陳 芳

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

引言

隨著煤炭采掘技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭工業(yè)取得了長足的進(jìn)步，但是由于井下的特殊環(huán)境也為煤礦安全生產(chǎn)造成了較大的威脅。尤其是瓦斯爆炸事故在礦難事故中占比較大，對井下人員及設(shè)備損害也遠(yuǎn)高于其他事故，而爆炸原因經(jīng)常是電氣設(shè)備由于故障而出現(xiàn)的火花或電弧引燃設(shè)備內(nèi)部瓦斯氣體，從而造成爆炸[1]。因此，為了井下安全生產(chǎn)及人員的生命安全，要求井下電氣設(shè)備柜體外殼必須具有防爆功能，即內(nèi)部爆炸不允許通過柜體縫隙傳導(dǎo)至外部，柜體不允許因爆炸而損壞。

目前國內(nèi)外使用的防爆柜體多采用經(jīng)驗法或類比法，出于安全考慮再增加一定的壁厚，該方法可以起到防爆的作用，但在井下實際操作過程中，由于壁面太厚、柜體笨重導(dǎo)致搬運及維護(hù)困難[2]。因此，對防爆柜體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其在滿足防爆要求的前提下盡量減輕重量。本文結(jié)合電機(jī)軟啟動器隔爆柜體常用結(jié)構(gòu)，對礦用防爆柜體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進(jìn)行研究。

1 防爆柜體壁厚設(shè)計

井下電氣柜體內(nèi)的啟動器、接觸器能元器件在工作時難免會產(chǎn)生電火花或電弧，可能引起柜體內(nèi)瓦斯氣體的爆炸從而引發(fā)礦井內(nèi)的瓦斯爆炸，因此，防爆柜體的隔爆性能設(shè)計十分關(guān)鍵。隔爆殼體壁厚設(shè)計的原理是通過合理的柜體壁厚及結(jié)構(gòu)設(shè)計，在爆炸過程中壓力峰值及氣體過壓工況下，柜體機(jī)械強度滿足安全裕量要求。對于常用電機(jī)軟啟動器隔爆柜體，設(shè)計壓力一般取1 MPa，其殼體內(nèi)部尺寸要求一般大于600 mm×600 mm×400 mm。厚度計算公式為：

式中：δ 為柜體壁厚；b 為柜體壁短邊長度；k 為安全系數(shù)；C 為應(yīng)力系數(shù)；P 為設(shè)計應(yīng)力值；σT為柜體材料屈服極限。

根據(jù)上述計算公式，采用安全系數(shù)1.5，材料選擇Q235 鋼情況下對柜體各壁厚進(jìn)行計算，得到后壁面厚度為12 mm，其余四個壁面厚度為15 mm。根據(jù)經(jīng)驗公式，柜體法蘭門厚度設(shè)定為22 mm。根據(jù)上述計算，防爆柜體壁厚較厚，由于體積巨大，在井下安裝、維護(hù)及使用過程中均造成不便，且經(jīng)驗公式一般會設(shè)置較大安全裕度，造成某些壁面的應(yīng)力儲備較大[3]。通過優(yōu)化設(shè)計方法結(jié)合有限元仿真分析，可以較為準(zhǔn)確地對各個壁面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 柜體靜壓數(shù)值分析

采用Workbench 軟件導(dǎo)入三維數(shù)模，并對其進(jìn)行一定的簡化。由于六面體網(wǎng)格在計算精度、抗畸變、變形特性以及網(wǎng)格離散誤差等方面具有較大優(yōu)勢，且柜體類零件通過一定的簡化后形狀較為規(guī)則，因此采用六面體網(wǎng)格對柜體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在靜壓試驗中，外殼主要承受水的重力及液體加壓后對各個壁面的1 MPa 壓強。由于殼體內(nèi)部尺寸較小，柜體內(nèi)水的自重產(chǎn)生的壓強遠(yuǎn)小于液體所加壓強，因此，水的自重不予考慮，把柜體看成各個壁面受到均勻1 MPa 壓強。為使柜體產(chǎn)生充分形變達(dá)到穩(wěn)態(tài)，仿真時間步采用30 s，得到柜體應(yīng)力應(yīng)變云圖如下頁圖1所示。

