120kw電機(jī)軟啟動(dòng)隔爆箱優(yōu)化設(shè)計(jì)【全套含CAD圖紙、說(shuō)明書】

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The explosion occurred in the volume of instability inside the box, the box is not completely sealed surface should be less than the combined amount of deformation allowable amount of deformation, to prevent an explosion inside the volume to volume spread outside the box. Mine explosion-proof metal tank shell is closed rectangular box shape composed of six panels, which is processed to form the general use of steel plate welded or direct casting method. In the design of its metal panels to follow the elastic small deflection theory, Mechanical Design Handbook formula principle, each panel stress, deformation calculation, select the optimum shape and size. Open the door structure taking into account the mine explosion-proof design of practical, according to the intensity of the above stiffness analysis results to determine the mine wall thickness, in the form of Open the door structure flameproof electrical equipment enclosure, the calculation results are analyzed and discussed, to a structure improvements. Key words： The flameproof enclosure; The resistance blastability; Explosion-proof performance; Open the door structure - 4 - 目 錄 1 緒論 1 1.1 隔爆箱設(shè)計(jì)調(diào)研情況 1 1.2 隔爆箱設(shè)計(jì)要求與數(shù)據(jù)參數(shù) 1 1.3 主要設(shè)計(jì)思想 1 2 隔爆箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 2.1 工作要求分析 2 2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 2.2.1 形狀的選取 2 2.2.2 材料的選取 2 2.3 總體設(shè)計(jì)方案分析 3 3 外形尺寸設(shè)計(jì) 3 3.1 隔爆壓力分析 3 3.2 具體外形尺寸設(shè)計(jì) 4 3.2.1 外殼變形參數(shù)計(jì)算 4 3.2.2 矩形外殼壁厚選取 5 4 蓋板與法蘭設(shè)計(jì) 8 4.1 蓋板與法蘭彈性變形計(jì)算 8 4.2 蓋板和法蘭厚度選取 9 5 隔爆箱的快開門優(yōu)化設(shè)計(jì) 11 5.1 接線腔法蘭與蓋板連接 11 5.2 主腔快開門卡塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 5.3 U型卡塊結(jié)構(gòu)計(jì)算 15 5.4 快啟門方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 5.5 偏心式滑塊快啟門結(jié)構(gòu)計(jì)算 18 6 隔爆箱開箱保護(hù)開關(guān)設(shè)計(jì) 21 6.1 開箱保護(hù)自鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 6.2 安全結(jié)構(gòu)開關(guān)尺寸設(shè)計(jì) 22 7 其它部分設(shè)計(jì) 23 7.1 接線端子設(shè)計(jì) 23 7.2 電氣間隙和爬電距離設(shè)計(jì) 26 7.3 下支架設(shè)計(jì) 27 7.4 水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì) 27 7.5 部分零件設(shè)計(jì)要求 27 - 5 - 8 結(jié)論 28 謝辭 29 參考文獻(xiàn)： 30 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 34 頁(yè) 共30頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 1 緒論 1.1 隔爆箱設(shè)計(jì)調(diào)研情況 煤礦、鐵等礦產(chǎn)資源是人類社會(huì)賴以生存的重要物資，其開采及運(yùn)輸過(guò)程需消耗巨大的動(dòng)力，目前主要依靠電力或大功率防爆柴油機(jī)，井下作業(yè)環(huán)境通常伴隨瓦斯等可燃?xì)怏w。