120kw电机软启动隔爆箱优化设计【全套含CAD图纸、说明书】

资源目录里展示的全都有，所见即所得。下载后全都有,请放心下载。原稿可自行编辑修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑问可加】 编号： 　毕业设计(论文)说明书 题 目： 120kw电机软启动 隔爆箱优化设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型：¨理论研究 ¨实验研究 þ工程设计 ¨工程技术研究 ¨软件开发 年6月3日 1 摘 要 随着煤炭开采技术的发展，井下煤炭生产需要极大功率的电机设备进行作业，对于现有机电控制设备，其精度及安全的要求也越来越高。煤矿井下的安全事故大多都是由机电控制设备高电压启动，瞬时产生的能量电弧和电火花引起，所以就要求井下作业的高电压高功率隔爆箱具有耐爆性和隔爆性。特别针对于在严苛环境下，比如井下作业所使用的设备必须满足标准GB 3836—2010要求的防爆设备标准要求，以保证煤矿的安全正常生产。大功率隔爆箱的外壳的组成是刚性的，由一定强度的钢板或铸钢、铸铁等金属材质制成的机械结构，并具有一定的耐爆性能。在容积箱体内部发生不稳定的爆炸时，箱体不完全密封的结合面变形量应小于许用变形量，以阻止容积箱内爆炸向容积箱外传播。 矿用隔爆箱的金属外壳是由六面板组成的封闭长方体形状箱体，其加工形成一般使用钢板焊接或直接铸造等方式。其各金属面板在设计遵循弹性小挠度理论，以机械设计手册公式为原理，对各面板进行进行应力、变形计算，选取最佳形状尺寸。考虑到矿用隔爆型的快开门结构设计的实用性，根据以上强度刚度分析计算结果，确定矿用隔爆电气设备外壳的壁厚，快开门结构形式，对计算结果进行了分析讨论，给出了结构的改进意见。 关键词：隔爆外壳；耐爆性；隔爆性；快开门结构 - 2 - Abstract With 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 录 1 绪论 1 1.1 隔爆箱设计调研情况 1 1.2 隔爆箱设计要求与数据参数 1 1.3 主要设计思想 1 2 隔爆箱总体结构设计 2 2.1 工作要求分析 2 2.2 结构设计 2 2.2.1 形状的选取 2 2.2.2 材料的选取 2 2.3 总体设计方案分析 3 3 外形尺寸设计 3 3.1 隔爆压力分析 3 3.2 具体外形尺寸设计 4 3.2.1 外壳变形参数计算 4 3.2.2 矩形外壳壁厚选取 5 4 盖板与法兰设计 8 4.1 盖板与法兰弹性变形计算 8 4.2 盖板和法兰厚度选取 9 5 隔爆箱的快开门优化设计 11 5.1 接线腔法兰与盖板连接 11 5.2 主腔快开门卡块结构设计 12 5.3 U型卡块结构计算 15 5.4 快启门方式结构设计 16 5.5 偏心式滑块快启门结构计算 18 6 隔爆箱开箱保护开关设计 21 6.1 开箱保护自锁开关结构设计 21 6.2 安全结构开关尺寸设计 22 7 其它部分设计 23 7.1 接线端子设计 23 7.2 电气间隙和爬电距离设计 26 7.3 下支架设计 27 7.4 水压试验设计 27 7.5 部分零件设计要求 27 - 5 - 8 结论 28 谢辞 29 参考文献： 30 毕业设计（论文）报告用纸 第 34 页 共30页 毕业设计（论文）报告用纸 1 绪论 1.1 隔爆箱设计调研情况 煤矿、铁等矿产资源是人类社会赖以生存的重要物资，其开采及运输过程需消耗巨大的动力，目前主要依靠电力或大功率防爆柴油机，井下作业环境通常伴随瓦斯等可燃气体。由于井下动力设备具有功率大、外漏明火的特点，为确保施工安全，所有设备必须配备性能可靠的隔爆系统。 随着煤炭井下作业要求的提升，采及运输过程需消耗巨大的动力，许多煤矿井下所需要大型机械需要更高的功率电气设备，井下用电负荷同时也在成倍增长，由于已经地面供电系统容量小，往往难以满足井下大功率（1000kW以上）高压电机的启动要求。目前主要依靠电力或大功率防爆柴油机，井下作业环境通常伴随瓦斯等可燃气体。由于井下动力设备具有功率大、外漏明火的特点，为确保施工安全，所有设备必须配备性能可靠的隔爆系统。 以矿井井下电气应用为例，长期以来，井下一直没有隔爆型高压启动设备，即便是可直接启动的高压电机也是用隔爆真空配电装置中的真空断路器来控制高压电机的启、停，给瓦斯突出矿井井下高压电机的配电带来困难。 1.2 隔爆箱设计要求与数据参数 （一） 设计总体方案应综合考虑标准、需求、功能、经济等方面影响因素； （二） 本设计可供电压660V范围系列软启动器共用；箱体采用矩形结构，主腔最小有效内腔容积125L；机械式开箱保护； （三） 遵循相关国家标准、行业标准绘制产品总装图、部分主要零件图，工程图纸表达准确、清晰、规范； 1.3 主要设计思想 井下作业环境通常伴随瓦斯等可燃气体。