基于有限元法的高壓變頻器隔爆外殼設(shè)計(jì)

楊華

(中國煤炭科工集團(tuán)上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

為了滿足井下大型順槽帶式輸送機(jī)軟啟動要求，實(shí)現(xiàn)大功率高壓電機(jī)電氣軟啟動，需要研制大功率礦用高壓變頻驅(qū)動裝置。為了滿足煤礦安裝使用要求、以及電氣元器件和散熱器件布置要求，高壓變頻裝置的結(jié)構(gòu)尺寸會比普通變頻裝置的尺寸大很多，這就加大了防爆外殼設(shè)計(jì)的難度。在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，由于各種原因，很容易造成隔爆外殼強(qiáng)度的不足，導(dǎo)致設(shè)備安全性能不符合要求，通不過耐壓試驗(yàn)，或是設(shè)計(jì)過于保守，又會造成設(shè)備笨重、成本高昂。因此，必須選用一種合理可靠的方法來設(shè)計(jì)隔爆外殼。

本文項(xiàng)目高壓隔爆變頻設(shè)計(jì)中，首先確定隔爆外殼的大致尺寸，再用三維軟件Creo設(shè)計(jì)出外殼的3D模型，然后采用ANSYS軟件對模型進(jìn)行模擬壓力試驗(yàn)，并進(jìn)行殼體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)改進(jìn)。

1 建模及參數(shù)確立

本設(shè)計(jì)中的高壓變頻裝置是選取適合煤礦井下供電系統(tǒng)要求的高壓變頻器主回路結(jié)構(gòu)，定型功率器件，并結(jié)合本單位在礦用隔爆兼本安型電氣設(shè)備殼體設(shè)計(jì)和大型順槽帶式輸送機(jī)對驅(qū)動裝置的軟啟/制動、調(diào)速性能要求等方面所積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，完成礦用高壓變頻裝置內(nèi)部核心控制單元開發(fā)、電氣元器件布局設(shè)計(jì)、隔爆型殼體設(shè)計(jì)制造以及散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，最終形成供電電壓為6 kV、額定容量為1 900 kVA的隔爆兼本安型高壓變頻裝置，以滿足大型順槽帶式輸送機(jī)電動機(jī)功率為1 400 kW的驅(qū)動要求。

本裝置采用的是強(qiáng)制水循環(huán)冷卻+風(fēng)冷散熱方式進(jìn)行散熱[1]。由于變頻器芯體與隔爆外殼需要配合設(shè)計(jì)，因此在盡可能壓縮變頻器芯體體積的情況下，先期得到變頻器芯體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 變頻器芯體結(jié)構(gòu)

芯體結(jié)構(gòu)尺寸確認(rèn)后，留足芯體和殼體的間隙便得到隔爆外殼的內(nèi)腔尺寸，用CREO初步畫出殼體的結(jié)構(gòu)，圖2為初步設(shè)計(jì)的隔爆外殼圖。通過ANSYS和CREO的接口將初步設(shè)計(jì)的模型導(dǎo)入ANSYS中。

圖2 隔爆外殼初步結(jié)構(gòu)

芯體結(jié)構(gòu)尺寸確認(rèn)后，適當(dāng)放大便得到隔爆外殼的內(nèi)腔尺寸，用CREO初步畫出殼體的結(jié)構(gòu)，圖2為初步設(shè)計(jì)的隔爆外殼圖。通過ANSYS和CREO的接口將初步設(shè)計(jì)的模型導(dǎo)入ANSYS中。

在分析時(shí)用GLUE指令將模型中幾個(gè)檢修門和殼主體組合一起。殼體材料的彈性模量為E=2.0×105N/mm2，密度為ρ=7.8×10-6kg/mm3，泊松比為μ=0.3。在ANSYS中選擇單元類型為 Solid92，綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算機(jī)資源狀況，采用自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在自由劃分網(wǎng)格時(shí)設(shè)置精度為10 mm[2]。施加的載荷，即隔爆殼體內(nèi)的爆炸壓力。

由于隔爆型外殼必須能承受內(nèi)部爆炸性氣體混合物的爆炸壓力,并且要阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍的爆炸性混合物傳播。要求外殼有足夠的強(qiáng)度和剛度來承受內(nèi)腔的爆炸壓力。保證在過壓試驗(yàn)后外殼結(jié)合面不應(yīng)有永久性變形，外殼也不應(yīng)有影響防爆型式的損壞。根據(jù)GB 3836．2—2010的要求，爆炸壓力地按10 MPa計(jì)算[3]。