由于井下動(dòng)力設(shè)備具有功率大、外漏明火的特點(diǎn)，為確保施工安全，所有設(shè)備必須配備性能可靠的隔爆系統(tǒng)。 隨著煤炭井下作業(yè)要求的提升，采及運(yùn)輸過(guò)程需消耗巨大的動(dòng)力，許多煤礦井下所需要大型機(jī)械需要更高的功率電氣設(shè)備，井下用電負(fù)荷同時(shí)也在成倍增長(zhǎng)，由于已經(jīng)地面供電系統(tǒng)容量小，往往難以滿足井下大功率（1000kW以上）高壓電機(jī)的啟動(dòng)要求。目前主要依靠電力或大功率防爆柴油機(jī)，井下作業(yè)環(huán)境通常伴隨瓦斯等可燃?xì)怏w。由于井下動(dòng)力設(shè)備具有功率大、外漏明火的特點(diǎn)，為確保施工安全，所有設(shè)備必須配備性能可靠的隔爆系統(tǒng)。 以礦井井下電氣應(yīng)用為例，長(zhǎng)期以來(lái)，井下一直沒(méi)有隔爆型高壓?jiǎn)?dòng)設(shè)備，即便是可直接啟動(dòng)的高壓電機(jī)也是用隔爆真空配電裝置中的真空斷路器來(lái)控制高壓電機(jī)的啟、停，給瓦斯突出礦井井下高壓電機(jī)的配電帶來(lái)困難。 1.2 隔爆箱設(shè)計(jì)要求與數(shù)據(jù)參數(shù) （一） 設(shè)計(jì)總體方案應(yīng)綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)、需求、功能、經(jīng)濟(jì)等方面影響因素； （二） 本設(shè)計(jì)可供電壓660V范圍系列軟啟動(dòng)器共用；箱體采用矩形結(jié)構(gòu)，主腔最小有效內(nèi)腔容積125L；機(jī)械式開箱保護(hù)； （三） 遵循相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繪制產(chǎn)品總裝圖、部分主要零件圖，工程圖紙表達(dá)準(zhǔn)確、清晰、規(guī)范； 1.3 主要設(shè)計(jì)思想 井下作業(yè)環(huán)境通常伴隨瓦斯等可燃?xì)怏w。由于井下動(dòng)力設(shè)備具有功率大、外漏明火的特點(diǎn)，為確保施工安全，隔爆箱設(shè)備必須具有性能可靠的隔爆能力。 將礦用電氣產(chǎn)品的啟動(dòng)元件放在特制的隔爆箱的箱體內(nèi)，在高壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)軟起動(dòng)的方式進(jìn)行一拖一的軟起動(dòng)方式，但是在啟動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生極大的爆炸沖擊力，因此該箱體具有將箱體內(nèi)部引起爆炸的火花或電弧與箱體外部周圍的爆炸性氣體粉塵等隔離開來(lái)作用，并且能承受通過(guò)箱體的內(nèi)部電氣設(shè)備引起的火花和電弧引起爆炸時(shí)所產(chǎn)生的爆炸沖擊力，不使箱體被變形損壞。 基于金屬材料的彈性和彈塑性理論，對(duì)礦用隔爆金屬外殼的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析，以氣體爆炸的原理設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，參考選擇隔爆型電氣設(shè)備，設(shè)計(jì)隔爆箱的具體參數(shù)尺寸，以便在產(chǎn)品承載性能試驗(yàn)之前就可以得到比較合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，參考快開門結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)其可用簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，提高礦用隔爆外殼設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。 2 隔爆箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 隔爆箱的正常工作需要具備極大的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)于大功率的隔爆軟起動(dòng)，在使用的過(guò)程中，需要有極好的隔爆和耐爆性能，在其殼體的結(jié)構(gòu)選擇上，不同的形狀和材料有著不同的機(jī)械性能基礎(chǔ)，所以選擇好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于提高隔爆箱的性能。 