由于井下动力设备具有功率大、外漏明火的特点，为确保施工安全，隔爆箱设备必须具有性能可靠的隔爆能力。 将矿用电气产品的启动元件放在特制的隔爆箱的箱体内，在高压启动的过程中，需要经过软起动的方式进行一拖一的软起动方式，但是在启动的过程中，会产生极大的爆炸冲击力，因此该箱体具有将箱体内部引起爆炸的火花或电弧与箱体外部周围的爆炸性气体粉尘等隔离开来作用，并且能承受通过箱体的内部电气设备引起的火花和电弧引起爆炸时所产生的爆炸冲击力，不使箱体被变形损坏。 基于金属材料的弹性和弹塑性理论，对矿用隔爆金属外壳的强度、刚度进行分析，以气体爆炸的原理设计为基础，参考选择隔爆型电气设备，设计隔爆箱的具体参数尺寸，以便在产品承载性能试验之前就可以得到比较合理的设计参数，参考快开门结构，优化设计其可用简易结构，提高矿用隔爆外壳设计的质量和效率。 2 隔爆箱总体结构设计 隔爆箱的正常工作需要具备极大的机械强度，对于大功率的隔爆软起动，在使用的过程中，需要有极好的隔爆和耐爆性能，在其壳体的结构选择上，不同的形状和材料有着不同的机械性能基础，所以选择好的结构设计有利于提高隔爆箱的性能。 2.1 工作要求分析 隔爆箱壳体由钢板结构组成，在密封状态下，受到爆炸冲击力的作用下，需具有较强的刚度和特性，因此隔爆箱应该满足2个工作要求： （一） 耐爆性，由于壳体具有很强的机械强度，当内部危险气体的爆炸（瓦斯等可燃气体和粉尘）爆炸时，不会发生塑性变形以及极限损坏，其特性由金属材质强度和壳体结构机械结构强度来决定； （二） 隔爆性，当隔爆箱内部产生爆炸后，箱体虽与外界可燃气体接触，但其由于电气设备失效产出的电弧引起的爆炸火花不能透过隔爆接合面，使外部可燃气体发生爆炸。壳体隔爆面的结合间隙和法兰宽度决定了其隔爆性能。[1] 2.2 结构设计 2.2.1 形状的选取 隔爆外壳的几何形状多种多样，其大部分的几何形状为长方体和圆柱体等形状，由于长方体外壳的结构简单，利于电气设备的安装搭设，能充分利用壳体的内腔空间，并且在大量的理论实践中证明：隔爆体在相同容积、不同形状的形态下，球形壳体的爆炸产生的爆炸冲击压力最大，长方体壳体爆炸冲击压力最小，因此，隔爆外壳多采用长方体形状。[2] 根据设计要求，本次设计的箱体拟采用矩形结构，主要形状参数为主腔最小有效内腔容积125L，故可以得到主腔的内腔容积尺寸为500mm×500mm×500mm。 2.2.2 材料的选取 井下所使用的防爆箱壳体材料，按照国家标准规定主要为铸钢、铸铁、铝合金等材料。对于大部分高功率启动隔爆箱壳体必须采用钢板或铸铁构成，目前应用较多的材料为Q235碳素结构钢，多数为平板结构。 为追求最大的价值利益，其“性价比”是至关重要的指标，隔爆箱除了技术性能上的优点为，制造价格也是决定产品质量的重要因素之一。依据标准GB3836.2-2010规定的设计要求，设计体积较大的防爆箱壳体时，增加壳体结构板材厚度，会使整个设备重量增加，不利于隔爆箱的起吊运输，同时也增加了其制造成本。 因此，在满足安全可靠的前提下，隔爆外壳用钢材的选择应满足GB3836.1~2-2010的要求，同时应符合强度、力学性能和弯曲性能的要求。在锻件制造中，隔爆壳体法兰、快开门装置和隔爆套在锻造过程中，必须控制锻造温度，不容许有锻造缺陷。并且其材料等级应不低于HT150，不能在其加工面附近设浇注口，铸造后不应有太多的气泡和密集的砂眼，影响工件质量。 本次课题选定为：隔爆箱外壳采用的材料为碳素钢Q235-A，屈服极限=240Mpa，强度极限取=400Mpa。 2.3 总体设计方案分析 隔爆型控制箱体的设计依据为隔爆原理，根据国标防爆标志GB3836.2-2010，在控制箱体设计中，选定隔爆箱的基础参数之后，最重要的是分析合理的隔爆面尺寸和外形参数以及整体箱体的结构强度计算，使设计的隔爆箱满足隔爆和耐爆性能要求，隔爆型控制箱体设计参数为主要爆炸的瞬间冲击压力、隔爆箱体各壁面的最大应力变化值、位移值和安全系数。 隔爆箱在内部可燃气体遇到机电设备启动时的电弧等引起爆炸时，会产生大能量，在理论密闭的隔爆箱内，对各壁面造成巨大冲击载荷，因此对于爆炸产生的压力理论值计算，以及矩形外壳内壁的厚度计算是隔爆箱安全性的重要组成部分。在隔爆箱的优化设计中，优化其生产质量，既对其材料尺寸和性能做强化设计，使用最佳的尺寸参数。针对对于隔爆箱的使用情况，参考大多数的隔爆箱的结构设计，其使用的连接方式多数为法兰螺栓连接的方式，在使用中，虽然可靠性强，但是在开门和关门的过程中，十分不便利与利用，在设计过程中，对于主腔的快启门结构的优化设计是隔爆箱外形设计的高效设计方案。 本课题中，具体优化设计方案为：隔爆压力的计算，矩形外壳内腔壁厚的选取，盖板和法兰厚度的选择和快启门结构设计。 3 外形尺寸设计 隔爆箱的外形尺寸设计主要有隔爆压力的计算以及外壳变形的参数变化、箱体面板的厚度分析计算。