隔爆外壳的计算

1隔爆外壳的计算隔爆外壳的壁厚大多是依据现有产品的数据进行选择，但是也可以进行一些简单的理论计算，作为理论根据。隔爆外壳大多为长方形或圆筒形。外壳的计算就是确定外壳的壁厚，法兰的厚度以及选择紧固螺钉的大小和数量。一长方体外壳壳壁厚度的计算在计算长方体外壳壁厚时可以采用下面的公式：TkCpδbσ（1）式中δ壁厚的计算厚度cm；b矩形薄板短边长度cm；k安全系数；C应力系数；见表1；p设计压力，MPa；σT薄板材料的屈服极限，MPa。表1应力系数Ca/b1.01.11.21.31.41.51.6∞C0.13740.16020.18120.19680.21000.22080.22080.2208a为矩形薄板长边的长度cm分析式(1)和表1，可以得到薄板的边长比a/b与薄板的厚度δ的关系，如表2所示。表2薄板厚度δ和边长比a/b的关系a/b1.01.11.21.31.41.51.6∞δ0.0273a0.0268a0.0261a0.0251a0.0241a0.0231a0.0216a0.0216a2按照表2数据，可以画出长方形薄板的边长比与厚度的关系曲线，如图1所示。图1长方形薄板的边长比与厚度的关系曲线从图1中可以看出，长方形薄板的厚度δ随边长比a/b的增加而呈非线性地减小。当边长比a/b=1.0，也就是说，在正方形时，薄板的厚度最大，δ=0.0237a；当边长比a/b=1.5时，薄板的厚度δ=0.0231a，此时的厚度为正方形的85％。在长方形隔爆外壳的设计中，通常认为，长方形外壳的大侧面的长边a与短边b之比约为3/2，是一种比较合理的结构比例，而外壳的厚度（小侧面，第三边）应该根据内部安装元器件的尺寸来确定。在计算外壳壁厚时，只要计算得大侧面的厚度，就可以基本上确定其他壳壁的厚度了，当然，也可以将所有的壳壁的厚度计算后得到一个合适的厚度。举例说明：试计算外形尺寸为1000mm×750mm×350mm钢制结构（Q235-A）外壳壁厚1计算底板（1000×750大侧面）壳壁的厚度：查表1求C：a/b=1000/750=1.33，C=0.1990；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ1=2.46cm。2计算顶板（750×350小侧面1）壳壁的壁厚：查表1求C：a/b=750/350=2.1429，C=0.2208；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然3后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ2=1.21cm。3计算侧板（1000×350小侧面2）壳壁的壁厚：查表1求C：a/b=1000/350=2.8571，C=0.2208；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ3=1.21cm。从上述的理论计算可以看出，底板厚度应该选取δ=25mm，顶板和侧板的厚度应该选取δ=13mm。但是，一个箱体具有不同的壁厚，显然不能令人满意。为改变这种情况，在底板上焊接加强筋，以减小底板的厚度。如采用合适的十字形加强筋的话，就把底板分成面积相等的4小块，每一小块的尺寸为500×375。这时，按式(1)计算出δ4=1.22cm。这个数值和顶板、侧板的厚度基本相同。根据上述的理论计算和实际的设计经验，建议这个隔爆外壳壁厚的设计厚度选取δ=15mm上述计算经过计算机模拟计算和防爆的相关试验完全满足要求。二圆筒形隔爆外壳壁厚的计算计算圆筒形隔爆外壳的壁厚时可以采用下列公式：2itpDp（2）式中：δ圆筒形外壳的壁厚，cm；P设计压力，MPa；Di圆筒形外壳的内径，cm；〔σ〕t设计温度下圆筒形外壳材料的许用应力，MPaφ焊缝系数，见表3表3焊缝系数4焊缝种类探伤范围100％无损探伤局部无损探伤不做无损探伤双面对接焊1.00.90.7单面对接焊焊缝全长有垫板0.90.80.65焊缝全长无垫板0.750.70.6现举例如下：试计算内径为300mm的钢质结构（Q235-A）圆筒形隔爆外壳的壁厚。设：设计压力p=1MPa，钢板采用单面对接焊，并且不做无损探伤检查。查资料得Q235-A的许用应力t=111.8MPa。数据代入公式（2）中，得圆筒形隔爆外壳的壁厚δ=0.23cm。可以采用3mm。