煤礦電氣設備防爆殼設計研究范文

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摘要：

本文針對一種煤礦自動監(jiān)測電氣設備的防爆殼體結構展開設計，在對電氣設備防爆類型劃分的基礎上，提出了隔爆式自動監(jiān)測電氣設備防爆殼體的基本設計需求，并從核心設計和其它設計兩方面展開結構設計，包含殼體基本結構設計、基本形狀設計、材料選擇、厚度設計、內(nèi)徑設計、連接設計等多個方面，最終完成了防爆殼體的有效設計，達到了既定需求。

關鍵詞：

電氣設備；防爆殼體；結構；爆炸壓力

新世紀以來，隨著我國煤礦生產(chǎn)的整合和產(chǎn)業(yè)鏈條的不斷優(yōu)化，以規(guī)?；?、自動化生產(chǎn)為基礎的煤礦產(chǎn)業(yè)布局已經(jīng)形成，煤礦生產(chǎn)環(huán)境日趨完善。特別是在目前安全處于首位的生產(chǎn)背景下，各類自動化電氣設備在煤礦生產(chǎn)中的應用日益廣泛。然而，煤礦環(huán)境從根本上講是一種相對危險的環(huán)境，具有易燃、易爆、易塌方等典型的危險特征。因此，煤礦環(huán)境中所使用的電氣設備通常需要具有防爆的特點。防爆電氣產(chǎn)品作為一種非常特殊的產(chǎn)品，對防爆殼體的設計要求較高，但目前的很多煤礦用防爆電氣產(chǎn)品中的設計隱患廣泛存在，例如防爆設計過程中的緊固螺栓間距難以滿足爆炸需求，防爆殼體的原材料不符合標準，防爆殼體與產(chǎn)品接線端子間距超差等問題，使得防爆電氣產(chǎn)品的工作壽命和使用期限大大縮短，為煤礦安全生產(chǎn)埋下隱患。鑒于此，本文針對在煤礦生產(chǎn)易爆環(huán)境下的一種自動監(jiān)測電氣設備進行防爆殼體的設計，旨在實現(xiàn)此類自動監(jiān)測電氣設備防爆殼體的可靠性與穩(wěn)定性。

1電氣設備的防爆類型劃分

對煤礦生產(chǎn)而言，防爆電氣設備可采取不同的防爆方式，比較常見的有隔爆式、增安式、本質(zhì)安全式三類。

1.1隔爆式防爆電氣設備

隔爆式防爆電氣設備是目前在煤礦生產(chǎn)中最常見的一種防爆設備，它通過為電氣設備安裝防爆外殼，使外殼能夠承受爆炸產(chǎn)生的壓力，保證殼內(nèi)的電氣設備不會受到爆炸影響。當前在煤礦生產(chǎn)中使用的電動機、開關設備等一般都采取隔爆式，此類方式具有非常良好的防爆性能。

1.2增安式防爆電氣設備

增安式防爆電氣設備是利用附加手段提升電氣設備自身的安全性與穩(wěn)定性，盡可能避免電氣設備運行過程中可能發(fā)生的溫度、火花等危險情況，通常的做法包括有增加電氣設備的絕緣性能、對電氣設備表面溫度升高值進行限制等。

1.3本質(zhì)安全式防爆

電氣設備所謂本質(zhì)安全式防爆電氣設備，是一種相對被動的防爆電氣設備，主要是對電氣設備運行過程中的火化外漏進行處理，保障火花無法將生產(chǎn)環(huán)境中的爆炸性氣體進行點燃。此類方式一般用于自動化控制系統(tǒng)、通信設備等的部署。