根据基本材料参数，决定其工作的性能和优越性。 3.1 隔爆压力分析 参考王启龙《隔爆壳体的设计研究》[2] 研究表明，当密闭容器中可燃气体爆炸时，爆炸压力既产生气体生成物的最初瞬间的冲击压力在忽略隔爆箱中电气设备的容积变化的条件下，根据波义耳-马略特定律，得爆炸前后后压力变化公式为： （3-1） 式中： —气体爆炸后的压力，单位为帕（Pa） —气体爆炸前的压力，一般为Pa（为一个大气压）。 —气体爆炸后的绝对温度；； —气体爆炸后的绝对温度；； —气体爆炸后的温度，由于井下爆炸的主要来源为爆炸气体和粉尘混合物，主要含量为甲烷气体，若其浓度8.5%，则在密闭空间爆炸燃烧后最高可达2650，一般可达1800—2200。 —爆炸前的温度，一般常温为15—17 （3-2） 在课题设计爆炸后温度下，隔爆控制箱体承受的爆炸压力位8.3~8.5，但是由于爆炸生成物在箱体内自由扩散，会引起热损失并以热量等其他方式释放一部分能量，因此爆炸后的温度大约为1800，理论计算中爆炸压力为在左右。考虑到实际使用中具有一定的变化因素限制，取设计压力位 。 除了考虑材质强度提高壳体的耐爆能力外，壳体容积、散热面积和隔爆参数等同样也影响着壳体耐爆性能。但是在相关实验中表明，实际爆炸压力对于容积的大小的影响很小，不过在壳体容积相当时，其表面的散热面积的不同对爆炸压力的影响很是巨大，并且外壳结构的间隙还对爆炸压力的隔爆性起很大的作用。 既在隔爆面间隙大小相同，而容积不同的情况下，若隔爆箱内腔容积愈小，间隙对压力的影响就越大。为了减少由电气设备失效所引起的爆炸对外部气体的威胁，必须同时从隔爆壳体的材料、尺寸和配合质量等方面提高壳体的隔爆性和耐爆性。 3.2 具体外形尺寸设计 3.2.1 外壳变形参数计算 参考孙海林《隔爆电气设备外壳强度分析及参数化设计》[3] 的设计方案，根据弹性和塑形强度理论可知，矩形结构外壳的壳壁可视为在整个板面上，爆炸的压强对各板面受力，其受力形式为均布载荷，由于板面为四边固定的等厚矩形板模型。根据弹性和塑形强度理论力学计算，最大应力点应位于在矩形长边的中心位置，设改点为最大应力变化点P，则其最大挠度位置也位于四边固定板面中心，设为最大挠度位置点O。当矩形相邻两板之间的夹角为锐角并相交时，则应力将增加；但若其相邻两板我为圆角相交时，由计算数据可知应力集中将会大大降低。 对与壳体四周侧面的变形，只要不影响外观，允许具有一定余量的塑性变形，否则根据《材料力学》理论设计需要增加壁厚或加强筋，这样不仅能完全利用材料的强度，还减轻减轻产品的重量，降低加工成本。 故板面中心的最大弯曲正应力为： （3-3） 其最大挠度： （3-4） 上述公式中， 系数与矩形长和宽比值关系见表3-1；b为矩形板的宽度，mm； 为实验压力，；t为矩形板的厚度，mm；E为材料的弹性模量。 表3-1 系数ɑ和β关系表 a/b 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 ˃2 ɑ 0.3078 0.3834 0.4356 0.468 0.487 0.4974 0.5 β 0.0138 0.0188 0.0226 0.0251 0.0267 0.0277 0.0284 其板面中心的最大弯曲正应力根据公式（3-3）为： 其最大挠度根据公式（3-4）为： 3.2.2 矩形外壳壁厚选取 参考肖林京《基于SolidWorks的矿用隔爆箱弹塑性力学分析》[5] 设计理念，在设计时尽量在板与板相交处靠圆角相交，以图3-1的结构简图为设计标准表示。 底面板面由于爆炸会使隔爆接合面产生永久性的塑性变形或弹性变形，保证其不超过允许规定值，将不会影响到隔爆性能。因此隔爆接合面（盖板和法兰的结合面）是隔爆外壳强度计算的关键。 图3-1 四边固定的等厚矩形板模型图 根据第三强度理论，引起材料屈服的主要因素是最大切应力，而且不论材料处于何种应力状态，只要最大切应力达到材料单向拉伸屈服时的最大切应力，材料既发生屈服，其相应的强度条件为: （3-5） 相当应力: （3-6） 即: （3-7） 式中， 为Q235材料屈服点，=240Mpa； n为材料Q235屈服极限的安全系数，一般取n =1.25。 因此，在隔爆型外壳无加强筋的情况下，矩形外四周外壁厚度t 可根据式（3-5）与式（3-6）得出： （3-8） 按照技术要求，单位面积上的横向压力P均取7.5Mpa，系数α和β取0.3078和0.0138。其矩形外壳底板厚度t根据式（3-8）得： 由于左右侧板与前后侧板的长宽比例相同，可以忽略其微小误差，其板面厚度根据式（3-8）得： 根据上述公式（4-3）和（4-4），使用插值法计算可求得主腔体整体板件的横向位移和最大应力，如表3-2 表3-2 壳体外形尺寸板对应的横向位移和最大应力 外形尺寸（mm） 厚度（mm） 短边长（mm） 板横向位移（mm） 最大应力（Mpa） 底板 530x530x16 16 530 0.912 2.56 左右侧板 500x530x8 8 500 6.81 5.33 前后侧板 500x530x8 8 500 6.18 5.33 为了加强侧板间的强度要求如图3-2所示，在加入加强筋后，模拟加强筋处结构，根据材料力学理论分析，其成简支条件，每块板可以被筋条隔成三块板，分析可得加强筋后，各板件的结构挠度和应力变化值，然后根据变化初步确定其厚度。 