三圆筒形隔爆外壳端盖壁厚的计算对于圆筒形隔爆外壳来说，它的端盖大致可以归纳为三种形式：半球形封头-圆筒-法兰型、半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型和平面型，如图2所示。abc图2圆筒形隔爆外壳端盖结构示意图a半球形封头-圆筒-法兰型端盖；b半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖；c平面型端盖。5对于半球形封头-圆筒-法兰型端盖，圆筒部分的壁厚δ0可以按照下式计算：02pR(3)封头部分的壁厚可以按照下式计算：2213120.28prR(4)这里需要指出的是，半球形封头与圆筒之间的连接可以设置半径为5-10mm的圆角，这样可以有效地减少弯曲力矩和应力。在下述的半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖上也应该采用这种圆角进行过渡。对于半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖，圆筒部分的壁厚可以按照式(3)进行计算；封头部分的壁厚可以按照下式计算：2222prc（5）对于平面型端盖，圆形平板的厚度可以按照下式计算：233pr（6）在上述的公式中：p设计压力，MPa；r封头的球半径，cm；r1半球形封头-圆筒-法兰型端盖圆筒部分的半径，cm；r2半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖椭圆的长轴半径，cm；r3平面型端盖圆形平板的半径，cm；c半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖封头的高度，即椭圆的短轴半径，cm；6［σ］材料的许用应力，MPa。四外壳法兰厚度的计算在计算矩形外壳法兰的厚度时，可以采用下列公式：30.6kpaaEiB(7)式中：δ法兰的计算厚度，cm；a法兰上两个相邻的紧固螺栓（螺钉）之间的距离，cm；α扰度系数，如表4所示；p设计压力，MPa；k安全系数；E所用材料的弹性模量，MPa；i隔爆间隙，cm；B平面度，cm；φ焊缝系数，如表3所示。现以长方形钢质（Q235-A）法兰为例，计算法兰的厚度。表4扰度系数a/b11.522.53456∞α0.2400.1550.1660.1680.1680.1680.1680.1680.168b隔爆接合面宽度即法兰宽度，cm假设：法兰上两个相邻的紧固螺栓之间的距离a=10cm，设计压力p=1MPa，隔爆接合面宽度b=2.5cm，隔爆间隙i=0.02cm，安全系数k=1.5，平面度B=0.005cm（原文为0.0004cm），扰度系数α=0.168，φ=0.6；查材料手册得出材料的弹性模量E=2×105MPa。将这些数据代入式(7)7计算得出，法兰厚度δ7=1.44cm。当计算圆筒形外壳的圆环法兰时，仍可使用公式(7)，只是在计算完成后，对计算结果乘以1.2-1.3系数就可以了。需要特别指出的是：a上述计算的法兰厚度仅仅是经加工后应该保证的必要厚度，毛坯件的厚度应该由工艺人员予以考虑。除此之外，隔爆外壳法兰的厚度还应该根据不同材料考虑螺钉的拧入深度（推荐：紧固螺纹拧入深度可以这样考虑：对于钢及青铜，1倍螺纹直径；对于铸铁，1.25倍螺纹直径；对于铝，2倍螺纹直径）。b法兰上两个相邻的紧固螺栓之间的距离，通常情况下，取100mm是较为合理的，在相同条件下，间距太小所用的螺栓太多，间距太大时所用的螺栓少了，但是螺栓直径大了，隔爆接合面宽度将增大。五紧固螺栓的选择在隔爆型电气设备中，隔爆外壳的紧固螺栓的选择，必须考虑诸多因素，例如，紧固螺栓的性能等级，隔爆接合面的宽度参数（L和l），紧固螺栓之间的距离，隔爆外壳壳盖的受力面积等等。在选择时，首先应该确定预选螺栓的数量，然后，按照下式计算每个螺栓所承受的拉力：pmFn（8）式中：F每个螺栓所承受的拉力，N；p设计压力，MPa；m受力面积，cm2；n紧固螺栓的数量。接着，可以根据螺栓受力大小按照表5选取螺栓直径。8表5螺栓（4.8级）的保证载荷N螺栓直径M3M4M5M6M8M10M12M14牙型粗牙159027704490635011500183002660036300细牙————12400204001940029200引自GB3098.1紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