防爆開(kāi)關(guān)殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

防爆開(kāi)關(guān)的工作環(huán)境，例如用于煤礦的防爆開(kāi)關(guān)是工作在含有大量甲烷的空氣混合氣體中，當(dāng)甲烷含量達(dá)到5%-16%時(shí)遇700℃的火源將發(fā)生，當(dāng)甲烷含量在9.5%時(shí)力最大達(dá)7.4大氣壓，因此殼體設(shè)計(jì)就以技術(shù)條件所要求的8kg/cm3內(nèi)壓為依據(jù)，分析殼體受力情況和強(qiáng)度。

2 殼體設(shè)計(jì)理論依據(jù)

在壓力容器設(shè)計(jì)中，容器在工作失效時(shí)所表現(xiàn)的強(qiáng)度性能、剛度性能、穩(wěn)定性能的三種形式中，最重要的是強(qiáng)度問(wèn)題，即在一定的壓力下容器不會(huì)發(fā)生破裂或過(guò)量的塑性變形。

常用防爆殼體外徑為600mm左右，壁厚為36mm，在工業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算壓力容器中屬于薄壁容器。

2.1 容器在內(nèi)壓下的受力分析

如圖1中所示:σ_m—軸向應(yīng)力;σ_Q—切向應(yīng)力;σ_r—徑向應(yīng)力。

因?yàn)樵诒”谌萜髦笑?sub>r相對(duì)于σ_m、σ_Q較小，故可忽略。

軸向應(yīng)力（σ_m）計(jì)算：π（Dn+Dw）/2×tσ_rm=(πD²_m)/4×P

式中Dn—容器內(nèi)徑;Dw—容器外徑;P—容器所承受的內(nèi)壓力;t—容器壁厚。因?yàn)楸”谌萜髦?span lang="EN-US">Dn、Dw相差不大，可用平均值D代替，所以上式簡(jiǎn)化為

πDtσ_m=(πD²)/4×P得σ_m=PD/4t             (1)

切向應(yīng)力(σ_Q)計(jì)算：

如圖1中所示：PsinQdQ·D/2·L=σ_Q2Lt

σ_Q=(PDL·4σ_QL)∫^π₀sinQdQ

得：σ_Q=PD/2t                             (2)

圖1 圓筒形容器受力分析

2.2 強(qiáng)度計(jì)算

強(qiáng)度理論又稱為“失效準(zhǔn)則”或“失效判據(jù)”。

由式 ( 2) 再考慮焊縫減弱及附加量等因素，可

得:

圓柱殼體   t≥(PDm/2[σ]φ－p)+C          (3)

橢球封頭   t≥(PDm/2[σ]φ－p)·K+C       (4)

式中:P—設(shè)計(jì)壓力，kg/cm²;[σ]—材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力;φ—焊縫系數(shù)或應(yīng)力折減系數(shù)（＜1）;C—壁厚附加量cm;K—橢球封頭形狀系數(shù)，見(jiàn)圖(2)

K=1/6[2+(D_m/2h_m)²]

圖2 橢球封頭

2.3 安全系數(shù)與許用應(yīng)力的確定

2.3.1 安全系數(shù)

對(duì)于炭鋼:材料斷裂安全系數(shù)nb=3.0 ;材料屈服極限的安全系數(shù)nb=1. 65

2.3.2 許用應(yīng)力的確定:

基本許用應(yīng)力: [σ]_g=σ_b/n_b、或[σ]_g=σ_b/n_b

設(shè)計(jì)許用應(yīng)力: [σ]=Y[σ]g，其中y為毛坯質(zhì)量系數(shù)，鋼板的毛坯質(zhì)量系數(shù)為1。

2.4 強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題

2.4. 1 最高工作壓力與設(shè)計(jì)壓力。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)為最高工作壓力的1.1-1.25倍。作為防爆開(kāi)關(guān)外殼，防爆規(guī)程規(guī)定設(shè)計(jì)壓力為1.5倍工作壓力。

2.4.2 焊縫系數(shù)。焊縫系數(shù)φ是考慮焊接對(duì)容器強(qiáng)度的削弱，用以降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的一個(gè)系數(shù)，φ的

大小取決于焊縫坡口形式，焊接方法，焊接工藝及焊

接檢驗(yàn)探傷嚴(yán)格性，對(duì)于雙面焊的對(duì)接焊縫，又經(jīng)水

壓試驗(yàn)φ=O.8。

2.4.3 壁厚附加量。壁厚附加量C=C₁+C₂+C₃

C₁為鋼板的負(fù)公差，依據(jù)板厚、取值在0.2-0.5mm;C₂為加工中的工藝減薄量，因?yàn)榉篮笟んw

為冷卷，冷校，故C_l=O;C₃為腐蝕裕量，因?yàn)闅んw不裝腐蝕物體，故C₃=0。

3 防爆開(kāi)關(guān)殼體設(shè)計(jì)歸納

如前所述，薄壁容器的壁厚可由(3).(4)式得出:

因?yàn)橐话銡んw封頭中Dn/2hn接近于2,K 接近1，所以(3),(4)式可歸納為一式

t≥[PDn/(2[σ]φ－P)]+C

根據(jù)防爆殼體的基本特點(diǎn)(φ=0.8—0.9,C可取0.2—0.5mm，這樣得:

t≥[PDn/(1．6[σ]－P)]+0．4

又對(duì)A3鋼板[σ]可取1450kg/cm²;對(duì)礦用防爆開(kāi)關(guān)P=1.5×力，即P=12kg/cm².

則t≥(12Dn/2308)+0．4=(Dn/192)+0．4          (5)

因此可將(5)式做為設(shè)計(jì)防爆殼體壁厚的參考公式，該式已在多項(xiàng)設(shè)計(jì)中得到了驗(yàn)證。