閆來清

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，太原 030006）

外殼抗沖擊試驗(yàn)是GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1 部分：設(shè)備 通用要求》中規(guī)定進(jìn)行的型式試驗(yàn)，屬于專用防爆型式相關(guān)的試驗(yàn)，其結(jié)果的好壞直接影響到防爆性能的好壞。

1 外殼抗沖擊試驗(yàn)方法研究

1.1 外殼抗沖擊試驗(yàn)裝置

抗沖擊試驗(yàn)是指設(shè)備應(yīng)承受直徑為25mm 的半球形且質(zhì)量為1kg 的淬火鋼制沖頭從指定高度h落下所產(chǎn)生的沖擊能量。沖擊試驗(yàn)點(diǎn)選擇通常被認(rèn)為樣品受沖擊最薄弱的點(diǎn)，且處于承受沖擊部位的外側(cè)。被試電氣設(shè)備或部件固定在最少20kg 的鋼制基座上，沖擊方向應(yīng)垂直于被試設(shè)備平面或沖擊點(diǎn)所接觸的切面。外殼抗沖擊試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 外殼抗沖擊試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)要求

試驗(yàn)前應(yīng)檢查沖頭端部的表面，不得有任何損傷。試驗(yàn)時，將沖頭從按嚴(yán)酷等級要求的高度沿法線方向自由落至被試件的最薄弱處。試驗(yàn)應(yīng)在裝配完好和準(zhǔn)備投入使用的電氣設(shè)備上使用，若無法直接試驗(yàn)，可將其部件裝于本身或類似的支架上進(jìn)行試驗(yàn)，例如透明件部件。如提供文件有適當(dāng)理由，可允許試驗(yàn)在空外殼上進(jìn)行。

對于金屬外殼、輕金屬外殼和透明件等的抗沖擊試驗(yàn)一般應(yīng)在環(huán)境溫度為（20±5）℃條件下進(jìn)行，但根據(jù)材料特性其在指定環(huán)境溫度范圍內(nèi)下限溫度下可使抗沖擊性能降低時，應(yīng)選擇在下限溫度進(jìn)行試驗(yàn)。對于非金屬外殼或外殼的非金屬部件（包括Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類電氣設(shè)備），試驗(yàn)應(yīng)在上限溫度和下限溫度條件下進(jìn)行。

對于玻璃透明件的抗沖擊試驗(yàn)，應(yīng)選擇三只樣品，每只樣品分別進(jìn)行一次試驗(yàn)。對于其他樣品，應(yīng)采用至少兩只樣品進(jìn)行試驗(yàn)，且每只樣品分別在兩個不同部位各進(jìn)行一次試驗(yàn)。其中非金屬外殼的抗沖擊試驗(yàn)，應(yīng)選擇兩只樣品，分別放入高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高溫10～15℃，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低溫5～10℃的高低溫試驗(yàn)箱中，等待試驗(yàn)溫度達(dá)到穩(wěn)定后，取出樣品并立即進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)。

1.3 合格判據(jù)

外殼抗沖擊試驗(yàn)完成后，判斷試品是否合格，合格判據(jù)如下：

1）外殼沖擊試驗(yàn)產(chǎn)生的損傷不應(yīng)使設(shè)備的電氣防爆型式失效，但設(shè)備外殼輕微的損壞、表面涂漆的脫落、散熱片或其他類似元件的破裂和輕微凹陷可忽略。

2）鋼化玻璃及網(wǎng)罩在試驗(yàn)后不應(yīng)有破裂，變形等現(xiàn)象的發(fā)生。

3）外風(fēng)扇的保護(hù)罩、通風(fēng)孔擋板和電纜引入裝置經(jīng)過抗沖擊試驗(yàn)后，不得出現(xiàn)位移或變形，不應(yīng)與活動部件相互碰撞或摩擦。

2 外殼抗沖擊影響因素分析

2.1 設(shè)備材料類別

對于外殼、外殼的金屬和非金屬部件，按照防爆型式試驗(yàn)的要求，首先應(yīng)進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，且抗沖擊試驗(yàn)產(chǎn)生的損傷不應(yīng)使電氣設(shè)備防爆型式失效。對于不同的設(shè)備材料類別，對材料特性的要求也不同。以下對每種不同材料的外殼進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響分析如下。

1）金屬外殼

防爆電氣設(shè)備的金屬外殼材料主要有鑄鐵、輕合金，以及其他金屬。對于金屬外殼，對抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果因素的影響，主要涉及金屬外殼材料、厚度、外殼結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)筋等。

