關結構設計圖6-1 電源自鎖開關結構如圖6-1電源自鎖開關結構,當電源關閉的時候,手柄移動到關閉位置,通過導套和導桿的作用伸長一端距離,通過與門板上的自鎖裝置組合,限制門板的移動。在限制了門板的運動中,其原理為,通過與門板的固定板相配合,在門板受到驅動軸作用下,門板向右移動時,受到自鎖開關的作用,使其移動的過程受阻,并且該安全自鎖開關的作用為,當需要軟起動打開高功率電機時,弱電路開關開啟,在短暫的延遲程序下,微型電腦或者plc等控制系統(tǒng)操作隔爆箱里面的防爆繼電器,使得隔爆箱能滿足在箱體完全關閉的情況下,安全自鎖,防止突發(fā)的安全事故(隔爆面未安全密閉)的發(fā)生,起到防爆和隔爆的作用。如圖7-2所示,電源自鎖開關的安裝尺寸示意圖。圖6-2 電源自鎖開關的安裝尺寸示意圖6.2 安全結構開關尺寸設計由于自鎖在結構上,無較大的沖擊壓力及控制精度,只要保證在電源處于開啟狀態(tài)時,能夠可靠的阻止蓋門法蘭間的有效閉合,因此所有部件使用標準間,導桿與導套之間使用合適的尺寸與工差。但是在電源開啟的時候必須保證開關在完全到達限制位時才能開啟,因此在手柄必須設計精確,并在手柄電源連接處要有安全保護繼電器。所以為了保證手柄能可靠使根據(jù)設計要求,手柄設計如圖6-3所示。6-3 手柄設計圖根據(jù)手柄所需的動作,轉動的角度為70度左右(及開與關位置的轉動角度),可根據(jù)實際情況進行加工,繪畫出導桿的頂端與手柄接觸面的移動曲線為圖6-4所示:圖6-4 導桿的頂端與手柄
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