胡文芳

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

0 引言

應(yīng)用于煤礦井下的隔爆型電控箱屬于I類(lèi)設(shè)備，其爆炸性氣體環(huán)境除了甲烷外，可能還含有其他成分的爆炸性氣體，其隔爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格遵守國(guó)家關(guān)于I類(lèi)電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。隔爆外殼既能夠承受通過(guò)外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，又不會(huì)引起外部由一種、多種氣體或蒸氣形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃[1-2]。采掘工作面用電氣設(shè)備的外殼需采用鋼板或鑄鋼制成，不但具有耐爆性還應(yīng)具有隔爆性。

由于箱體結(jié)構(gòu)的大同小異，以往新箱體的設(shè)計(jì)思路是先靠經(jīng)驗(yàn)或參照同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，即依據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)并取得認(rèn)證的定型產(chǎn)品，在已知定型產(chǎn)品采用的材料、板厚、法蘭蓋板厚度、緊固螺栓尺寸等條件下進(jìn)行類(lèi)比設(shè)計(jì)，再通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后對(duì)設(shè)計(jì)方案加以改進(jìn)。由于設(shè)計(jì)中依據(jù)不夠充分，這樣設(shè)計(jì)出的電控箱雖然滿(mǎn)足了防爆性能，但是箱體偏厚重，結(jié)構(gòu)存在較多不合理的部分，造成加工難度大等問(wèn)題。鑒于此，本文運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)隔爆型電控箱進(jìn)行三維建模，利用軟件自帶的Simulation插件對(duì)箱體在1 MPa壓力下的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，并以分析結(jié)果為依據(jù)，不斷調(diào)整簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的電控箱。

1 殼體模型的建立及簡(jiǎn)化

隔爆型電控箱多數(shù)為整體框架式結(jié)構(gòu)，腔體分為單腔、雙腔和多腔結(jié)構(gòu)，我公司生產(chǎn)的隔爆型電控箱大多數(shù)分為接線腔和主腔兩個(gè)獨(dú)立的隔爆腔體。腔體的分割既保證了用電的安全又有效地防止了煤塵的進(jìn)入。整個(gè)電控箱由箱體、接線腔門(mén)、主腔門(mén)、閉鎖機(jī)構(gòu)、引入裝置等組成。接線腔內(nèi)設(shè)有接線端子，用于電控箱的進(jìn)出線。主腔內(nèi)安裝了斷路器、接觸器、變壓器、控制保護(hù)器等元器件，是電控箱的核心部分。箱體由多個(gè)薄壁矩形板焊接而成，與主腔門(mén)的連接處設(shè)有鉸鏈座，并通過(guò)螺栓緊固。箱體上端設(shè)有起吊環(huán)，便于電控箱的吊裝作業(yè)，兩側(cè)設(shè)有安裝板，方便整機(jī)的安裝布置。主腔門(mén)上設(shè)有觀察窗，內(nèi)裝有顯示器，用于顯示整機(jī)的工作狀態(tài)、故障診斷和歷史數(shù)據(jù)。原箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)電控箱的原始資料，運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行殼體三維建模，為了便于應(yīng)力分析，首先建立適當(dāng)?shù)募s束條件，并對(duì)約束條件進(jìn)行簡(jiǎn)化[3-5]，如：

1) 忽略箱體中的一些輔助部件，如急停按鈕護(hù)板、吊環(huán)、鉸鏈、標(biāo)牌、按鈕、手柄、把手、箱體安裝板、接地螺栓等。

2) 去除結(jié)構(gòu)中的倒角及小圓角等。

3) 忽略門(mén)板上的觀察窗口，認(rèn)為門(mén)板采用一整塊鋼板加工而成。

4) 把箱體作為一個(gè)整體進(jìn)行分析并忽略箱體上所有的螺紋孔、連接螺栓的通孔等，認(rèn)為焊接處無(wú)虛焊、漏焊等缺陷。箱體作為連續(xù)整體，忽略焊縫和焊接殘余應(yīng)力的影響。

