YBJC系列四級隔爆型電動機的防爆設(shè)計特點分析

辛　聰

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司， 上?！?00240)

?

YBJC系列四級隔爆型電動機的防爆設(shè)計特點分析

辛聰1,2

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司， 上海200240)

摘要：介紹了YBJC系列四級隔爆電動機的防爆設(shè)計原理及要求。闡述了隔爆接合面(包括螺紋接合面及非螺紋接合面)的設(shè)計要求、隔爆外殼接合面最小寬度及最大間隙、電機滾動軸承的軸與軸承套的間隙規(guī)定、隔爆外殼材料的選用、按應(yīng)力分析結(jié)果改進相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。介紹了防爆性能考核的試驗，如最高表面溫度試驗、爆炸壓力測定試驗、過壓試驗、內(nèi)部點燃的不傳爆試驗。

關(guān)鍵詞：四級隔爆；防爆電機；應(yīng)力分析

0引言

防爆電動機是廣泛應(yīng)用于具有爆炸性氣體出現(xiàn)的環(huán)境中，滿足安全可靠運行要求的電動機。負載類型多為風(fēng)機、水泵、壓縮機等。隨著我國石化行業(yè)的大力發(fā)展，對應(yīng)用于ⅡC類爆炸性氣體(H2、C2H2、CS2)環(huán)境中的電機的需求與日俱增。隔爆型電機由于其本身結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、防爆可靠性高、易于維護等優(yōu)點，得到了市場的廣泛接受與認可。文章所述的針對要求苛刻的ⅡC類爆炸性氣體環(huán)境而專門研制開發(fā)的YBJC系列電機，俗稱“四級隔爆”電機。下面以首臺樣機的開發(fā)與試制為例，分析相關(guān)防爆設(shè)計特點。

1防爆原理與基本要求

隔爆型，是指其外殼能夠承受通過外殼任何結(jié)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，并且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點燃。

要達到上述標準，保證隔爆型電機的運行安全可靠，對電機的隔爆外殼及其隔爆參數(shù)有特殊的要求。

隔爆接合面類型分為螺紋接合面和非螺紋接合面。螺紋接合面應(yīng)符合表1和表2中給出的要求。

表1　圓柱形螺紋接合面

表2　錐形螺紋接合面a

非螺紋接合面又可分為平面接合面、止口接合面、錐形接合面、鋸齒接合面、具有圓弧面的接合面等。接合面的平均粗糙度Ra不允許超過6.3 μm。接合面應(yīng)進行防銹處理，防銹油脂可在裝配前涂敷在接合面上，但不應(yīng)老化變硬，不含汽化溶劑，并且不引起接合面銹蝕。

GB 3836.2—2010中指出：對于規(guī)定用于含有乙炔爆炸性氣體環(huán)境中的ⅡC類電氣設(shè)備不允許使用具有圓弧面的接合面，且只有符合下列所有條件，才允許采用平面結(jié)合面：

1) 隔爆接合面的間隙i≤0.04 mm；

2) 隔爆接合面的寬度L≥9.5 mm；

3) 隔爆腔體的容積≤500 cm3。

所以，針對一般含有氫氣的ⅡC類爆炸性氣體場合，大中型電動機通常采用止口結(jié)合面。在確定止口接合面寬度L時，應(yīng)考慮下列情況之一：

——隔爆接合面為圓筒部分加平面部分(見圖1a)。在此情況下，無論何處間隙均不應(yīng)超過表3中給出的最大值。

——隔爆接合面僅包含圓筒部分(見圖1b)。在此情況下，平面部分不必符合表3中的要求。

L=c+d(ⅡA、ⅡB、ⅡC)

c≥6.0 mm(ⅡC)

d≥0.50L(ⅡC)

f≤1.0 mm(Ⅰ、ⅡA、ⅡB、ⅡC)

1——外殼內(nèi)部

圖1　止口接合面

如果使用可壓縮或彈性材料襯墊，以防止潮氣或灰塵侵入，它應(yīng)起輔助作用而不能將接合面隔斷，在確定隔爆接合面寬度時不計入。

如果平面接合面或接合面的平面部分被用于裝配隔爆外殼零件的螺紋緊固件的孔分隔，則到孔邊沿的距離l(如圖2所示)應(yīng)不小于下列值：

——當接合面寬度L<12.5 mm時，6 mm；

——當接合面寬度12.5 mm≤L<25 mm時,8mm；

——當接合面寬度L≥25 mm時，9 mm。

圖2　平面結(jié)合面上的孔

另外，用于防爆結(jié)合面的緊固件允許螺紋嚙合的螺紋深度h(見圖2)，應(yīng)至少等于緊固件螺紋的外徑，螺紋公差應(yīng)符合GB/T 197—2003和GB/T 2516—2003的6H級，且該緊固件不允許采用塑料或輕合金材質(zhì)。對于不穿透隔爆外殼壁的螺孔，隔爆外殼壁的剩余厚度應(yīng)至少是螺栓直徑的三分之一，最小為3 mm。