2.1 工作要求分析 隔爆箱殼體由鋼板結(jié)構(gòu)組成，在密封狀態(tài)下，受到爆炸沖擊力的作用下，需具有較強(qiáng)的剛度和特性，因此隔爆箱應(yīng)該滿足2個(gè)工作要求： （一） 耐爆性，由于殼體具有很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)內(nèi)部危險(xiǎn)氣體的爆炸（瓦斯等可燃?xì)怏w和粉塵）爆炸時(shí)，不會(huì)發(fā)生塑性變形以及極限損壞，其特性由金屬材質(zhì)強(qiáng)度和殼體結(jié)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)決定； （二） 隔爆性，當(dāng)隔爆箱內(nèi)部產(chǎn)生爆炸后，箱體雖與外界可燃?xì)怏w接觸，但其由于電氣設(shè)備失效產(chǎn)出的電弧引起的爆炸火花不能透過(guò)隔爆接合面，使外部可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸。殼體隔爆面的結(jié)合間隙和法蘭寬度決定了其隔爆性能。[1] 2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1 形狀的選取 隔爆外殼的幾何形狀多種多樣，其大部分的幾何形狀為長(zhǎng)方體和圓柱體等形狀，由于長(zhǎng)方體外殼的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于電氣設(shè)備的安裝搭設(shè)，能充分利用殼體的內(nèi)腔空間，并且在大量的理論實(shí)踐中證明：隔爆體在相同容積、不同形狀的形態(tài)下，球形殼體的爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊壓力最大，長(zhǎng)方體殼體爆炸沖擊壓力最小，因此，隔爆外殼多采用長(zhǎng)方體形狀。[2] 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的箱體擬采用矩形結(jié)構(gòu)，主要形狀參數(shù)為主腔最小有效內(nèi)腔容積125L，故可以得到主腔的內(nèi)腔容積尺寸為500mm×500mm×500mm。 2.2.2 材料的選取 井下所使用的防爆箱殼體材料，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主要為鑄鋼、鑄鐵、鋁合金等材料。對(duì)于大部分高功率啟動(dòng)隔爆箱殼體必須采用鋼板或鑄鐵構(gòu)成，目前應(yīng)用較多的材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，多數(shù)為平板結(jié)構(gòu)。 為追求最大的價(jià)值利益，其“性價(jià)比”是至關(guān)重要的指標(biāo)，隔爆箱除了技術(shù)性能上的優(yōu)點(diǎn)為，制造價(jià)格也是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB3836.2-2010規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)體積較大的防爆箱殼體時(shí)，增加殼體結(jié)構(gòu)板材厚度，會(huì)使整個(gè)設(shè)備重量增加，不利于隔爆箱的起吊運(yùn)輸，同時(shí)也增加了其制造成本。 因此，在滿足安全可靠的前提下，隔爆外殼用鋼材的選擇應(yīng)滿足GB3836.1~2-2010的要求，同時(shí)應(yīng)符合強(qiáng)度、力學(xué)性能和彎曲性能的要求。在鍛件制造中，隔爆殼體法蘭、快開門裝置和隔爆套在鍛造過(guò)程中，必須控制鍛造溫度，不容許有鍛造缺陷。并且其材料等級(jí)應(yīng)不低于HT150，不能在其加工面附近設(shè)澆注口，鑄造后不應(yīng)有太多的氣泡和密集的砂眼，影響工件質(zhì)量。 本次課題選定為：隔爆箱外殼采用的材料為碳素鋼Q235-A，屈服極限=240Mpa，強(qiáng)度極限取=400Mpa。 2.3 總體設(shè)計(jì)方案分析 隔爆型控制箱體的設(shè)計(jì)依據(jù)為隔爆原理，根據(jù)國(guó)標(biāo)防爆標(biāo)志GB3836.2-2010，在控制箱體設(shè)計(jì)中，選定隔爆箱的基礎(chǔ)參數(shù)之后，最重要的是分析合理的隔爆面尺寸和外形參數(shù)以及整體箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，使設(shè)計(jì)的隔爆箱滿足隔爆和耐爆性能要求，隔爆型控制箱體設(shè)計(jì)參數(shù)為主要爆炸的瞬間沖擊壓力、隔爆箱體各壁面的最大應(yīng)力變化值、位移值和安全系數(shù)。 隔爆箱在內(nèi)部可燃?xì)怏w遇到機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的電弧等引起爆炸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大能量，在理論密閉的隔爆箱內(nèi)，對(duì)各壁面造成巨大沖擊載荷，因此對(duì)于爆炸產(chǎn)生的壓力理論值計(jì)算，以及矩形外殼內(nèi)壁的厚度計(jì)算是隔爆箱安全性的重要組成部分。在隔爆箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，優(yōu)化其生產(chǎn)質(zhì)量，既對(duì)其材料尺寸和性能做強(qiáng)化設(shè)計(jì)，使用最佳的尺寸參數(shù)。