圖1 殼體等效應(yīng)力及形變圖

根據(jù)上述仿真結(jié)果，柜體最大應(yīng)力值為181 MPa，出現(xiàn)在法蘭門和柜體連接處，且應(yīng)力云圖光滑過渡，無應(yīng)力突增點。頂部壁面及左右側(cè)面最大應(yīng)力值僅有80 MPa，而柜體背壁大平面最大應(yīng)力值為145 MPa，最大形變?yōu)?.5 mm，未超過國標(biāo)要求的5 mm 形變。由于柜體采用Q235 鋼材質(zhì)，其屈服應(yīng)力極限高達(dá)235 MPa，因此根據(jù)上述分析，可對左右壁面厚度進(jìn)行大幅縮減，同時對背部壁面采用減小壁厚加加強筋的形式進(jìn)行優(yōu)化。

3 柜體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

針對上述分析中，防爆柜壁厚較厚，應(yīng)力儲備過多的問題，采用優(yōu)化設(shè)計方法對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。其一般思路是以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)定一定的約束條件，最終得到最優(yōu)目標(biāo)解[4]。本節(jié)采用Workbench 的Design Xplorer/VT模塊，對含有參數(shù)化模型的變量進(jìn)行優(yōu)化分析。

由于柜體為對稱結(jié)構(gòu)，因此，在建立參數(shù)化模型時采用對稱法建模，同時建立四個優(yōu)化參數(shù)和三個目標(biāo)函數(shù)。四個優(yōu)化參數(shù)分別為：V1為左右側(cè)壁厚度、V2為背壁厚度、V3為背壁加強筋高度、V4為法蘭門厚度；三個目標(biāo)函數(shù)，分別為：P1為殼體的應(yīng)力、P2為殼體的質(zhì)量、P3為殼體的應(yīng)變。其各參數(shù)設(shè)定值及變化范圍如表1 所示。

表1 各參數(shù)設(shè)定表

將上述參數(shù)在模型中進(jìn)行賦值，選取迭代循環(huán)次數(shù)50 次，得到一系列響應(yīng)優(yōu)化參數(shù)，其優(yōu)化結(jié)果對應(yīng)目標(biāo)變量的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 設(shè)計點對應(yīng)目標(biāo)變量曲線

由上述分析可以看出，在優(yōu)化分析過程中，殼體最小應(yīng)力值為190 MPa，最大應(yīng)力值為235 MPa，最小質(zhì)量為148 kg，最大質(zhì)量為171 kg，殼體發(fā)生形變最小值為3.5 mm，最大值為4.08 mm。通過上述分析并結(jié)合設(shè)計點數(shù)據(jù)可知：

1）在優(yōu)化設(shè)計過程中，殼體最大形變量變化不大，防爆柜體整體穩(wěn)定性較好；

2）由于設(shè)定初始值為181 MPa，減小殼體厚度后應(yīng)力值有較大幅度的變化，但均滿足目標(biāo)設(shè)定；

3）通過增加加強筋的設(shè)計，可以在滿足屈服應(yīng)力條件下大幅降低柜體重量。

為滿足強度設(shè)計要求及安全裕量要求，取應(yīng)力安全系數(shù)為1.09。根據(jù)上述優(yōu)化仿真結(jié)果中最大應(yīng)力值小于215.5 MPa 的設(shè)計點。其中第7 組結(jié)果質(zhì)量最小，且形變量滿足使用要求。選取第七個設(shè)計點為最優(yōu)解，得到優(yōu)化前后防爆柜結(jié)構(gòu)參數(shù)對比如下頁表2 所示。

由表2 可以看出，優(yōu)化后的防爆柜體在壁厚、重量等方面均有較大變化。應(yīng)力、形變量雖然增大，但滿足防爆柜體的使用要求。

表2 優(yōu)化前后的參數(shù)對比

4 結(jié)論

本文通過以電機(jī)軟啟動器隔爆柜體為例，結(jié)合常用防爆柜體設(shè)計方法對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用優(yōu)化設(shè)計方法結(jié)合Workbench 軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

1）采用隔爆柜體經(jīng)驗公式所設(shè)計的軟啟動器隔爆柜體，滿足井下瓦斯爆炸工況下電氣柜體的隔爆要求，但壁厚普遍較厚，重量較重，不便于使用；

2）通過對經(jīng)驗公式計算得到的柜體進(jìn)行有限元分析，其殼體應(yīng)力儲備較多，設(shè)計過于冗余；

3）通過對大平面薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計加強筋可以大幅縮減壁厚，利于箱體類零件的減重；

4）Workbench 所提供的優(yōu)化設(shè)計模塊，可以較為便捷地對多目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，且優(yōu)化結(jié)果較為合理。