GB 3836.2—2010中指出：ⅡC類電機不允許使用滑動軸承。電機軸與軸承套之間的間隙如表3所示，另外，其最小徑向間隙k(見圖3)不應(yīng)小于0.05 mm，最大徑向間隙m(見圖3)不應(yīng)超過表3中對于該類軸承蓋允許的最大間隙的三分之二。

元件　　k——允許的無摩擦最小徑向間隙；m——計入k值時的最大徑向間隙；D-d——直徑差。圖3　旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)軸軸承蓋接合面

隔爆電機外殼(機座、端蓋、出線盒等)的材質(zhì)一般采用鑄鐵或鋼板焊接，其機械強度，ⅡC類電機的外殼通常需能承受2.0 MPa壓力。并且設(shè)計時要考慮避免壓力重疊現(xiàn)象的發(fā)生，因為如果一個外殼包括幾個相互連通的空腔或內(nèi)部零件的排列被分隔，則可能產(chǎn)生比正常壓力更大的壓力和壓力上升速率。電機隔爆外殼不應(yīng)采用鋅或鋅含量高于80%的鋅合金制成。若采用鑄鐵外殼，其材料等級不低于150級。

電機的自帶外風(fēng)扇，應(yīng)有風(fēng)扇罩保護，風(fēng)扇罩不視為電機的外殼。但是，外風(fēng)扇、風(fēng)扇罩的距離應(yīng)至少為風(fēng)扇最大直徑的1/100，但不必大于5 mm，在任何情況下，不應(yīng)小于1 mm。通常，外風(fēng)扇、風(fēng)扇罩的絕緣電阻不應(yīng)大于109Ω。

2防爆設(shè)計特點

根據(jù)我公司多年生產(chǎn)的ⅡB類YBJC系列電機，建模分析結(jié)構(gòu)件應(yīng)力以優(yōu)化及改進相關(guān)防爆結(jié)構(gòu)，滿足ⅡC類電機的要求。

圖4　防爆零部件應(yīng)力分析結(jié)果示意圖

材質(zhì)方面，考慮到適合批量生產(chǎn)，我們選用鑄鐵外殼，材料等級為HT250，由于考核壓力從以往ⅡB類的1.5 MPa提高到2.0 MPa，設(shè)計時結(jié)合相關(guān)防爆零部件的應(yīng)力分析，做了進一步優(yōu)化，例如增加支撐筋、放大過渡圓角及增加壁厚等，分析結(jié)果如圖4所示。分別設(shè)計了全新的測溫出線盒及加熱器出線盒，避免因合二為一，可能造成壓力重疊而產(chǎn)生的危險。電纜引入裝置采用樹脂澆注密封結(jié)構(gòu)，引出線的接口采用壓緊密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱穩(wěn)定性試驗的考核，滿足防爆標準要求。

隔爆接合面全部采用止口接合面形式。為滿足防爆標準要求，同時兼顧通用化及生產(chǎn)制造可操作性，止口接合面僅采用圓筒部分(如圖1b所示)。其中，接合面寬度L≥28±0.2 mm，最大間隙控制在0.15 mm。

電機軸采取二次加工。軸承套與軸之間隔爆接合面采用圓筒接合面，接合面寬度L≥62±0.2 mm(如圖5所示)，該處與軸配合的最大設(shè)計間隙控制在0.3 mm以內(nèi)。為防止間隙小而引起抱軸情況的發(fā)生，在軸承套內(nèi)側(cè)澆鑄一圈錫銅合金。銅套材料為錫青銅，牌號為ZCuSn5Pb5Zn5，與鑄鐵結(jié)合部分采用鴿尾槽結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式如圖5。

圖5　軸承套銅套示意圖

校驗緊固螺栓強度，參考現(xiàn)有ⅡB類YBJC450端蓋，與機座間連接螺栓由8只增加到16只。保證2 MPa壓力下，緊固件的可靠性。

零部件結(jié)合平面增加一圈φ4橡膠密封圈，提高了電機的防護性能，能更好的適用于石化廠里普遍存在的戶外使用環(huán)境。

3防爆性能考核及試驗

對隔爆型電機除應(yīng)進行GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》中要求的有關(guān)檢查和試驗外，還應(yīng)按GB 3836.2—2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設(shè)備》進行如下的試驗。

3.1最高表面溫度的試驗

根據(jù)GB 3836.1—2010，測定最高表面溫度的試驗應(yīng)在電動機額定輸出功率時，電機輸入電壓為90%或110%的額定電壓，即電機在最不利的運行條件下測定電機的最高表面溫度；測定的電機最高表面溫度應(yīng)低于電機所屬的溫度組別，對于溫度組別為T6，T5，T4和T3組的電機，其最高表面溫度應(yīng)比其所對應(yīng)的溫度組別低5 K。對于YBJC系列四級隔爆電機，其溫度組別為T4(135℃)，則其最高表面溫度折算到環(huán)境溫度40℃時，應(yīng)不大于130℃。