图3-2 主腔体加筋条板计算简图 在实际的腔体中其加强筋板块的具体分布示意图如图3-3所示 图3-3 加强筋板具体示意分布图 根据实际计算可得表3-3 接线腔及主腔体边界条件位移和应力结果 表3-3 接线腔及主腔体边界条件的位移和应力结果 外形尺寸（mm） 厚度（mm） 短长边（mm） 板最大横向位移（m'm） 最大弯矩（Nm） 最大应力（Mpa） 接线腔 左右侧板 350x300x8 8 300 0.76 895.78 1.73 前后侧板 376x300x8 8 300 0.56 875.62 1.41 主腔体 底板 530x530x16 16 530 0.912 938.8 2.56 左右侧板 500x530x8 8 500 0.794 1077.75 2.81 前后侧板 500x530x8 8 500 0.794 1077.75 2.81 4 盖板与法兰设计 隔爆箱的隔爆和防爆原理除了体现在整体机械强度的特性之外，还体现在接线腔和主腔与外界相隔离的法兰接合面的间隙大小和夹紧结构。隔爆箱是为了隔离机电设备启动时环境与外界环境的隔离，所以在设计的过程中，需要设计盖板与法兰结构来保证隔爆箱在危险情况下的有效利用。 4.1 盖板与法兰弹性变形计算 在实际隔爆箱设计过程中，盖板和法兰结合面在承受爆炸冲击的压力下，由于上腔接线腔不是位于主腔的主要爆炸点，因此在变形中，主要以主腔设计为主，其变形接合面部分的两个部分的弹性变形之和不能超过许用的间隙。法兰厚度比壳体厚度要厚得多，则强度不必校核，但其刚性必须校核。隔爆箱多为盖式结构，故隔爆箱接合面为平面法兰式结合，根据要求，盖的隔爆结合面的最小有效长度L≧25mm。[5] 根据《机械工程师手册》中对最大变形位置的受力分析及挠度计算。由于是固定外壳的结构，所以法兰板的边界条件应设为：两短边简支，一长边固定，两长边自由。得其主要变形参数为： 最大挠度： （4-1） 盖板的边界条件为：两短边简支，两长边自由。 最大挠度： （4-2） k1, k2是根据板的宽长比不同的系数，查阅设计手册，可选定板件在长宽比2以上时，可取k1=0.12, k2=0.14。 代入盖板和法兰尺寸和k1和k2的数值，计算结果如表4-1所示： 表4-1 盖板和法兰最大变形的计算结果 法兰厚度t（mm） 法兰宽度a（mm） 最大变形（mm） 接线腔盖板 368mmx368mmx18 18 32 0.025 接线腔法兰 368mmx368mmx18 18 32 0.021 主腔盖板 474mmx474mmx22 22 62 0.064 主腔法兰 474mmx474mmx22 22 62 0.055 由于接线腔箱体法兰和盖板的接合面不是爆炸冲击的主要点，为了方便使用，盖板与法兰之间的连接是用螺栓或螺钉联结，根据受力结果分析，螺栓（螺钉）紧固足够符合其安装精度。但是主腔盖板和法兰之间由于承受巨大冲载，其板中心受力后产生的扭力使隔爆结合面上的变形方向与压力方向相反，并且在使用的过程中，其关闭和开合的频率较高，所以使用其他的结构方式进行结合。 4.2 盖板和法兰厚度选取 由于隔爆面（既法兰和盖板接合面）为标准值，根据标准可知其接合面的宽度和间隙决定着个保姆的隔爆性能，因此经过查阅国家标准手册可得，其接合面宽度的最小值L和接合面间隙W数据对应表如表4-2:[5] 表4-2 接合面宽度的最小值L和间隙W的对应数据 平面接合面和止口接合面宽度L（mm） 与外壳容积V（L）对应的最大间隙W（mm） 安全系数为1.5时的允许间隙（mm） V≦100 V>100 6≦L<12.5 0.3 0.3 - 12.5≦L<25 0.4 0.4 0.133 25≦L 0.5 0.5 0.2 根据设计要求，可得骑许用挠度之间的关系式]: （4-3） 既：盖板许用挠度+箱体法兰许用挠度≦（隔爆结合面的允许间隙W-平面度公差B））/安全系数s 由于结合面为了符合结合标准，经过镗削或车削加工，并进行高精度的配合研磨，取平面度公差B取0.2mm。 s为安全系数，取s=1.5。 门盖板许用挠度+箱体法兰许用挠度不同，使用分配系数来区别其大小。边界条件下法兰的板最大挠度： （4-4） 有上式最终可得法兰最小厚度的公式： （4-5） 其中：l是简支对边距离，单位m； t是法兰板的厚度，单位m； c是应力系数，板的长宽比。 k是箱体法兰和盖板间隙的分配系数，其和为1。对箱体法兰来说，由于刚度较好。