針對(duì)對(duì)于隔爆箱的使用情況，參考大多數(shù)的隔爆箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其使用的連接方式多數(shù)為法蘭螺栓連接的方式，在使用中，雖然可靠性強(qiáng)，但是在開門和關(guān)門的過(guò)程中，十分不便利與利用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于主腔的快啟門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是隔爆箱外形設(shè)計(jì)的高效設(shè)計(jì)方案。 本課題中，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：隔爆壓力的計(jì)算，矩形外殼內(nèi)腔壁厚的選取，蓋板和法蘭厚度的選擇和快啟門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 3 外形尺寸設(shè)計(jì) 隔爆箱的外形尺寸設(shè)計(jì)主要有隔爆壓力的計(jì)算以及外殼變形的參數(shù)變化、箱體面板的厚度分析計(jì)算。根據(jù)基本材料參數(shù)，決定其工作的性能和優(yōu)越性。 3.1 隔爆壓力分析 參考王啟龍《隔爆殼體的設(shè)計(jì)研究》[2] 研究表明，當(dāng)密閉容器中可燃?xì)怏w爆炸時(shí)，爆炸壓力既產(chǎn)生氣體生成物的最初瞬間的沖擊壓力在忽略隔爆箱中電氣設(shè)備的容積變化的條件下，根據(jù)波義耳-馬略特定律，得爆炸前后后壓力變化公式為： （3-1） 式中： —?dú)怏w爆炸后的壓力，單位為帕（Pa） —?dú)怏w爆炸前的壓力，一般為Pa（為一個(gè)大氣壓）。 —?dú)怏w爆炸后的絕對(duì)溫度；； —?dú)怏w爆炸后的絕對(duì)溫度；； —?dú)怏w爆炸后的溫度，由于井下爆炸的主要來(lái)源為爆炸氣體和粉塵混合物，主要含量為甲烷氣體，若其濃度8.5%，則在密閉空間爆炸燃燒后最高可達(dá)2650，一般可達(dá)1800—2200。 —爆炸前的溫度，一般常溫為15—17 （3-2） 在課題設(shè)計(jì)爆炸后溫度下，隔爆控制箱體承受的爆炸壓力位8.3~8.5，但是由于爆炸生成物在箱體內(nèi)自由擴(kuò)散，會(huì)引起熱損失并以熱量等其他方式釋放一部分能量，因此爆炸后的溫度大約為1800，理論計(jì)算中爆炸壓力為在左右?？紤]到實(shí)際使用中具有一定的變化因素限制，取設(shè)計(jì)壓力位 。 除了考慮材質(zhì)強(qiáng)度提高殼體的耐爆能力外，殼體容積、散熱面積和隔爆參數(shù)等同樣也影響著殼體耐爆性能。但是在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中表明，實(shí)際爆炸壓力對(duì)于容積的大小的影響很小，不過(guò)在殼體容積相當(dāng)時(shí)，其表面的散熱面積的不同對(duì)爆炸壓力的影響很是巨大，并且外殼結(jié)構(gòu)的間隙還對(duì)爆炸壓力的隔爆性起很大的作用。 既在隔爆面間隙大小相同，而容積不同的情況下，若隔爆箱內(nèi)腔容積愈小，間隙對(duì)壓力的影響就越大。為了減少由電氣設(shè)備失效所引起的爆炸對(duì)外部氣體的威脅，必須同時(shí)從隔爆殼體的材料、尺寸和配合質(zhì)量等方面提高殼體的隔爆性和耐爆性。 3.2 具體外形尺寸設(shè)計(jì) 3.2.1 外殼變形參數(shù)計(jì)算 參考孫海林《隔爆電氣設(shè)備外殼強(qiáng)度分析及參數(shù)化設(shè)計(jì)》[3] 的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)彈性和塑形強(qiáng)度理論可知，矩形結(jié)構(gòu)外殼的殼壁可視為在整個(gè)板面上，爆炸的壓強(qiáng)對(duì)各板面受力，其受力形式為均布載荷，由于板面為四邊固定的等厚矩形板模型。根據(jù)彈性和塑形強(qiáng)度理論力學(xué)計(jì)算，最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)位于在矩形長(zhǎng)邊的中心位置，設(shè)改點(diǎn)為最大應(yīng)力變化點(diǎn)P，則其最大撓度位置也位于四邊固定板面中心，設(shè)為最大撓度位置點(diǎn)O。當(dāng)矩形相鄰兩板之間的夾角為銳角并相交時(shí)，則應(yīng)力將增加；但若其相鄰兩板我為圓角相交時(shí)，由計(jì)算數(shù)據(jù)可知應(yīng)力集中將會(huì)大大降低。 對(duì)與殼體四周側(cè)面的變形，只要不影響外觀，允許具有一定余量的塑性變形，否則根據(jù)《材料力學(xué)》理論設(shè)計(jì)需要增加壁厚或加強(qiáng)筋，這樣不僅能完全利用材料的強(qiáng)度，還減輕減輕產(chǎn)品的重量，降低加工成本。 故板面中心的最大彎曲正應(yīng)力為： （3-3） 其最大撓度： （3-4） 上述公式中， 系數(shù)與矩形長(zhǎng)和寬比值關(guān)系見表3-1；b為矩形板的寬度，mm； 為實(shí)驗(yàn)壓力，；t為矩形板的厚度，mm；E為材料的彈性模量。 