2 有限元分析結(jié)果

加載負(fù)荷后，進(jìn)行有限元分析，求解后，可以得到隔爆殼體的應(yīng)力分布云圖3、圖4。通過應(yīng)力云圖可以看出，在殼體交角處應(yīng)力較大，圖中淺色部位，應(yīng)力在400 MPa左右，而個(gè)別應(yīng)力點(diǎn)超過1 000 MPa。由于400 MPa區(qū)域的面積不算小，所以選用的殼體材料應(yīng)選用許用應(yīng)力大于400 MPa，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用Q460鋼作為高壓變頻裝置的殼體材料。

圖3 箱體正面應(yīng)力分布云圖

圖4 箱體背面應(yīng)力分布云圖

為了進(jìn)一步找出應(yīng)力集中的點(diǎn)，以便于焊接工程師進(jìn)行消除集中應(yīng)力設(shè)計(jì)，將殼體剖開，以便于看到殼體內(nèi)部應(yīng)力分布云圖。圖5為檢修門內(nèi)側(cè)應(yīng)力圖，圖6為檢修門內(nèi)側(cè)應(yīng)力圖，圖7為上殼體內(nèi)側(cè)應(yīng)力圖。由圖中可以看出殼體前面板應(yīng)力都在300 MPa以下，沒有應(yīng)力集中情況；檢修門內(nèi)側(cè)存在應(yīng)力集中情況，焊接時(shí)需要消除集中應(yīng)力；上殼體內(nèi)側(cè)，加強(qiáng)筋和上板接觸的地方局部應(yīng)力較大，也需要消除集中應(yīng)力。

圖5 前面板內(nèi)側(cè)應(yīng)力

為了分析殼體形變情況，保證前面門的隔爆面不會被破壞，進(jìn)一步運(yùn)用ANSYS得出變形云圖，如圖8、圖9、圖10所示。從圖中可以看出，殼體整體形變量不大，形變最大的部位在殼體上部和背面，最大形變量為4.618 mm。圖10中可以看出檢修門處的形變都很小,不會引起檢修門板和殼體隔爆接觸面處的間隙不會永久性增大。

圖6 門內(nèi)側(cè)應(yīng)力

圖7 上殼體內(nèi)側(cè)應(yīng)力

圖8 殼體前面變形云圖

圖9 殼體背面變形云圖

圖10 殼體俯視變形云圖

以上分析可以得出，當(dāng)殼體材料選擇Q460鋼以后，在加載1 MPa壓力載荷后，殼體整體只會發(fā)生塑性變形，外殼結(jié)合面不會發(fā)生永久性，外殼不會有影響防爆形式的損壞。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照模擬分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出高壓變頻裝置的隔爆外殼，并焊接加工成型，如圖11。

圖11 高壓變頻裝置殼體成品

根據(jù)GB3836.2—2010中的規(guī)定，隔爆殼體需進(jìn)行型式試驗(yàn)。首先進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1 MPa，保持時(shí)間大于10 s。實(shí)際試驗(yàn)情況，隔爆殼體在水壓達(dá)到1 MPa，并且保持60 s期間沒有發(fā)生影響隔爆殼體隔爆性能的滲水、漏水現(xiàn)象，門蓋稍有變形，泄壓后恢復(fù)形狀，水壓試驗(yàn)合格[4]。殼體完成水壓試驗(yàn)后，送檢測中心進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中隔爆外殼能夠不發(fā)生破壞，并能很好地隔爆。

試驗(yàn)證明，依據(jù)此次有限元分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出來的隔爆外殼，機(jī)構(gòu)合理，安全有效，能夠滿足煤礦井下安全要求。

4 結(jié)論

在本文的設(shè)計(jì)中，采用CREO設(shè)計(jì)3D模型，導(dǎo)入 ANSYS 軟件中進(jìn)行仿真分析，便可以直觀地分析殼體的變形情況及受力情況，并且能夠方便地調(diào)節(jié)各參數(shù)，以改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，極大地提高了設(shè)計(jì)的效率，并節(jié)省了大量資金。而在做有限元分析之前，設(shè)計(jì)者需要正確地分析隔爆殼體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，尤其是特殊的受力特點(diǎn)，準(zhǔn)確地了解載荷的分布情況，如受力位置、分布情況、載荷大??；同時(shí)，還要了解材料的力學(xué)性能、加工工藝。在運(yùn)用軟件分析時(shí)，需要根據(jù)隔爆殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，正確地選擇單元類型，合理地建立模型，并能施加合理的約束和載荷，才能得到正確的分析結(jié)果。設(shè)計(jì)人員必須結(jié)合相關(guān)力學(xué)知識，辨別分析結(jié)果的合理性，從而幫助我們來高效完成實(shí)際工作。