輕合金、鑄鐵外殼的鈦、鎂含量和抗拉強(qiáng)度應(yīng)首先符合GB 3836.1—2010 中第8 章的規(guī)定，輕合金材質(zhì)的含鎂量需不大于0.5%（重量比），且輕合金外殼按GB/T 13813—2008 規(guī)定的磨擦火花試驗(yàn)方法考核合格。如Ⅰ類手持式或支架式電鉆（及其附帶的插接裝置）、攜帶式儀器儀表、燈具的外殼等，均采用抗拉強(qiáng)度不低于120MPa 的輕合金制成。其他金屬制成的外殼，其厚度Ⅰ類不大于3mm，Ⅱ類不大于1mm。如不銹鋼外殼等。通常金屬外殼結(jié)構(gòu)分為三種：外殼外側(cè)為矩形或圓筒形；外殼外側(cè)為矩形或圓筒形，內(nèi)側(cè)有加強(qiáng)筋；外殼外側(cè)有凸起的筋或緩沖結(jié)構(gòu)。外殼外側(cè)的加強(qiáng)筯或緩沖結(jié)構(gòu)高度通常不小于2mm，間距不超過25mm。

2）非金屬外殼及部件

外殼容積小于2000cm2時，其材料可選擇采用非金屬材料，但禁止直接在非金屬外殼上采用緊固用螺紋（出線口除外）。電氣設(shè)備的外殼或外殼部件為非金屬材料時，沖擊點(diǎn)應(yīng)選擇在外露的外殼部位，如果非金屬外殼有保護(hù)外殼，只對保護(hù)外殼做抗沖擊試驗(yàn)。并規(guī)定試驗(yàn)應(yīng)在上限溫度和下限溫度下進(jìn)行，如塑料外殼、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的塑料風(fēng)罩和通風(fēng)孔擋板等。現(xiàn)有的其他非金屬材料有D545 不飽和聚酯玻璃纖維增強(qiáng)模塑料和4330 酚醛玻璃纖維模塑料等。

3）透明件

透明件可采用玻璃或其他物理化學(xué)特性穩(wěn)定，并且能夠有效承受電氣設(shè)備額定條件下最高溫度的材質(zhì)制成。例如：鋼化玻璃、聚碳酸脂。透明件包括無保護(hù)網(wǎng)的透明件和由網(wǎng)孔為625～2500mm2的保護(hù)網(wǎng)保護(hù)的透明件，如觀察窗、燈具的透明罩和塑料透明件等。另外，玻璃透明件必須達(dá)到10mm的厚度。

4）保護(hù)網(wǎng)罩及電纜引入裝置等

保護(hù)網(wǎng)或保護(hù)罩由鋼板（鑄鋼）制成的保護(hù)罩，其網(wǎng)孔應(yīng)小于2500mm2，以保證其質(zhì)量的可靠安全性。風(fēng)扇、風(fēng)扇罩和通風(fēng)孔擋板應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，并保證可靠固定。另外，引入裝置采用鑄鐵或高強(qiáng)度的塑料材料制成，均需通過抗沖擊試驗(yàn)。如隔爆外殼的電纜引入裝置、防爆燈具保護(hù)罩及電纜引入裝置、防爆攝像儀保護(hù)罩和風(fēng)扇保護(hù)罩等。另外，隔爆外殼用呼吸裝置和排水裝置及其護(hù)罩也應(yīng)通過抗沖擊試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)溫度

對于金屬外殼、輕金屬外殼和透明件材料等的沖擊試驗(yàn)應(yīng)在環(huán)境溫度（20±5）℃下進(jìn)行。對于非金屬外殼試品，外殼抗沖擊試驗(yàn)應(yīng)分別在上限和下限溫度下進(jìn)行。電氣設(shè)備在額定條件下測定的溫度即工作溫度，對于上限溫度，最高工作溫度提高10～15K；對于下限溫度，最低工作溫度降低5～10K。

2.3 嚴(yán)酷等級

針對不同的設(shè)備類型和機(jī)械危險程度，對試驗(yàn)嚴(yán)酷等級的要求也不同。外殼抗沖擊試驗(yàn)的嚴(yán)酷等級是按照沖擊高度劃分，具體見表1。

表1 抗沖擊試驗(yàn)嚴(yán)酷等級

2.4 試件的安裝

對于金屬與非金屬外殼，應(yīng)固定在鋼制基座上，盡量使被試表面保持水平。

對于透明件，應(yīng)在一個安全裝配好的并可投入使用的電氣設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)，如有保護(hù)網(wǎng)的透明件可以去掉保護(hù)網(wǎng)。當(dāng)樣品整體沖擊有難度時，可將透明件裝在類似樣品底座的部件上進(jìn)行。透明件的安裝應(yīng)采取預(yù)防措施不會產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)膬?nèi)部機(jī)械應(yīng)力，如在透明件和工裝之間加裝紫銅墊，或者采用框架式結(jié)構(gòu)。

對于保護(hù)網(wǎng)罩、電纜引入裝置，應(yīng)在裝配完好的電氣設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)。電纜引入裝置安裝規(guī)定的最小直徑電纜，試驗(yàn)時電纜引入裝置安裝固定在硬鋼板或按制造廠規(guī)定卡牢，每個密封圈安裝在一個清潔、干燥、且制造廠規(guī)定允許的最小直徑的樣品上，電纜引入裝置與電纜共同安裝在密封的外殼上。對于螺紋固定的電纜引入裝置采用1.5 倍拉力試驗(yàn)的壓緊力矩擰緊螺母。