表3-1 系數(shù)ɑ和β關(guān)系表 a/b 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 ?2 ɑ 0.3078 0.3834 0.4356 0.468 0.487 0.4974 0.5 β 0.0138 0.0188 0.0226 0.0251 0.0267 0.0277 0.0284 其板面中心的最大彎曲正應(yīng)力根據(jù)公式（3-3）為： 其最大撓度根據(jù)公式（3-4）為： 3.2.2 矩形外殼壁厚選取 參考肖林京《基于SolidWorks的礦用隔爆箱彈塑性力學(xué)分析》[5] 設(shè)計(jì)理念，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量在板與板相交處靠圓角相交，以圖3-1的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表示。 底面板面由于爆炸會(huì)使隔爆接合面產(chǎn)生永久性的塑性變形或彈性變形，保證其不超過(guò)允許規(guī)定值，將不會(huì)影響到隔爆性能。因此隔爆接合面（蓋板和法蘭的結(jié)合面）是隔爆外殼強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵。 圖3-1 四邊固定的等厚矩形板模型圖 根據(jù)第三強(qiáng)度理論，引起材料屈服的主要因素是最大切應(yīng)力，而且不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力達(dá)到材料單向拉伸屈服時(shí)的最大切應(yīng)力，材料既發(fā)生屈服，其相應(yīng)的強(qiáng)度條件為: （3-5） 相當(dāng)應(yīng)力: （3-6） 即: （3-7） 式中， 為Q235材料屈服點(diǎn)，=240Mpa； n為材料Q235屈服極限的安全系數(shù)，一般取n =1.25。 因此，在隔爆型外殼無(wú)加強(qiáng)筋的情況下，矩形外四周外壁厚度t 可根據(jù)式（3-5）與式（3-6）得出： （3-8） 按照技術(shù)要求，單位面積上的橫向壓力P均取7.5Mpa，系數(shù)α和β取0.3078和0.0138。其矩形外殼底板厚度t根據(jù)式（3-8）得： 由于左右側(cè)板與前后側(cè)板的長(zhǎng)寬比例相同，可以忽略其微小誤差，其板面厚度根據(jù)式（3-8）得： 根據(jù)上述公式（4-3）和（4-4），使用插值法計(jì)算可求得主腔體整體板件的橫向位移和最大應(yīng)力，如表3-2 表3-2 殼體外形尺寸板對(duì)應(yīng)的橫向位移和最大應(yīng)力 外形尺寸（mm） 厚度（mm） 短邊長(zhǎng)（mm） 板橫向位移（mm） 最大應(yīng)力（Mpa） 底板 530x530x16 16 530 0.912 2.56 左右側(cè)板 500x530x8 8 500 6.81 5.33 前后側(cè)板 500x530x8 8 500 6.18 5.33 為了加強(qiáng)側(cè)板間的強(qiáng)度要求如圖3-2所示，在加入加強(qiáng)筋后，模擬加強(qiáng)筋處結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學(xué)理論分析，其成簡(jiǎn)支條件，每塊板可以被筋條隔成三塊板，分析可得加強(qiáng)筋后，各板件的結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力變化值，然后根據(jù)變化初步確定其厚度。 圖3-2 主腔體加筋條板計(jì)算簡(jiǎn)圖 在實(shí)際的腔體中其加強(qiáng)筋板塊的具體分布示意圖如圖3-3所示 圖3-3 加強(qiáng)筋板具體示意分布圖 根據(jù)實(shí)際計(jì)算可得表3-3 接線腔及主腔體邊界條件位移和應(yīng)力結(jié)果 表3-3 接線腔及主腔體邊界條件的位移和應(yīng)力結(jié)果 外形尺寸（mm） 厚度（mm） 短長(zhǎng)邊（mm） 板最大橫向位移（m'm） 最大彎矩（Nm） 最大應(yīng)力（Mpa） 接線腔 左右側(cè)板 350x300x8 8 300 0.76 895.78 1.73 前后側(cè)板 376x300x8 8 300 0.56 875.62 1.41 主腔體 底板 530x530x16 16 530 0.912 938.8 2.56 左右側(cè)板 500x530x8 8 500 0.794 1077.75 2.81 前后側(cè)板 500x530x8 8 500 0.794 1077.75 2.81 4 蓋板與法蘭設(shè)計(jì) 隔爆箱的隔爆和防爆原理除了體現(xiàn)在整體機(jī)械強(qiáng)度的特性之外，還體現(xiàn)在接線腔和主腔與外界相隔離的法蘭接合面的間隙大小和夾緊結(jié)構(gòu)。隔爆箱是為了隔離機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)環(huán)境與外界環(huán)境的隔離，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)蓋板與法蘭結(jié)構(gòu)來(lái)保證隔爆箱在危險(xiǎn)情況下的有效利用。 