井下隔爆箱体结构的优化分析

2021-10-15闫文斌

机械管理开发 2021年9期

闫文斌

（山西宁武大运华盛能源集团庄旺煤业有限公司，山西宁武 036700）

引言

隔爆箱是煤矿井下供电系统的重要装备，主要作用如下：将易产生电火花的电气元件放入隔爆外壳内，利用隔爆外壳的密封性形成局部密封环境，将电气元件和井下易燃易爆的气体隔开，避免产生爆炸事故，同时要求隔爆箱具有极大的结构强度，以使箱体能够承受爆炸时的压力而不被损坏。目前为了确保矿用隔爆箱安全，通常采用局部加强的设计方案，导致箱体结构重量大、成本高，严重影响了井下布置时的灵活性。

1 隔爆箱优化方案

本文以KBSGZY-1600型隔爆箱为研究对象，箱体采用了大开盖结构，在箱体的两侧分布有瓦楞状的加强结构，利用ANSYS仿真分析软件[1]，模拟爆炸情况下的箱体受力。结果表明，在内部爆破的情况下，作用在隔爆箱上的应力主要分布在波纹板和箱体底架的筋条上，其中作用在波纹板上的最大应力约为244.7 MPa、最大变形量约为17.4 mm。根据分析结果，提出了一种对隔爆箱的优化方案，其一方面要对箱体薄弱的位置进行结构优化后加强，另一方面需要对结构强度大、应力较小的地方进行减薄处理，通过“此消彼长”和应力分散的方案来降低受力时的应力集中，进一步提升隔爆箱的使用稳定性。

由于相同受力时的应力主要集中在波纹板处，因此在优化时主要是对波纹板的结构和数量进行优化，考虑到实际加工能力和结构特性，选择以下三种优化方案[2]，具体内容如下：

方案一：选择厚度为5 mm的大波纹型波纹板，在波纹板的外侧对称设置2个筋板，在波纹板的内侧设置2组加强板。

方案二：选择厚度为5 mm的大波纹型波纹板，在波纹板的外侧对称设置3个筋板，在波纹板的内侧设置2组加强板。

方案三：选择厚度为7 mm的大波纹型波纹板，在波纹板的外侧对称设置2个筋板，在波纹板的内侧设置1组加强板。

2 不同方案分析

根据对箱内爆破时的压力分析，其最大压力约为0.8 MPa，因此为了模拟不同结构下隔爆箱受力情况，利用ANSYS仿真分析软件，对箱体内部施加1MPa的模拟压力，对不同结构下的箱体受力情况进行分析，然后利用数据统计的方式，对不同结构下箱体的应力和最大变形量进行汇总，结果如下页图1所示。

由下页图1-1可知：方案一，箱体的平均最大应力为230.1 MPa，比优化前降低了约5.97%；方案二，箱体的平均最大应力为227.4 MPa，比优化前降低了约7.07%；方案三，箱体平均最大应力207.5 MPa，比优化前降低了约15.2%。

由下页图1-2可知：方案一，箱体的平均最大变形量约为17.1 mm，比优化前降低了约1.72%；方案二，箱体的平均最大变形量约为12.9 mm，比优化前降低了约25.9%；方案三，箱体的平均最大变形量约为11.7 mm，比优化前降低了约32.8%。

图1 不同结构仿真分析结果

综上，采用方案三能够较大程度地降低隔爆箱在受力作用下的应力和最大变形量，具有最佳的优化效果。同时表明，方案一、方案二的应力和最大变形量情况差异性不大。因此，外侧筋板的数量对箱体结构强度影响较大，具体可以根据实际情况进行选择。

3 箱体结构形式优化

由于箱体结构、波纹板、加强板形状等均会对隔爆箱的使用效果产生较大的影响，在确定了箱体波纹板和外侧筋板的形式后，又进一步对箱体其他应力较为集中的地方进行优化，降低箱体的厚度。通过理论计算对比后[3]，采用将箱体厚度降低1.2 mm的方案，同时在减薄区域的外侧增加高度为11 mm、厚度为5 mm的加强筋条，筋条的间距为50 mm，最大变形量不仅能够对箱体结构进行加强，而且能够有效地增加箱体工作时的散热面积，优化后箱体应力和最大变形量情况如图2所示。

由图2数据可知，优化后箱体的最大应力约为216 MPa，比优化前降低了约11.7%；最大变形量约为10.59 mm，比优化前降低了39.1%。优化后的最大应力集中比方案三有所增加，这主要是由于在箱体上增加散热加强筋条，导致一定的应力集中，但增加筋条后的结构强度比优化前有了大幅提升，因此综合评估更能够满足隔爆箱的实际需求。