故k可取小些，这里取0.4；对盖板与箱体法兰相比较，刚度较差，k相应取大些，这里取0.6。 这里不考虑结合面维修余量，腐蚀公差等非控制因素，如果需要考虑，增加法兰之间的厚度。另外，根据设计要求在双面焊接和100%无损伤时，取焊缝系数Ф为1。 根据以上的分析，将上腔和主腔具体数据代入式（4-5），其中焊缝系数Ф为1，可以得到法兰最小厚度的理论计算结果。如表4-3所示。[6] [7] 表4-3 各箱体法兰最小厚度计算结果 参数 螺栓间距（m'm） 法兰允许最大间隙W（mm） 法兰最小厚度t（mm） 法兰最小厚度（考虑焊缝系数）（mm） 与原设计厚度与理论最小厚度差值（mm） 接线腔 123 0.1 11.23 14.20 -3.12 主腔体 128 0.1 18.34 18.02 -2.54 同样得到盖板最小厚度的理论结果，如表4-4 表4-4 各箱体盖板最小厚度计算结果 参数 螺栓间距（m'm） 法兰允许最大间隙W（mm） 法兰最小厚度t（mm） 法兰最小厚度（考虑焊缝系数）（mm） 与原设计厚度与理论最小厚度差值（mm） 接线腔 116 0.1 12.76 16.40 -3.35 主腔体 137 0.1 19.90 20.53 -2.74 可以从上表看出盖板比起箱体法兰的厚度大约厚8%左右，由于分配系数不同而得。实际工作中随着安全系数的取值不同，最小厚度也会有所变化。 外壳上的公制螺纹孔的公差等级应为GB/T197-2003和GB/T2516-2003规定的6H或以上，且螺纹隔爆面需要有防松有措施。补充说明若接合面可被电镀，此时，金属镀层不应应超过0.008mm，技术要求中需明确写出。 5 隔爆箱的快开门优化设计 参考大多数的隔爆箱的法兰与盖板连接设计，大部分的连接均采用螺栓（或螺钉，以下以螺栓设计为模板）连接，在实际的使用过程中，隔爆箱的开启使用频率大多集中在主腔的开启和关闭，所以使用螺栓紧固这种方式，对于高频率的开启和关闭的主腔盖门不合适，不仅不方便于实际过程中的使用，螺栓的紧定误差的累积也影响着隔爆箱的隔爆性能。故选择接线腔使用螺栓紧固的方式，主腔体使用开启门的优化方案。 接线腔使用螺栓紧固的方式连接法兰和盖板，则需要进行校核强度，由于腔体对盖板的载荷较小，选择合适的螺栓个数，保证其工作的稳定和安全，个数的多少影响着其结合面密闭性和安全。其接线腔和主腔接合面密封具体设计方案如下： 5.1 接线腔法兰与盖板连接 参考《李军，矿用隔爆型矩形箱体外壳强度设计计算》[6] 理论，由于矩形壳体是对称结构，适宜偶数个螺栓，由《材料力学》和《机械设计》可知盖板总拉力均匀分在各个螺栓（螺钉）上。当超过螺栓（螺钉）许用拉力时就加一对螺栓（螺钉），但当长宽比接近1时螺栓向上取整时要取4倍数为宜，以便长短边螺栓（螺钉）的间距相近。 设计中，接线腔合理的螺栓（螺钉）间距l应为螺栓（螺钉）公称直径的7-10倍，压力容器的封闭内压小于1.6Mpa时取7倍，一般联结取10倍螺栓（螺钉）直径。由于接线腔压力比主腔压力小，在对照GB3836.1中规定，选择实际工况为1Mpa。 根据机械工程手册，得到 （5-1） 其中：是预紧系数，在软垫片和静止载荷时取1.5-2.5，这里取1.5。 是螺栓相对刚度系数，在盖板使用刚性垫片和弹性垫片结合时取0.9。 是受力面的实际总受力大小，由工况压力既法兰结合面在连接时受到压强与面积乘积得到。 依公式（5-1），得接线腔的总受力为： 许用应力 是螺栓材料的屈服极限，通常螺栓为45钢，则其屈服极限为： 根据机械工程手册，考虑控制预紧力，不设计预紧力大小时，安全系数将取2-5，使螺栓直径d过大。由于箱体属于刚性密封，需要控制其预紧力，故其安全系数s应取1.2-1.5。 最终确定螺栓的许用应力在安全系数s=1.2时为300Mpa 算出各型号螺栓的实际许用拉力为： 其中是相应螺栓的螺纹底径面积（d=8，10，12，16mm） 上腔的盖板受力面尺寸是0.368mmx0.283mm，可得其总体长宽比为1.3 ，在设计腔体内压为1Mpa下受到的总压力为F=151200N. 若使用M8螺栓个数.根据机械设计安全规定，螺栓个数应取整数位最佳，并最好去偶数被的螺栓（螺钉）个数，因此向上去偶数16，布置方式可以是四角4个，每边中间各3个，间距为73.6mm，间距偏小。 若使用M10螺栓个数.为安全起见，螺栓个数向上去偶数10，布置方式可以是四角3个，每边中间各两个，间距为92mm，间距合适，故上腔盖板选取M10螺栓10个最为合适。 5.2 主腔快开门卡块结构设计 参考常雪飞《常雪飞，几种快开门结构的防爆壳体[J].煤矿机械，2010.11 P155-157[8] 的设计，快开卡块门或盖是利用快启门结构，在其运动轨迹中能实现其门或盖在其限定方向上的移动或转动等，如使用门板平移，使门或盖平移一段距离，让卡块离开限定位置，或着轮子的转动，使卡块离开限定位置等，实现打开或关合的门或盖的功能。