4.1 蓋板與法蘭彈性變形計(jì)算 在實(shí)際隔爆箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，蓋板和法蘭結(jié)合面在承受爆炸沖擊的壓力下，由于上腔接線腔不是位于主腔的主要爆炸點(diǎn)，因此在變形中，主要以主腔設(shè)計(jì)為主，其變形接合面部分的兩個(gè)部分的彈性變形之和不能超過(guò)許用的間隙。法蘭厚度比殼體厚度要厚得多，則強(qiáng)度不必校核，但其剛性必須校核。隔爆箱多為蓋式結(jié)構(gòu)，故隔爆箱接合面為平面法蘭式結(jié)合，根據(jù)要求，蓋的隔爆結(jié)合面的最小有效長(zhǎng)度L≧25mm。[5] 根據(jù)《機(jī)械工程師手冊(cè)》中對(duì)最大變形位置的受力分析及撓度計(jì)算。由于是固定外殼的結(jié)構(gòu)，所以法蘭板的邊界條件應(yīng)設(shè)為：兩短邊簡(jiǎn)支，一長(zhǎng)邊固定，兩長(zhǎng)邊自由。得其主要變形參數(shù)為： 最大撓度： （4-1） 蓋板的邊界條件為：兩短邊簡(jiǎn)支，兩長(zhǎng)邊自由。 最大撓度： （4-2） k1, k2是根據(jù)板的寬長(zhǎng)比不同的系數(shù)，查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)，可選定板件在長(zhǎng)寬比2以上時(shí)，可取k1=0.12, k2=0.14。 代入蓋板和法蘭尺寸和k1和k2的數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如表4-1所示： 表4-1 蓋板和法蘭最大變形的計(jì)算結(jié)果 法蘭厚度t（mm） 法蘭寬度a（mm） 最大變形（mm） 接線腔蓋板 368mmx368mmx18 18 32 0.025 接線腔法蘭 368mmx368mmx18 18 32 0.021 主腔蓋板 474mmx474mmx22 22 62 0.064 主腔法蘭 474mmx474mmx22 22 62 0.055 由于接線腔箱體法蘭和蓋板的接合面不是爆炸沖擊的主要點(diǎn)，為了方便使用，蓋板與法蘭之間的連接是用螺栓或螺釘聯(lián)結(jié)，根據(jù)受力結(jié)果分析，螺栓（螺釘）緊固足夠符合其安裝精度。但是主腔蓋板和法蘭之間由于承受巨大沖載，其板中心受力后產(chǎn)生的扭力使隔爆結(jié)合面上的變形方向與壓力方向相反，并且在使用的過(guò)程中，其關(guān)閉和開合的頻率較高，所以使用其他的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行結(jié)合。 4.2 蓋板和法蘭厚度選取 由于隔爆面（既法蘭和蓋板接合面）為標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知其接合面的寬度和間隙決定著個(gè)保姆的隔爆性能，因此經(jīng)過(guò)查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)可得，其接合面寬度的最小值L和接合面間隙W數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表如表4-2:[5] 表4-2 接合面寬度的最小值L和間隙W的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù) 平面接合面和止口接合面寬度L（mm） 與外殼容積V（L）對(duì)應(yīng)的最大間隙W（mm） 安全系數(shù)為1.5時(shí)的允許間隙（mm） V≦100 V>100 6≦L<12.5 0.3 0.3 - 12.5≦L<25 0.4 0.4 0.133 25≦L 0.5 0.5 0.2 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可得騎許用撓度之間的關(guān)系式]: （4-3） 既：蓋板許用撓度+箱體法蘭許用撓度≦（隔爆結(jié)合面的允許間隙W-平面度公差B））/安全系數(shù)s 由于結(jié)合面為了符合結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)鏜削或車削加工，并進(jìn)行高精度的配合研磨，取平面度公差B取0.2mm。 s為安全系數(shù)，取s=1.5。 門蓋板許用撓度+箱體法蘭許用撓度不同，使用分配系數(shù)來(lái)區(qū)別其大小。邊界條件下法蘭的板最大撓度： （4-4） 有上式最終可得法蘭最小厚度的公式： （4-5） 其中：l是簡(jiǎn)支對(duì)邊距離，單位m； t是法蘭板的厚度，單位m； c是應(yīng)力系數(shù)，板的長(zhǎng)寬比。 k是箱體法蘭和蓋板間隙的分配系數(shù)，其和為1。對(duì)箱體法蘭來(lái)說(shuō)，由于剛度較好。故k可取小些，這里取0.4；對(duì)蓋板與箱體法蘭相比較，剛度較差，k相應(yīng)取大些，這里取0.6。 這里不考慮結(jié)合面維修余量，腐蝕公差等非控制因素，如果需要考慮，增加法蘭之間的厚度。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在雙面焊接和100%無(wú)損傷時(shí)，取焊縫系數(shù)Ф為1。 