上述簡(jiǎn)化可以提高建模的速度，同時(shí)降低網(wǎng)格劃分的難度和單元個(gè)數(shù)，但不會(huì)對(duì)箱體的重量及剛度產(chǎn)生較大的影響。

2 仿真分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 仿真分析

根據(jù)GB 3836.2—2010爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備的規(guī)定，應(yīng)對(duì)隔爆型殼體進(jìn)行耐壓1 MPa的水壓試驗(yàn)。由于試驗(yàn)時(shí)壓力值是逐步緩慢加載至最大值的，并保持10～12 s，屬于靜壓法，所以確定應(yīng)力分析類(lèi)型為靜態(tài)分析[6-7]。由于箱體總體高度不高以及水本身產(chǎn)生的壓力相對(duì)試驗(yàn)用的水壓來(lái)說(shuō)較小，以上因素對(duì)應(yīng)力值和位移值的影響較小，可忽略不計(jì)，僅認(rèn)為對(duì)箱體和門(mén)板內(nèi)側(cè)表面施加壓力。

實(shí)際加工中，箱體各零部件及門(mén)板選用的材料均為Q235A鋼，但是在SolidWorks自帶的材料庫(kù)中，沒(méi)有這號(hào)鋼材，我們選擇屈服強(qiáng)度相近的普通碳鋼代替，其彈性模量E=2.1×105N/mm2，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 800 kg/m3，屈服應(yīng)力σ=220 MPa。將整個(gè)箱體連接重組為1個(gè)零件，以避免板與板之間的焊接部位重復(fù)受壓。網(wǎng)格劃分后在內(nèi)部施加1 MPa壓力，得出整箱應(yīng)力云圖如圖2所示，位移云圖如圖3所示。

圖2 箱體應(yīng)力云圖

圖3 箱體位移云圖

由圖2可知，箱體應(yīng)力最大處位于右側(cè)板與底板的焊接位置，最大值為273 MPa，雖然超出了材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，但是在安全系數(shù)范圍內(nèi)。其余各板受到的應(yīng)力都較小，最小值為5 087.3 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度?？梢?jiàn)，原箱體的設(shè)計(jì)在強(qiáng)度上余量較大，應(yīng)力集中在右側(cè)板上，需要對(duì)右側(cè)板厚度及其筋板布置進(jìn)行調(diào)整。

由圖3可知，箱體位移最大處位于右側(cè)板中央位置，最大值為1.648 mm，在彈性變化范圍內(nèi)。打壓10 s后，箱體恢復(fù)原樣，其余各板的位移量微乎其微。

通過(guò)對(duì)箱體進(jìn)行載荷仿真分析可知，原箱體的右側(cè)板與底板的焊接處是薄弱部位，右側(cè)板上的應(yīng)力急劇增加，其余部位受應(yīng)力較小且強(qiáng)度儲(chǔ)備高，浪費(fèi)了材料，需要對(duì)箱體各板的厚度、法蘭厚度、門(mén)板厚度以及筋板的布局進(jìn)行調(diào)整。

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)過(guò)上述仿真分析，箱體各部的應(yīng)力及位移都有清晰的顯示，以此為依據(jù)，對(duì)箱體進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.2.1 右側(cè)板筋板的重新布置

由于電控系統(tǒng)中元器件的更新?lián)Q代，其安裝位置也發(fā)生了較大的變化，根據(jù)現(xiàn)在使用的電器件安裝尺寸，重新部署右側(cè)板筋板的焊接位置。經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算，結(jié)合元器件的安裝尺寸，最終確定在右側(cè)板中間對(duì)稱(chēng)布置2條筋板，取加強(qiáng)筋尺寸為400 mm×20 mm×20 mm，2條筋板的中間再橫搭兩條小筋板，尺寸為275 mm×20 mm×15 mm。筋板既起到了增強(qiáng)箱體強(qiáng)度的目的，又能固定元器件，省去了原來(lái)的安裝板及安裝墊塊。改進(jìn)后的右側(cè)板經(jīng)應(yīng)力仿真分析得出的應(yīng)力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 改進(jìn)后的右側(cè)板應(yīng)力云圖