由于受到极大爆炸载荷的作用，所以快开门卡块是外壳连接最危险的的部位，极易产生失效和安全事故。因此设计合理的卡块形状以及选定安全的安装位置是隔爆型正常使用的重要部分。 快开门卡块装置的结构使操作大致分为两个步骤完成，第一步使门和盖板实现相对位置的移动，第二步实现门或盖的安全脱离动作，这就是快开门卡块的开启动作顺序，反之，则为门或盖的关闭动作。因此在隔爆面，卡块受到很大的载荷，未来保证能够起到密封隔爆的作用，需要对其卡块的结构进行强度校核以及受力分析，确保能安全使用，并且要求在使用卡块结构后能充分体现与螺栓（螺钉）紧固的可靠性，还应具有极高的工作效率和优越的结构性能。[8] （一） 卡块连接结构 按照门或盖的结合形状形状可以分为圆形结构和方形结构，比较快开门卡块的开启和关闭方式的不同，大致可以分为门体平动操作结构、门体转动操作结构和偏向轮转动操作结构等，同时，由于卡块的形状的不同，也可大致将卡规、卡槽、或卡板等结构分为可分为U型、L型、T型卡块结构和E型（或齿型）等。 1.紧固件 2.壳体法兰 3.门板 4.U型卡块 图5-1 U型卡块结构 1.紧固件 2.壳体法兰 3.门板 4.U型卡块 图5-2 L型卡块结构 1.壳体法兰 2.门板 3.T型卡块 图5-3 T型卡块结构 1. 壳体法兰 2. 门板3.T型卡块 4.紧固件 图5-4 E型卡块结构 （二） 槽型开口连接结构 槽型结构中卡块通过安装在门或壳体的法兰上，用螺栓或螺钉紧固的固定件或者腔开口做成自带螺纹的结果，在门或盖关闭或打开过程中，通过对外力对其作用力，使其在固定的行程中产生平移，让其从限定的卡槽中做出相应动作或轨迹，从而实现对门或盖的关闭或打开。当隔爆箱电源开启，软起动程序进行的时候，门或盖与壳体法兰在外力的作用下，到达指定位置，由于受到卡块的约束，其不能产生有效移动，不会使隔爆结合面间隙存在增大的位移，保证其安全性。 当隔爆箱内部产生巨大的爆炸载荷的同时，门或盖受到内部爆炸载荷的作用，在其瞬间，爆炸冲击力对隔爆型门板具有向外的作用效果，卡块的作用就是约束其相对位移，控制隔爆间隙该冲击压力，限制门或盖与隔爆型壳体法兰之间隔爆间隙存在增大趋势，使其不能达到传爆极限，实现隔爆的目的。 （三） 平面结合结构 平面结合结构是不同的卡块分别与门或盖法兰和壳体法兰之间通过平面接合，其工作原理及隔爆机理同槽型开口结构相同，通过卡块之间的平面接触，达到卡紧隔爆面的目的。该种结构对最终隔爆间隙影响是主要因素为构成接合面平面本身的平面度，并且隔爆间隙不受构件的尺寸公差所主要限制因素。 综合考虑各种快开门开合结构，在实际的生产和设计中，选用U型卡块结构为设计方向，结构简单，便于实际加工过程中的利用，具有良好的连接强度，能保证隔爆外壳在主腔门或盖关合好，与螺栓连接方式相比较，更具有方便、安全可靠，确保隔爆性能。 技术要求需补充：装配后吊起前盖，测得隔爆结合面的间隙不大于0.25mm（或者：前门法兰与外壳法兰隔爆间隙应在出厂前调整为不大于0.25mm)。但是侧视图为0.3 ，出现矛盾，请更改一致.剖面图中，观察窗的部分，无法判断金属垫的位置，请确定金属垫在观察窗中的具体位置。 5.3 U型卡块结构计算 U型卡块，在箱体内部发生爆炸时，由于其爆炸载荷的作用，爆炸载荷对门板的压力大部分作用于门板和法兰的连接上，因此U型卡块平均受力，每个卡块受到剪切、拉伸和挤压的作用力，在选用U型卡块结构上，必须校核其隔爆性能，并选用最佳的设计尺寸，确保其安全使用。 （一） 隔爆性能计算 主腔内爆炸压力为7.5Mpa，U型卡块结构选用45号钢，固定方式为螺钉紧固，根据表3-1常用调质钢经调质热处理后的力学性能，可知其屈服极限=355Mpa，拉伸极限=590Mpa以及剪切极限为=0.7=242Mpa，安全系数为n=1.5。 表5-1常用调质钢经调质热处理后的力学性能 钢号 同意数字代号 力学性能 /Mpa /Mpa /% /% /J 45Mn U21402 590 355 17 45 47 45Mn2 A00452 885 735 10 45 47 （二） U型卡块结构校核 U型卡块的结构如图5-5，L为卡块限制位的长度，B为连接两门板和盖板的法兰厚度之和，卡块由螺钉固定在门板或盖板上。经过材料力学受力分析可知，在受到盖板的压力下，在不同截面内，U型卡块受到来自内腔爆炸的拉伸力、剪切力和挤压力作用，U型卡块的连接选用足够的强度螺钉紧固，考虑到U型卡块受力变形，其分析如下： 图5-5 U型卡块结构图 受到的挤压应力为： （5-2） 受到的剪切应力为： （5-3） 受到拉伸应力为： （5-4） 其中受到的作用力均为爆炸对U型卡块所均分的力，已知其所受到的压力位=126000N,则各截面的大小范围为：具体计算可得 由上可知为了满足U型卡块的牢固性，必须选用最大截面作为基础面，故根据GB3836.1-2010中的U型卡块标准，得U型卡块的形状标准为：L=20mm，B=40mm，t=10mm，C=20mm等。