基于SolidWorks的隔爆型電控箱箱體改進設(shè)計*

胡文芳

(1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室， 山西 太原 030006)

0 引言

應(yīng)用于煤礦井下的隔爆型電控箱屬于I類設(shè)備，其爆炸性氣體環(huán)境除了甲烷外，可能還含有其他成分的爆炸性氣體，其隔爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計要嚴(yán)格遵守國家關(guān)于I類電氣產(chǎn)品的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。隔爆外殼既能夠承受通過外殼任何接合面或結(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，又不會引起外部由一種、多種氣體或蒸氣形成的爆炸性環(huán)境的點燃[1-2]。采掘工作面用電氣設(shè)備的外殼需采用鋼板或鑄鋼制成，不但具有耐爆性還應(yīng)具有隔爆性。

由于箱體結(jié)構(gòu)的大同小異，以往新箱體的設(shè)計思路是先靠經(jīng)驗或參照同類產(chǎn)品進行初步設(shè)計，即依據(jù)已經(jīng)經(jīng)過水壓試驗并取得認(rèn)證的定型產(chǎn)品，在已知定型產(chǎn)品采用的材料、板厚、法蘭蓋板厚度、緊固螺栓尺寸等條件下進行類比設(shè)計，再通過試驗發(fā)現(xiàn)問題后對設(shè)計方案加以改進。由于設(shè)計中依據(jù)不夠充分，這樣設(shè)計出的電控箱雖然滿足了防爆性能，但是箱體偏厚重，結(jié)構(gòu)存在較多不合理的部分，造成加工難度大等問題。鑒于此，本文運用SolidWorks軟件對隔爆型電控箱進行三維建模，利用軟件自帶的Simulation插件對箱體在1 MPa壓力下的應(yīng)力進行仿真分析，并以分析結(jié)果為依據(jù)，不斷調(diào)整簡化結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理，滿足強度要求的電控箱。

1 殼體模型的建立及簡化

隔爆型電控箱多數(shù)為整體框架式結(jié)構(gòu)，腔體分為單腔、雙腔和多腔結(jié)構(gòu)，我公司生產(chǎn)的隔爆型電控箱大多數(shù)分為接線腔和主腔兩個獨立的隔爆腔體。腔體的分割既保證了用電的安全又有效地防止了煤塵的進入。整個電控箱由箱體、接線腔門、主腔門、閉鎖機構(gòu)、引入裝置等組成。接線腔內(nèi)設(shè)有接線端子，用于電控箱的進出線。主腔內(nèi)安裝了斷路器、接觸器、變壓器、控制保護器等元器件，是電控箱的核心部分。箱體由多個薄壁矩形板焊接而成，與主腔門的連接處設(shè)有鉸鏈座，并通過螺栓緊固。箱體上端設(shè)有起吊環(huán)，便于電控箱的吊裝作業(yè)，兩側(cè)設(shè)有安裝板，方便整機的安裝布置。主腔門上設(shè)有觀察窗，內(nèi)裝有顯示器，用于顯示整機的工作狀態(tài)、故障診斷和歷史數(shù)據(jù)。原箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)電控箱的原始資料，運用SolidWorks軟件進行殼體三維建模，為了便于應(yīng)力分析，首先建立適當(dāng)?shù)募s束條件，并對約束條件進行簡化[3-5]，如：

1) 忽略箱體中的一些輔助部件，如急停按鈕護板、吊環(huán)、鉸鏈、標(biāo)牌、按鈕、手柄、把手、箱體安裝板、接地螺栓等。

2) 去除結(jié)構(gòu)中的倒角及小圓角等。

3) 忽略門板上的觀察窗口，認(rèn)為門板采用一整塊鋼板加工而成。

4) 把箱體作為一個整體進行分析并忽略箱體上所有的螺紋孔、連接螺栓的通孔等，認(rèn)為焊接處無虛焊、漏焊等缺陷。箱體作為連續(xù)整體，忽略焊縫和焊接殘余應(yīng)力的影響。

上述簡化可以提高建模的速度，同時降低網(wǎng)格劃分的難度和單元個數(shù)，但不會對箱體的重量及剛度產(chǎn)生較大的影響。

2 仿真分析與結(jié)構(gòu)改進

2.1 仿真分析

根據(jù)GB 3836.2—2010爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備的規(guī)定，應(yīng)對隔爆型殼體進行耐壓1 MPa的水壓試驗。由于試驗時壓力值是逐步緩慢加載至最大值的，并保持10～12 s，屬于靜壓法，所以確定應(yīng)力分析類型為靜態(tài)分析[6-7]。由于箱體總體高度不高以及水本身產(chǎn)生的壓力相對試驗用的水壓來說較小，以上因素對應(yīng)力值和位移值的影響較小，可忽略不計，僅認(rèn)為對箱體和門板內(nèi)側(cè)表面施加壓力。

實際加工中，箱體各零部件及門板選用的材料均為Q235A鋼，但是在SolidWorks自帶的材料庫中，沒有這號鋼材，我們選擇屈服強度相近的普通碳鋼代替，其彈性模量E=2.1×105N/mm2，泊松比μ=0.28，密度ρ=7 800 kg/m3，屈服應(yīng)力σ=220 MPa。將整個箱體連接重組為1個零件，以避免板與板之間的焊接部位重復(fù)受壓。網(wǎng)格劃分后在內(nèi)部施加1 MPa壓力，得出整箱應(yīng)力云圖如圖2所示，位移云圖如圖3所示。