圖5 改進(jìn)后的右側(cè)板位移云圖

由圖4可知，改進(jìn)后右側(cè)板受到的應(yīng)力最大值為217 MPa左右，在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，位移量最大為1.088 mm，得到了較好的改善。

2.2.2 法蘭及門(mén)板的減重設(shè)計(jì)

通過(guò)應(yīng)力分析得知，法蘭及門(mén)板的強(qiáng)度儲(chǔ)備高，需要對(duì)法蘭及門(mén)板進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。根據(jù)GB 3836.2—2010中對(duì)緊固件的要求[2]，選取8.8級(jí)M12×25 mm的內(nèi)六角圓柱頭螺栓22個(gè)，均勻分布在門(mén)板上，最小螺栓間距為103 mm。經(jīng)過(guò)多次仿真計(jì)算，最終門(mén)板選定厚度22 mm，法蘭面厚度28 mm。

2.2.3 其余各板厚度及筋板的調(diào)整

其余各板采用相同方法進(jìn)行減薄設(shè)計(jì)，最終選定頂板厚度為16 mm，其余各板厚為14 mm，并去除一些多余的筋板。在薄弱部位增加筋板，如頂板長(zhǎng)邊方向增加5條加強(qiáng)筋板，短邊方向增加2條加強(qiáng)筋板。最終，箱體各部分改進(jìn)前后板厚對(duì)照如表1所示。改進(jìn)后的箱體經(jīng)應(yīng)力仿真分析得出的應(yīng)力云圖如圖6所示。

表1 箱體各部位板厚對(duì)照表

由圖6 可知，改進(jìn)后箱體應(yīng)力最大位于接線腔與主腔連接孔的邊緣處，最大值為244 MPa。此位置是安裝接線端子的地方，且只在小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力超出了材料的屈服強(qiáng)度，打壓10 s后，箱體恢復(fù)原樣。其余各板受到的應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖6 改進(jìn)后的箱體應(yīng)力云圖

2.2.4 其他部位的改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)原接線腔門(mén)與箱體間僅是螺栓緊固，在現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)需兩人配合才能保證安全卸載接線腔門(mén)，給操作工人帶來(lái)諸多不便，因此，在接線腔門(mén)與箱體間增加鉸鏈連接，方便開(kāi)關(guān)門(mén)。

調(diào)整接線腔門(mén)把手的安放位置。原把手位于門(mén)板正中間位置，既不省力又不符合常規(guī)的開(kāi)門(mén)方式。結(jié)合人體力學(xué)及工人的操作習(xí)慣，現(xiàn)將把手移至門(mén)板的偏右上方位置，更加便于人員操作。

增加門(mén)板定位銷(xiāo)。由于電控箱用于特殊的工況場(chǎng)合，經(jīng)常面臨淋水、潮濕的環(huán)境，長(zhǎng)時(shí)間在整機(jī)劇烈振動(dòng)作用下，易出現(xiàn)螺栓松動(dòng)現(xiàn)象，造成門(mén)板與法蘭面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而帶來(lái)隔爆接合面磷化層剝落、腐蝕嚴(yán)重、凹坑等問(wèn)題。增加門(mén)板定位銷(xiāo)，有效防止了因螺栓松動(dòng)造成的隔爆接合面的破壞。

3 結(jié)論

本文首先通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)現(xiàn)有的隔爆型電控箱進(jìn)行三維建模，利用Simulation插件對(duì)箱體在1MPa壓力下的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，得出原箱體的設(shè)計(jì)在強(qiáng)度上確實(shí)余量較大，從而造成原箱體體積大、厚重。然后根據(jù)原箱體在1 MPa壓力下的應(yīng)力及位移云圖，找到箱體的應(yīng)力分布，并對(duì)強(qiáng)度富裕區(qū)域和薄弱區(qū)域分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。經(jīng)過(guò)一系列的改進(jìn)后，箱體在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的狀態(tài)下，總質(zhì)量由648 kg減為596 kg，成功減重8%。達(dá)到了減輕重量，減少材料用量，節(jié)約成本的目的，為今后同類(lèi)型電控箱箱體的輕量化設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值和借鑒經(jīng)驗(yàn)。