2自動監(jiān)測電氣設備樣式與隔爆式防爆殼體設計需求

2.1基本樣式

本文所設計的隔爆式自動監(jiān)測電氣設備的防爆殼體，是為滿足礦井這種易燃易爆環(huán)境下自動監(jiān)測電氣設備正常工作需求。該自動監(jiān)測電氣設備通過安裝在礦井中對環(huán)境參數(shù)進行自動采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀ぷ髡就瓿勺詣颖O(jiān)測。在具體的設備安裝方式上，該自動監(jiān)測電氣設備水平或者垂直均可以，該自動監(jiān)測電氣設備的基本樣式如圖1所示。本文的主要設計目標是對自動監(jiān)測設備實施隔爆防爆。

2.2防爆殼體設計需求

針對以上自動監(jiān)測裝置，為其設計的防爆外殼需求如下：

（1）防爆認證：滿足我國防爆電氣設備標準化技術委員會編寫的防爆標準認證，以及滿足歐洲國家防爆標準認證。

（2）防爆材料：選擇滿足防爆標準需求材料，外涂用環(huán)氧樹脂。

（3）機械尺寸需求：外殼長度介于16cm至25cm之間，外徑介于11cm與14cm之間。

（4）使用溫度：大于零下40℃，小于60℃。

（5）接口需求：至少3個接口。

（6）讀數(shù)顯示需求：不論水平還是垂直安裝方式，均可以正視通過自動監(jiān)測設備讀取監(jiān)測數(shù)值。

3隔爆式自動監(jiān)測電氣設備防爆殼體具體設計

3.1核心設計

按照上述對自動監(jiān)測電氣設備防爆殼體的需求描述，并結合該設備的基本結構進行研究后得到如下初步的設計方案：

（1）殼體基本結構。該自動監(jiān)測電氣設備防爆殼體的最佳設計結構要能夠保證后續(xù)壓力產(chǎn)生時可實現(xiàn)相對均勻的分布，以及足夠小的內(nèi)部爆炸壓力，這有利于對爆炸的防御。由于該自動監(jiān)測電氣設備需要進行數(shù)據(jù)傳輸，因此設計的外殼必須包含有兩個不同功能的腔體，其一是核心元件放置的腔體，其二是線纜等連接性元件放置的腔體，兩腔體中間設置可通過防爆認證的部件（可選擇絕緣套管）實施隔離。為便于操作人員對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)查看，兩個腔體均需要設置對應的玻璃透明罩。

（2）殼體材料的選擇。由于煤礦井下環(huán)境相對惡劣，瓦斯爆炸事故時有發(fā)生，這就要求對自動監(jiān)測電氣設備的防爆殼體的設計必須要具有防爆性，具體而言是同時具有隔爆性以及耐爆性。因此，對于外殼材料的選擇，首先要以滿足隔爆與耐爆為基礎；同時，由于防爆殼體需要進行一定的組合，因此殼體的材料必須能夠以焊接工藝進行整合。綜上所述，本文選擇的材料為具有防爆性能的鋁鎂合金。

（3）殼體形狀設計。在電氣設備防爆外殼設計中，對于外殼形狀的設計一般是按照工作環(huán)境產(chǎn)生的爆炸壓力實現(xiàn)的。在煤礦生產(chǎn)環(huán)境中，瓦斯爆炸是最常見的，這種爆炸產(chǎn)生的環(huán)境溫度與壓力都較高。由于在爆炸過程中的高溫引起了壓力的增加，使得在容積固定的條件下，由Boyle-Mallet定律得到如下公式：PT=P0T0式中：T0與T分別表示爆炸前后的絕對溫度值，P0與P分別表示爆炸前后的壓力值。對外殼而言，爆炸所產(chǎn)生的壓力的大小與其體積大小并無直接的關系，而是與外殼的表面散熱面積有直接關聯(lián)。大量的實驗表明，相同容積條件下，由爆炸所產(chǎn)生的不同形狀外殼的壓力各不相同，具體如表1所示：從表1可以看出，在圓球形、圓柱形、長方形、正方形四種不同形狀容積中，圓柱形外殼的爆炸壓力最??；同時，圓柱外殼還具有受力均勻、整體緊湊等特點，適合作為本文自動監(jiān)測電氣設備的外殼基本形狀。