圖2 箱體應(yīng)力云圖

圖3 箱體位移云圖

由圖2可知，箱體應(yīng)力最大處位于右側(cè)板與底板的焊接位置，最大值為273 MPa，雖然超出了材料的屈服強度235 MPa，但是在安全系數(shù)范圍內(nèi)。其余各板受到的應(yīng)力都較小，最小值為5 087.3 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達到材料的屈服強度?？梢?，原箱體的設(shè)計在強度上余量較大，應(yīng)力集中在右側(cè)板上，需要對右側(cè)板厚度及其筋板布置進行調(diào)整。

由圖3可知，箱體位移最大處位于右側(cè)板中央位置，最大值為1.648 mm，在彈性變化范圍內(nèi)。打壓10 s后，箱體恢復(fù)原樣，其余各板的位移量微乎其微。

通過對箱體進行載荷仿真分析可知，原箱體的右側(cè)板與底板的焊接處是薄弱部位，右側(cè)板上的應(yīng)力急劇增加，其余部位受應(yīng)力較小且強度儲備高，浪費了材料，需要對箱體各板的厚度、法蘭厚度、門板厚度以及筋板的布局進行調(diào)整。

2.2 結(jié)構(gòu)改進

經(jīng)過上述仿真分析，箱體各部的應(yīng)力及位移都有清晰的顯示，以此為依據(jù)，對箱體進行改進設(shè)計。

2.2.1 右側(cè)板筋板的重新布置

由于電控系統(tǒng)中元器件的更新?lián)Q代，其安裝位置也發(fā)生了較大的變化，根據(jù)現(xiàn)在使用的電器件安裝尺寸，重新部署右側(cè)板筋板的焊接位置。經(jīng)過多次改進設(shè)計及仿真計算，結(jié)合元器件的安裝尺寸，最終確定在右側(cè)板中間對稱布置2條筋板，取加強筋尺寸為400 mm×20 mm×20 mm，2條筋板的中間再橫搭兩條小筋板，尺寸為275 mm×20 mm×15 mm。筋板既起到了增強箱體強度的目的，又能固定元器件，省去了原來的安裝板及安裝墊塊。改進后的右側(cè)板經(jīng)應(yīng)力仿真分析得出的應(yīng)力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 改進后的右側(cè)板應(yīng)力云圖

圖5 改進后的右側(cè)板位移云圖

由圖4可知，改進后右側(cè)板受到的應(yīng)力最大值為217 MPa左右，在材料的屈服強度范圍內(nèi)，位移量最大為1.088 mm，得到了較好的改善。

2.2.2 法蘭及門板的減重設(shè)計

通過應(yīng)力分析得知，法蘭及門板的強度儲備高，需要對法蘭及門板進行減重設(shè)計。根據(jù)GB 3836.2—2010中對緊固件的要求[2]，選取8.8級M12×25 mm的內(nèi)六角圓柱頭螺栓22個，均勻分布在門板上，最小螺栓間距為103 mm。經(jīng)過多次仿真計算，最終門板選定厚度22 mm，法蘭面厚度28 mm。

2.2.3 其余各板厚度及筋板的調(diào)整

其余各板采用相同方法進行減薄設(shè)計，最終選定頂板厚度為16 mm，其余各板厚為14 mm，并去除一些多余的筋板。在薄弱部位增加筋板，如頂板長邊方向增加5條加強筋板，短邊方向增加2條加強筋板。最終，箱體各部分改進前后板厚對照如表1所示。改進后的箱體經(jīng)應(yīng)力仿真分析得出的應(yīng)力云圖如圖6所示。

表1 箱體各部位板厚對照表

由圖6 可知，改進后箱體應(yīng)力最大位于接線腔與主腔連接孔的邊緣處，最大值為244 MPa。此位置是安裝接線端子的地方，且只在小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力超出了材料的屈服強度，打壓10 s后，箱體恢復(fù)原樣。其余各板受到的應(yīng)力值均小于材料的屈服強度，滿足強度要求。

圖6 改進后的箱體應(yīng)力云圖

2.2.4 其他部位的改進設(shè)計

針對原接線腔門與箱體間僅是螺栓緊固，在現(xiàn)場檢修時需兩人配合才能保證安全卸載接線腔門，給操作工人帶來諸多不便，因此，在接線腔門與箱體間增加鉸鏈連接，方便開關(guān)門。

調(diào)整接線腔門把手的安放位置。原把手位于門板正中間位置，既不省力又不符合常規(guī)的開門方式。結(jié)合人體力學(xué)及工人的操作習(xí)慣，現(xiàn)將把手移至門板的偏右上方位置，更加便于人員操作。

增加門板定位銷。由于電控箱用于特殊的工況場合，經(jīng)常面臨淋水、潮濕的環(huán)境，長時間在整機劇烈振動作用下，易出現(xiàn)螺栓松動現(xiàn)象，造成門板與法蘭面存在相對運動，從而帶來隔爆接合面磷化層剝落、腐蝕嚴(yán)重、凹坑等問題。增加門板定位銷，有效防止了因螺栓松動造成的隔爆接合面的破壞。

3 結(jié)論

本文首先通過SolidWorks軟件對現(xiàn)有的隔爆型電控箱進行三維建模，利用Simulation插件對箱體在1MPa壓力下的應(yīng)力進行仿真分析，得出原箱體的設(shè)計在強度上確實余量較大，從而造成原箱體體積大、厚重。然后根據(jù)原箱體在1 MPa壓力下的應(yīng)力及位移云圖，找到箱體的應(yīng)力分布，并對強度富裕區(qū)域和薄弱區(qū)域分別進行結(jié)構(gòu)改進。經(jīng)過一系列的改進后，箱體在滿足強度要求的狀態(tài)下，總質(zhì)量由648 kg減為596 kg，成功減重8%。達到了減輕重量，減少材料用量，節(jié)約成本的目的，為今后同類型電控箱箱體的輕量化設(shè)計提供了一定的參考價值和借鑒經(jīng)驗。