根據(jù)以上的分析，將上腔和主腔具體數(shù)據(jù)代入式（4-5），其中焊縫系數(shù)Ф為1，可以得到法蘭最小厚度的理論計(jì)算結(jié)果。如表4-3所示。[6] [7] 表4-3 各箱體法蘭最小厚度計(jì)算結(jié)果 參數(shù) 螺栓間距（m'm） 法蘭允許最大間隙W（mm） 法蘭最小厚度t（mm） 法蘭最小厚度（考慮焊縫系數(shù)）（mm） 與原設(shè)計(jì)厚度與理論最小厚度差值（mm） 接線腔 123 0.1 11.23 14.20 -3.12 主腔體 128 0.1 18.34 18.02 -2.54 同樣得到蓋板最小厚度的理論結(jié)果，如表4-4 表4-4 各箱體蓋板最小厚度計(jì)算結(jié)果 參數(shù) 螺栓間距（m'm） 法蘭允許最大間隙W（mm） 法蘭最小厚度t（mm） 法蘭最小厚度（考慮焊縫系數(shù)）（mm） 與原設(shè)計(jì)厚度與理論最小厚度差值（mm） 接線腔 116 0.1 12.76 16.40 -3.35 主腔體 137 0.1 19.90 20.53 -2.74 可以從上表看出蓋板比起箱體法蘭的厚度大約厚8%左右，由于分配系數(shù)不同而得。實(shí)際工作中隨著安全系數(shù)的取值不同，最小厚度也會(huì)有所變化。 外殼上的公制螺紋孔的公差等級(jí)應(yīng)為GB/T197-2003和GB/T2516-2003規(guī)定的6H或以上，且螺紋隔爆面需要有防松有措施。補(bǔ)充說(shuō)明若接合面可被電鍍，此時(shí)，金屬鍍層不應(yīng)應(yīng)超過(guò)0.008mm，技術(shù)要求中需明確寫出。 5 隔爆箱的快開門優(yōu)化設(shè)計(jì) 參考大多數(shù)的隔爆箱的法蘭與蓋板連接設(shè)計(jì)，大部分的連接均采用螺栓（或螺釘，以下以螺栓設(shè)計(jì)為模板）連接，在實(shí)際的使用過(guò)程中，隔爆箱的開啟使用頻率大多集中在主腔的開啟和關(guān)閉，所以使用螺栓緊固這種方式，對(duì)于高頻率的開啟和關(guān)閉的主腔蓋門不合適，不僅不方便于實(shí)際過(guò)程中的使用，螺栓的緊定誤差的累積也影響著隔爆箱的隔爆性能。故選擇接線腔使用螺栓緊固的方式，主腔體使用開啟門的優(yōu)化方案。 接線腔使用螺栓緊固的方式連接法蘭和蓋板，則需要進(jìn)行校核強(qiáng)度，由于腔體對(duì)蓋板的載荷較小，選擇合適的螺栓個(gè)數(shù)，保證其工作的穩(wěn)定和安全，個(gè)數(shù)的多少影響著其結(jié)合面密閉性和安全。其接線腔和主腔接合面密封具體設(shè)計(jì)方案如下： 5.1 接線腔法蘭與蓋板連接 參考《李軍，礦用隔爆型矩形箱體外殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算》[6] 理論，由于矩形殼體是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，適宜偶數(shù)個(gè)螺栓，由《材料力學(xué)》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知蓋板總拉力均勻分在各個(gè)螺栓（螺釘）上。當(dāng)超過(guò)螺栓（螺釘）許用拉力時(shí)就加一對(duì)螺栓（螺釘），但當(dāng)長(zhǎng)寬比接近1時(shí)螺栓向上取整時(shí)要取4倍數(shù)為宜，以便長(zhǎng)短邊螺栓（螺釘）的間距相近。 設(shè)計(jì)中，接線腔合理的螺栓（螺釘）間距l(xiāng)應(yīng)為螺栓（螺釘）公稱直徑的7-10倍，壓力容器的封閉內(nèi)壓小于1.6Mpa時(shí)取7倍，一般聯(lián)結(jié)取10倍螺栓（螺釘）直徑。由于接線腔壓力比主腔壓力小，在對(duì)照GB3836.1中規(guī)定，選擇實(shí)際工況為1Mpa。 根據(jù)機(jī)械工程手冊(cè)，得到 （5-1） 其中：是預(yù)緊系數(shù)，在軟墊片和靜止載荷時(shí)取1.5-2.5，這里取1.5。 是螺栓相對(duì)剛度系數(shù)，在蓋板使用剛性墊片和彈性墊片結(jié)合時(shí)取0.9。 是受力面的實(shí)際總受力大小，由工況壓力既法蘭結(jié)合面在連接時(shí)受到壓強(qiáng)與面積乘積得到。 依公式（5-1），得接線腔的總受力為： 許用應(yīng)力 是螺栓材料的屈服極限，通常螺栓為45鋼，則其屈服極限為： 根據(jù)機(jī)械工程手冊(cè)，考慮控制預(yù)緊力，不設(shè)計(jì)預(yù)緊力大小時(shí)，安全系數(shù)將取2-5，使螺栓直徑d過(guò)大。由于箱體屬于剛性密封，需要控制其預(yù)緊力，故其安全系數(shù)s應(yīng)取1.2-1.5。 最終確定螺栓的許用應(yīng)力在安全系數(shù)s=1.2時(shí)為300Mpa 算出各型號(hào)螺栓的實(shí)際許用拉力為： 其中是相應(yīng)螺栓的螺紋底徑面積（d=8，10，12，16mm） 上腔的蓋板受力面尺寸是0.368mmx0.283mm，可得其總體長(zhǎng)寬比為1.3 ，在設(shè)計(jì)腔體內(nèi)壓為1Mpa下受到的總壓力為F=151200N. 若使用M8螺栓個(gè)數(shù).