（4）殼體厚度設計。對于自動監(jiān)測電氣設備而言，防爆殼體并非是密封的，它不但需要提供外部的接口，而且也存在形狀的對接縫，這使得實際的爆炸壓力會受到更多因素的干擾，間隙越大，接口越多，殼體所承受的爆炸壓力就越小。根據(jù)部分專家對防爆國家標準的等效轉(zhuǎn)換標準，可得到針對圓柱外殼中對于壁厚的基本計算公式：δ≥pDi2[σ]tφ-p式中：δ為圓柱體外殼的壁厚；p為實際的壓力；Di為圓柱體的內(nèi)徑；[σ]t為固定溫度條件下的外殼允許應力；φ為焊接系數(shù)。對于防爆外殼壁厚的設計，除了考慮經(jīng)濟性問題之外，還需要考慮外殼的強度儲備。根據(jù)本文所選擇的鋁鎂合金外殼，可對其強度展開計算，同時將安全系數(shù)作為外殼允許應力的計算基礎。據(jù)此筆者根據(jù)實驗獲得的數(shù)據(jù)，得到此次防爆外殼壁厚的計算結果如下：δ=（4×10.784）/（2×45×1-4）=0.51cm

（5）內(nèi)徑設計。本文所設計的圓柱體狀的自動監(jiān)測電氣設備防爆殼體，還需要考慮殼體內(nèi)徑的尺寸設計與計算，內(nèi)徑大小通常需要從緊湊性、連接性、安裝性三方面考慮。本文所選擇的自動監(jiān)測電氣設備尺寸約為3.5英寸，內(nèi)徑需要保證電氣設備與外殼的緊湊契合；同時為了滿足罩體與電氣設備的連接，可采取內(nèi)螺紋結構；綜上因素，本文選擇內(nèi)徑大小為107.8mm的內(nèi)螺紋規(guī)格，這一數(shù)值是在充分考慮了機加工工藝的余量基礎上產(chǎn)生的。

3.2其它設計

（1）防爆殼體機械規(guī)格。根據(jù)前文對防爆殼體的初步設計，可進一步明確該防爆殼體的基本機械規(guī)格如下：殼體外徑：12cm殼體內(nèi)徑：1.08cm殼體壁厚：0.51cm殼體長度：2.6cm殼體寬度：1.7cm玻璃罩厚度：0.12cm殼體重量：4kg本防爆殼體的設計展示如圖2所示：通過上述三維展示圖，可以發(fā)現(xiàn)本次設計的防爆殼體實現(xiàn)了兩個不同腔體的連接，其中一個腔體帶有玻璃視蓋，另一個為非玻璃盲蓋，并借助螺紋形式實現(xiàn)相互連接，從而保障了腔體內(nèi)部和外部的隔爆。

（2）防爆殼體具體連接結構。本次設計的防爆殼體，兩個不同腔體之間的線路連接采取了穿墻隔蘭的方式，從而實現(xiàn)不同腔體獨自防爆的效果。圖3所示為防爆殼體中對于自動監(jiān)測的傳輸裝置與測量裝置的連接方式。測量裝置部分利用2個M8螺釘置于傳輸裝置的下方，而傳輸裝置則采用在左邊3個外部接口實現(xiàn)與外部電路的連接。

4結束語

本文從機械工程的視角，對煤礦易爆環(huán)境下的自動監(jiān)測電氣設備的防爆殼體進行了設計，最終設計的防爆殼體結構能夠有效滿足自動監(jiān)測電氣設備的防爆使用，為以后的該領域的類似產(chǎn)品設計提供了更穩(wěn)定、可靠的理論依據(jù)，這對于進一步提升煤礦井下電氣設備的防爆性能具有重要的意義。

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作者:張海燕 單位:東方機電有限公司