选用M10的螺钉进行固定。 5.4 快启门方式结构设计 参考《徐桂军，双向矿用隔爆快开门》[9] 的结构设计中，有多种不同的快启门方案，在结构设计上，方便快捷，具有很高的实用价值。通过外置或内置的结构，实现门或盖板的不同的位移方向，配合快开门卡块结构，或者不考虑其卡块结构，安全可靠的实现其需要的功能，使得门或盖能快速并且安全的开合。其主要的移动方向分为平移和提升两种移动轨迹，具体如下介绍： a. 平移式方式快启门结构 其典型平移式结构有很多，但大多数实际生产的快启门结构中，以偏心轴式方式快启门结构为主要设计方向，其结构和操作方式如下。 （一） 结构： 如图5-6所示，箱体铰链通过焊接或者螺钉紧固的方式固定在在箱体侧壁；门或盖通过门铰链焊接在门板上；滑动轴与箱体铰链用铰链轴连接；门铰链套在滑动轴上，可在滑动轴上滑动；驱动轴穿入门铰链上的孔，其端部偏心轴插入滑动轴上的U型孔中；扳手与驱动轴用销钉固定连接。 （二） 操作方式： 当门或盖板处于紧密配合（既关闭位置时），通过逆时针转动受到移动限制的扳手带动上下两个相对应驱动轴转动，由于上下两驱动轴端部通过平键或其他限制方式的偏心轴受到滑动轴上U型孔的限制，在驱动轴转动的同时，门板受力只能向右水平移动，同时带动门铰链和门板向右平移，当门板的位移L大于与箱体的限位后（既法兰连接卡块结构最大控制位置时），即可将门打开。反之，则为关门时动作顺序。 1.驱动轴 2.扳手 3.铰链轴 4.箱体铰链 5.滑动轴 6门铰链 7.门或盖8.箱体 图5-6 偏心轴式方式快启门结构 1.顶板 2.扳手 3.6.门铰链 4.箱体铰链 5.铰链轴 7.箱体 8.销轴 9.门板 图5-7 外置偏心轮式方式快启门结构 b. 提升式方式快启门结构 参考大多数实际生产的快启门结构中，可以看出提升方式结构简单，安全性高，其主要以外置偏心轮式方式快启门结构和外置旋转铰链快启门结构为主要设计方向，现主要介绍偏置偏心轮式快启门结构，其结构和操作方式如下。 外置偏心轮式方式快启门结构 （一） 结构： 如图5-7所示，顶板、箱体铰链焊接（或用螺栓连接）在箱体侧壁，门铰链用螺栓连接在门板上，并在门或盖板法兰连接处设计一个承载结构。扳手圆盘用销钉与门铰链连接，销钉孔与扳手圆盘构成偏心轮。扳手圆盘直径与顶板与箱体铰链之间距离相等。门铰链和箱体铰链用铰链轴连接。 （二） 操作方式： 在关门状态时，向上扳动扳手，由于扳手圆盘受到顶板与箱体铰链的限制，只能在顶板与箱体铰链之间滚动，扳手在以销轴为轴转动的同时，带动销轴向上移动。由于销轴穿在门铰链中，在销轴向上移动的同时，带动门板向上移动，当门板的位移L大于箱体的限位后（既法兰连接卡块结构最大控制位置）时，即可将门或盖打开。关门时需将扳手抬起，将门或盖抬高后再关闭，当门板与箱体完全闭合时，向下扳动扳手，门或盖下落，门或盖与箱体的限位装置贴合，达到关门的目的。反之，则为关门时动作顺序。 为了保证U型卡块与快启门结构配合，选用平移式方式快开门结构，偏心式方式快启门结构，由于其制造简单，结构便于利用。其主要动作顺序为：当门或盖处于关闭位置时，逆时针转动扳手或者驱动轴，带动上下偏心轴转动，由于驱动轴端部偏心轴滑块受到结构形状U型孔的限制作用，在转动的同时，受到手柄轴滑块的限制，向右水平移动，使得快开门卡块脱离箱体的限位，实现门或盖打开动作。关门时动作与开门时相反。 5.5 偏心式滑块快启门结构计算 （一） 偏心轴设计 a..确定偏心轮材料 偏心轴材料主要有球墨铸铁和锻钢两类。球墨铸铁的切削性能良好，可获得理想的结构形状，与钢质偏心轴一样可以进行各种热处理和表面处理（渗碳、渗氮等）来提高曲轴疲劳强度、硬度和耐磨性。由于在偏心轴处受到的压力对于精度的影响不大，所以偏心轴材料使用球墨铸铁。 b.确定偏心距 由于受到U型卡块的限制，为了满足卡块能完全离开法兰面，偏心距B必须大于卡块的长度L，具体结构如图6-8,当偏心轴绕着转动轴转动时，其运动轨迹为偏心轴向右和向下的位移量为一个偏心距B=10mm。 转动轴与偏心块用平键固定连接，为了实现盖门的向右移动，利用滑块与门板连接，使滑块在前后能自由移动，保证其连接的门板可以相对向右的移动。 图5-8偏心轴转动示意图 经设计，根据实际情况，可将偏心轴设计成有转动轴和偏心块连接在一起的偏心转动轴，在转动的过程中，为了消除偏心轴的前后移动，使用卡块结构限制其移动，在另一方向，由于没有受到限制，所以，偏心轴只能在水平方向移动。其结构如图5-9所示。同时可以得到偏心轴和滑块，与门板以及门铰链之间的相对移动变化轨迹如图5-10。 图5-9 偏心卡块与轴的安装示意 图5-10 偏心轴滑块与门铰链和门的移动变化 （二） 偏心轴滑块设计 根据设计要求，驱动轴并没有受到较大的载荷力度，其驱动轴选用直径为20mm的轴，然后由于在U型卡块的设计中，参考国家标准GB3836的设计要求，选择U型卡块的最大有效限制距离为10mm。