2.5 沖擊點(diǎn)的選取

沖擊點(diǎn)應(yīng)選擇在樣品最薄弱的部位，樣品安裝在鋼制基座上，如被試樣品表面為平面時，沖擊方向采用垂直于平面，如被試樣品表面非平面時，沖擊方向采用垂直于沖擊點(diǎn)的切平面。以下為薄弱點(diǎn)的選取方法。

1）對于透明件

（1）檢查透明件外觀質(zhì)量，若表面有劃痕、炸口、深爆邊等缺陷，則該處為應(yīng)力集中點(diǎn)，即為最薄弱點(diǎn)。

（2）檢查透明件內(nèi)部質(zhì)量，若內(nèi)部存在雜質(zhì)，氣泡等，則該處為應(yīng)力集中點(diǎn)，即為最薄弱點(diǎn)。

（3）若透明件外觀平整無破損，內(nèi)部無雜質(zhì)存在，則選擇透明件四周及邊角處為薄弱點(diǎn)。

2）對于塑料外殼

（1）檢查塑料外殼外觀質(zhì)量，若表面存在裂紋，劃痕，則選擇該點(diǎn)為最薄弱點(diǎn)。

（2）若表面完好，對于平面材料則選擇塑料外殼中心，無支撐梁處為最薄弱點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)；對于彎曲材料，選擇外殼的四周作為薄弱點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

3）對于輕金屬、鑄鐵外殼

（1）檢查輕金屬、鑄鐵外殼外觀質(zhì)量，若表面存在裂紋、劃痕，則選擇該點(diǎn)為最薄弱點(diǎn)。

（2）選擇外殼焊接處為最薄弱點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）若外殼表面完好且無焊接處，則根據(jù)外殼結(jié)構(gòu)不同分別選取最薄弱點(diǎn)，對于矩形隔爆外殼，選擇輕合金、鑄鐵外殼的中心無加強(qiáng)筋處，加強(qiáng)筋所圍區(qū)域的中間或加強(qiáng)筋相交的節(jié)點(diǎn)為最薄弱點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)；對于圓筒形隔爆外殼，選擇接近法蘭面處作為薄弱點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)；對于有凸起的筋或緩沖結(jié)構(gòu)的外殼，選擇凸起的筋或緩沖結(jié)構(gòu)高度相對比較矮的部位作為薄弱點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

4）對于保護(hù)網(wǎng)罩及引入裝置

保護(hù)網(wǎng)罩選擇外側(cè)，距離活動部件最近的部位作為沖擊點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)；引入裝置可選取壓盤、壓緊螺母、聯(lián)通節(jié)或喇叭嘴最頂端處作為沖擊點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)案例分析

由于玻璃透明件在防爆電氣設(shè)備中應(yīng)用范圍較 廣，本文選用玻璃透明件做抗沖擊試驗(yàn)具有代表性，其中采用內(nèi)部和外部無瑕疵的鋼化玻璃和普通玻璃做對比，考慮不同試驗(yàn)因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，造成玻璃透明件損壞的因素有以下幾點(diǎn)：

1）沖擊點(diǎn)的選取影響試驗(yàn)結(jié)果，如選取透明件的四周及邊角處為最薄弱點(diǎn)。

2）玻璃透明件的材質(zhì)影響試驗(yàn)結(jié)果，如玻璃透明件的材質(zhì)配方不當(dāng)、鋼化玻璃處理工藝不高、玻璃透明件厚度不夠等。

3）透明件的固定方式影響試驗(yàn)結(jié)果，如透明件未按實(shí)際應(yīng)用的安裝方式固定、選用的膠粘或襯墊選材不當(dāng)，沒有彈性等。

表2 玻璃透明件抗沖擊試驗(yàn)影響因素分析

4 結(jié)論

通過以上對防爆電氣設(shè)備外殼抗沖擊試驗(yàn)方法的研究，以及對試驗(yàn)影響因素的分析，有助于檢驗(yàn)人員對標(biāo)準(zhǔn)的理解，提升檢驗(yàn)效率，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。同時有助于生產(chǎn)企業(yè)對防爆標(biāo)準(zhǔn)的理解，只有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)和試驗(yàn)，才能保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確和產(chǎn)品質(zhì)量的完好。

[1] GB 3836.1—2010 爆炸性環(huán)境 第1 部分：設(shè)備通用要求[S].

[2] GB 3836.1—2010 爆炸性環(huán)境 第2 部分：隔爆型 “d”[S].

[3] 吳長康.隔爆型燈具的防爆外殼要求[J].電氣防爆,2010(1): 34-37.

[4] 曹廣輝.探討新標(biāo)準(zhǔn)對隔爆型產(chǎn)品透明件的結(jié)構(gòu)要求[J].電氣防爆,2000,142(4): 8-9.

[5] 張顯力.防爆電氣概論[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2008.