根據(jù)所投樣機的試驗結(jié)果，在環(huán)境溫度17.5℃時，測得樣機的最高表面溫度為46℃，該樣機符合國家標準對隔爆型電機表面溫度的要求。

3.2爆炸壓力測定試驗

為了驗證隔爆外殼是否能夠承受內(nèi)部的爆炸壓力，需測定一個參考壓力值。旋轉(zhuǎn)電機應(yīng)在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行試驗。電機由自己的電源來運行，也可通過輔助電動機拖動，轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的90%。對于ⅡC類電動機，點燃電動機內(nèi)部的可燃性氣體應(yīng)在電動機的每一端開始，在電動機靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下交互進行，至少應(yīng)進行4組爆炸試驗。使用的爆炸性混合物及其在大氣壓下與空氣的體積比如下：(14±1)%乙炔和(31±1)%氫氣。每次試驗包括點燃外殼內(nèi)部的爆炸性混合物和測量爆炸產(chǎn)生的壓力。在這些試驗期間測出的、相對于大氣壓力最大平滑壓力的最高值，即為參考壓力。

參考壓力一般在不高于最低環(huán)境溫度下進行測量，若在一般環(huán)境下使用規(guī)定的試驗混合物，需在提高試驗混合物的壓力條件下進行測定。試驗混合物的絕對壓力應(yīng)按如下公式進行計算：

P=100[293/(Ta,min+273)]kPa

式中：P壓力(kPa)；

Ta,min其數(shù)值表示環(huán)境溫度的相反數(shù)(℃)。

試驗結(jié)果顯示，在14%乙炔和31%氫氣條件下分別測得最高爆炸壓力，樣機主腔為1.893 MPa和1.792 MPa，接線腔為0.907 MPa和0.650 MPa。

3.3過壓試驗

過壓試驗有兩種方法：靜壓法和動壓法。靜壓法施加的壓力是所測得的參考壓力的1.5倍，加壓時間至少應(yīng)為10 s，且只進行一次。動壓法試驗時，爆炸性混合物需預(yù)壓，以便產(chǎn)生1.5倍參考壓力的爆炸壓力，對于ⅡC類電動機，應(yīng)進行三次試驗。

如果試驗后，外殼未發(fā)生影響防爆型式的永久性變形或損壞，則認為試驗合格。此外，在接合面任何部位的間隙都不應(yīng)有永久性的增大。

樣機主腔采用靜壓法，依據(jù)上述所測參考壓力，施加3.0 MPa靜壓，歷時12 s，結(jié)果無損壞、變形。接線腔采用動壓法，設(shè)定初始壓力(預(yù)壓)50 kPa，所測得最高爆炸壓力1.370 MPa，結(jié)果無損壞。

3.4內(nèi)部點燃的不傳爆試驗

拆除電動機上的襯墊，將電動機放置在一個試驗罐里。對于ⅡC類電動機，不傳爆試驗有兩種等效的方法，方法一為增加試驗間隙，方法二為增加壓力。

方法一，應(yīng)將除螺紋接合面之外的所有接合面的間隙加大到下列數(shù)值：

1.35iC≤iE≤1.5iC

對平面接合面，最小試驗間隙為0.1 mm；

式中：iE為試驗間隙；iC為圖紙上的最大結(jié)構(gòu)間隙。

外殼內(nèi)和試驗罐內(nèi)均充以相同的爆炸性氣體混合物，在大氣壓下與空氣的體積比為：27.5±1.5%氫氣和7.5±1%乙炔。每種混合物進行5次試驗。

方法二，外殼應(yīng)按照下列公式規(guī)定的試驗間隙iE進行試驗：

0.9iC≤iE≤iC

外殼和試驗罐內(nèi)充以與方法一規(guī)定相同的爆炸性氣體混合物，其壓力為1.5倍的大氣壓。對每種混合物進行5次試驗。

樣機按方法一增加試驗間隙，經(jīng)檢驗符合要求后進行試驗，初始壓力(預(yù)壓)50 kPa，試驗結(jié)果未傳爆，通過考核。

4結(jié)語

四級隔爆電動機的設(shè)計要綜合考慮電磁、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、絕緣以及工藝性等因素。設(shè)計選用合理的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，既能確保電動機使用的安全性可靠性，又可兼顧整機制造成本及可行性。本文綜述的四級隔爆電機防爆設(shè)計要點，經(jīng)過樣機驗證，達到理想效果，掌握其要點及經(jīng)驗有助于今后更好的開展同類電機的設(shè)計工作。

·信息點滴·

菲律賓21個水電和地?zé)岚l(fā)電項目招標

菲能源部近日就21個地?zé)岚l(fā)電和水電勘探和開發(fā)項目進行招標。菲能源部稱已接到39份標書，涉及2個地?zé)岚l(fā)電項目和14個水電項目，參加投標的公司包括世界最大的地?zé)峁綞nergy Development Corp以及 AP Renewables Inc和 Aboitiz Power Corp等。

20150301