所以偏心轴的偏心距和限制距离相等，为B=10mm，故可以确定偏心轴与滑块的详细参数为：轴=20mm，偏心轴=44mm，滑块的尺寸为54mm×54mm×20mm。 （三） 驱动轴设计 由于驱动轴是驱动偏心轴与滑块的主要动力，以及外加施载力的部位，所以根据设计特点，可将其驱动轴设计为图5-11的结构形式，由于考虑到手柄的连接在实际使用中会造成较大的问题，当手柄破损时，会使受力变得艰难，所以将手柄设计为空心轴，并在某位置打个通孔，在实际使用中，可以使用身边的工具进行驱动。 图5-11 驱动轴与其连接轴设计图 通过对驱动轴的设计，由于滑块固定位置有一定厚度的板件，所以在驱动轴的距离端部一定距离设计一个轴肩，用于固定其安装位置，并在顶部设计一个螺钉紧固，通过固定板固定于限定板间，由于其滑块需要移动，轴需要转动，所以改处不需要固定的很死。然后连接两驱动轴使用3mm厚的轴，使用销固定在一起，其具体结构如图。 （四） 整体固定方式 综合上述结构，可以设计出其整体与门板以及箱体的固定链接方式，如图6-12所示，门铰链的固定通过螺钉和板件在箱体上紧定，其移动固定端与铰链用双头螺栓固定连接，然后偏心轴和滑块的固定板通过焊接的方式固定在门板上。 图5-12 偏心轴和滑块与箱体整体固定方式示意 （五） 滑块材料设计 偏心轴与手柄连接，在手柄逆时针转动时，只能保证向右的移动，要打开盖板必须使得门板能够向右移动一个L的距离，使得门板能够与法兰安全分离。由于手柄没有受到极大的压力与弯矩作用，所以需要极大的钢性与强度。 为了保证滑块的可靠性，选用45号钢，用于强度要求较高、韧性中等的零件。 在向右移动的过程中，滑块受到驱动轴偏心块的作用力，因此必须保证在旋转过程中不能存在卡死等的现象，根据机械设计手册可得： 滑块移动偏心块转动条件： （5-6） 其中，为最大滑动摩擦系数； F为滑块受到的偏心对其的总压力； α为滑块间受力与法线方向的夹角 45号钢的材料密度为7.85g/cm3，根据驱动要求设计，驱动轴受到转动的力矩，分配到滑块所受到的压力位F=124N. 查阅机械设计手册和参考金属材料的力学性能表可以得到，金属材料摩擦系数表5-2。可知，滑块滑动摩擦系数为： 表5-2 金属材料摩擦系数表 材料A 材料B 摩擦系数 干摩擦条件 润滑摩擦条件 静摩擦 滑动摩擦 静摩擦 滑动摩擦 高硬碳 高硬碳 0.16 0.12-0.14 高硬碳 钢 0.14 0.11-0.14 钢 铝族元素 0.45 钢 黄铜 0.31 0.19 低碳钢 黄铜 0.51 0.44 低碳钢 铸铁 0.23 0.183 0.133 低碳钢 低碳钢 0.74 0.57 0.09-0.19 45号钢的在干摩擦条件下静摩擦系数为0.74，滑动摩擦系数为0.57。根据公式（6-6）可知，滑块受到的力与法线方向的角度为为，经经验公式与结论校核，该设计参数符合要求。 6 隔爆箱开箱保护开关设计 由于隔爆型电气设备的使用环境恶劣，极易引起瓦斯爆炸，在隔爆型电气设备启动时，会产生极大的能量，在隔爆箱没有完成关闭的时候，箱体缺乏安全性，不安全启动将箱体内部由于一些电气部件产生的火花或电弧并与箱体外部周围的爆炸性气体粉尘引燃和引爆，所产生的爆炸压力将会造成严重的事故。所以要保证隔爆箱的安全关闭之后才能启动电源进行工作任务。 6.1 开箱保护自锁开关结构设计 图6-1 电源自锁开关结构 如图6-1电源自锁开关结构，当电源关闭的时候，手柄移动到关闭位置，通过导套和导杆的作用伸长一端距离，通过与门板上的自锁装置组合，限制门板的移动。在限制了门板的运动中，其原理为，通过与门板的固定板相配合，在门板受到驱动轴作用下，门板向右移动时，受到自锁开关的作用，使其移动的过程受阻，并且该安全自锁开关的作用为，当需要软起动打开高功率电机时，弱电路开关开启，在短暂的延迟程序下，微型电脑或者plc等控制系统操作隔爆箱里面的防爆继电器，使得隔爆箱能满足在箱体完全关闭的情况下，安全自锁，防止突发的安全事故（隔爆面未安全密闭）的发生，起到防爆和隔爆的作用。如图7-2所示，电源自锁开关的安装尺寸示意图。 图6-2 电源自锁开关的安装尺寸示意图 6.2 安全结构开关尺寸设计 由于自锁在结构上，无较大的冲击压力及控制精度，只要保证在电源处于开启状态时，能够可靠的阻止盖门法兰间的有效闭合，因此所有部件使用标准间，导杆与导套之间使用合适的尺寸与工差。 但是在电源开启的时候必须保证开关在完全到达限制位时才能开启，因此在手柄必须设计精确，并在手柄电源连接处要有安全保护继电器。所以为了保证手柄能可靠使根据设计要求，手柄设计如图6-3所示。 6-3 手柄设计图 根据手柄所需的动作，转动的角度为70度左右（及开与关位置的转动角度），可根据实际情况进行加工，绘画出导杆的顶端与手柄接触面的移动曲线为图6-4所示： 图6-4 导杆的顶端与手柄