隔爆型电机外壳强度的计算

2014-08-30，，

防爆电机 2014年3期

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(1佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯 154002；2沈阳透平机械股份有限公司，辽宁沈阳 110869；)

0 引言

煤炭、石油、化工等行业生产时会形成爆炸性气体环境，所以需要选用隔爆型电机、增安型电机和正压外壳型电机。根据国家标准GB 3836—2010的要求，增安型电机的要求越来越严格，特别是高压电机，必须增加吹扫装置，这给用户的使用和维护带来很多麻烦；而正压外壳型防爆电机，不仅需要昂贵的正压补偿设备和惰性气体，还需要很好的密封。而电机运行场所的工作环境多存在潮湿，有爆炸性气体、腐蚀性气体和各种尘埃等情况，密封和维护制约着正压型防爆电机的安全运行。而隔爆型电机具有价格合理、使用维护方便等诸多特点，在特定的条件下，隔爆型电机成为了首选产品。

隔爆型电机的隔爆外壳，由机座、端盖、内盖、轴承套、电缆引入装置(隔爆接线盒)等组成，本文只针对隔爆电机的机座外壳进行强度计算。

1 隔爆型电机的防爆原理

组成隔爆外壳的零部件，相互间靠平面结合面、止口结合面或平面加止口结合面装配在一起组成完整的隔爆外壳。结合面之间存在安全间隙称为隔爆间隙，但必须符合有关防爆规程的要求。当隔爆型电机运行在爆炸性气体环境中，可燃性气体一定会进入隔爆外壳内，当外壳内产生火花、电弧、或危险温度时，其能量足以引燃爆炸性气体混合物时，爆炸火焰从隔爆间隙窜到外壳外部，火焰能量瞬间降低至不能引燃外壳外部可燃性气体的能量，不允许引起爆炸气体环境爆炸，这就是隔爆原理。

2 隔爆外壳的重要性

当外壳内部产生爆炸时，会产现很强的爆炸压力，如果外壳强度不够，将会引爆整个爆炸性气体环境，给生命和财产造成重大损失。因此隔爆外壳设计是隔爆型电机的关键，必须能承受规定的爆炸压力不损坏或不会永久变形。因为损坏或变形会破坏外壳的隔爆性能，所以隔爆外壳要有足够的机械强度和刚度。为保证隔爆型电机的隔爆性能，组成外壳的各零件之间的配合间隙和配合面也必须要符合GB 3836.2—2010 爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备。值得注意的是：隔爆型电机外壳表面的温度也要按照温度组别控制在规定范围内，否则超过规定温度时，外壳本身就成为引爆源，就会点燃电机周围可燃性气体。

3 隔爆外壳的结构

按照隔爆型电机外壳几何形状可分为两种：一种是圆筒结构；另一种是箱式结构。冷却方式IC411、IC511等系列电机机座外壳是圆筒结构，结构示意图见图1，而IC81W(YBKS)系列电机机座是箱式结构，结构示意图见图2。

图1 IC411、IC511系列电机机座外壳结构

图2 YBKS(IC81W)系列电机机座结构

4 隔爆外壳钢板厚度的计算

电机外壳内部有定子铁心、铸铝转子、线圈、内风扇、挡风板等零部件。当电机内部爆炸时，各零部件一定会使电机内部存在压力集中和重叠现象，而且外壳承受压力(达到和接近爆炸压力)时间又很短，在几十毫秒到几百毫秒内即结束。根据试验结果，在瞬时的外力作用下钢材的极限强度和屈服强度都可提高，所以外壳强度计算涉及的因素较多，国内外均在研究更准的计算方法。本文提供的方法，即电机外壳按照静载荷计算，再通过试验验证和类比方法，确定合理的外壳尺寸。

根据外壳受力情况，外壳形状应尽可能设计成圆筒状，以防止爆炸压力过分集中和重叠。但由于外壳内部安装的部件所占据的位置和加工工艺的要求，以及使用操作条件等限制，也允许将外壳设计成其它形状，如箱式结构，使用此结构一定要十分小心，这种结构不仅很难计算，一旦设计不合理，爆炸压力集中和重叠现象十分明显，很难通过防爆试验。国内外的隔爆型电机也很少采用此结构，所以下面我们只介绍圆筒外壳静载验算方法。

(1)壁厚设计公式根据第三强度理论，以内径Da公称直径，考虑焊缝对强度的削弱作用以及腐蚀的影响，实际壁厚设计公式为

式中，t—实际壁厚(cm)；P—设计压力(kg/cm2)；Da—外壳内径(cm)；[σ]—材料的许用应力(kg/cm2)；φ—焊缝系数，或许用应力折减系数(<1)；C—壁厚附加量(cm)。

(2)各计算参数的选择

P—设计压力(kg/cm2)考虑间隙泄压的滞后情况，推荐设计压力为最大爆炸压力。

[σ]—材料的许用应力(kg/cm2)。

在常温下，以应力极限σs为强度指标时的安全系数ns和以强度极限σb为强度指标时的安全系数nb是不同的，但二者之间又有一定的关系。一般先规定nb=3.0，然后根据一般材的屈强σs/σb=0.55，使σs/ns=σb/nb，从而得到ns=1.65，这对碳素钢制成的外壳是正确的。钢板的许用应力值见表1。