根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)安全規(guī)定，螺栓個(gè)數(shù)應(yīng)取整數(shù)位最佳，并最好去偶數(shù)被的螺栓（螺釘）個(gè)數(shù)，因此向上去偶數(shù)16，布置方式可以是四角4個(gè)，每邊中間各3個(gè)，間距為73.6mm，間距偏小。 若使用M10螺栓個(gè)數(shù).為安全起見，螺栓個(gè)數(shù)向上去偶數(shù)10，布置方式可以是四角3個(gè)，每邊中間各兩個(gè)，間距為92mm，間距合適，故上腔蓋板選取M10螺栓10個(gè)最為合適。 5.2 主腔快開門卡塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 參考常雪飛《常雪飛，幾種快開門結(jié)構(gòu)的防爆殼體[J].煤礦機(jī)械，2010.11 P155-157[8] 的設(shè)計(jì)，快開卡塊門或蓋是利用快啟門結(jié)構(gòu)，在其運(yùn)動(dòng)軌跡中能實(shí)現(xiàn)其門或蓋在其限定方向上的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)等，如使用門板平移，使門或蓋平移一段距離，讓卡塊離開限定位置，或著輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，使卡塊離開限定位置等，實(shí)現(xiàn)打開或關(guān)合的門或蓋的功能。由于受到極大爆炸載荷的作用，所以快開門卡塊是外殼連接最危險(xiǎn)的的部位，極易產(chǎn)生失效和安全事故。因此設(shè)計(jì)合理的卡塊形狀以及選定安全的安裝位置是隔爆型正常使用的重要部分。 快開門卡塊裝置的結(jié)構(gòu)使操作大致分為兩個(gè)步驟完成，第一步使門和蓋板實(shí)現(xiàn)相對(duì)位置的移動(dòng)，第二步實(shí)現(xiàn)門或蓋的安全脫離動(dòng)作，這就是快開門卡塊的開啟動(dòng)作順序，反之，則為門或蓋的關(guān)閉動(dòng)作。因此在隔爆面，卡塊受到很大的載荷，未來(lái)保證能夠起到密封隔爆的作用，需要對(duì)其卡塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核以及受力分析，確保能安全使用，并且要求在使用卡塊結(jié)構(gòu)后能充分體現(xiàn)與螺栓（螺釘）緊固的可靠性，還應(yīng)具有極高的工作效率和優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能。[8] （一） 卡塊連接結(jié)構(gòu) 按照門或蓋的結(jié)合形狀形狀可以分為圓形結(jié)構(gòu)和方形結(jié)構(gòu)，比較快開門卡塊的開啟和關(guān)閉方式的不同，大致可以分為門體平動(dòng)操作結(jié)構(gòu)、門體轉(zhuǎn)動(dòng)操作結(jié)構(gòu)和偏向輪轉(zhuǎn)動(dòng)操作結(jié)構(gòu)等，同時(shí)，由于卡塊的形狀的不同，也可大致將卡規(guī)、卡槽、或卡板等結(jié)構(gòu)分為可分為U型、L型、T型卡塊結(jié)構(gòu)和E型（或齒型）等。 1.緊固件 2.殼體法蘭 3.門板 4.U型卡塊 圖5-1 U型卡塊結(jié)構(gòu) 1.緊固件 2.殼體法蘭 3.門板 4.U型卡塊 圖5-2 L型卡塊結(jié)構(gòu) 1.殼體法蘭 2.門板 3.T型卡塊 圖5-3 T型卡塊結(jié)構(gòu) 1. 殼體法蘭 2. 門板3.T型卡塊 4.緊固件 圖5-4 E型卡塊結(jié)構(gòu) （二） 槽型開口連接結(jié)構(gòu) 槽型結(jié)構(gòu)中卡塊通過(guò)安裝在門或殼體的法蘭上，用螺栓或螺釘緊固的固定件或者腔開口做成自帶螺紋的結(jié)果，在門或蓋關(guān)閉或打開過(guò)程中，通過(guò)對(duì)外力對(duì)其作用力，使其在固定的行程中產(chǎn)生平移，讓其從限定的卡槽中做出相應(yīng)動(dòng)作或軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)門或蓋的關(guān)閉或打開。當(dāng)隔爆箱電源開啟，軟起動(dòng)程序進(jìn)行的時(shí)候，門或蓋與殼體法蘭在外力的作用下，到達(dá)指定位置，由于受到卡塊的約束，其不能產(chǎn)生有效移動(dòng)，不會(huì)使隔爆結(jié)合面間隙存在增大的位移，保證其安全性。 當(dāng)隔爆箱內(nèi)部產(chǎn)生巨大的爆炸載荷的同時(shí)，門或蓋受到內(nèi)部爆炸載荷的作用，在其瞬間，爆炸沖擊力對(duì)隔爆型門板具有向外的作用效果，卡塊的作用就是約束其相對(duì)位移，控制隔爆間隙該沖擊壓力，限制門或蓋與隔爆型殼體法蘭之間隔爆間隙存在增大趨勢(shì)，使其不能達(dá)到傳爆極限，實(shí)現(xiàn)隔爆的目的。 （三） 平面結(jié)合結(jié)構(gòu) 平面結(jié)合結(jié)構(gòu)是不同的卡塊分別與門或蓋法蘭和殼體法蘭之間通過(guò)平面接合，其工作原理及隔爆機(jī)理同槽型開口結(jié)構(gòu)相同，通過(guò)卡塊之間的平面接觸，達(dá)到卡緊隔爆面的目的。該種結(jié)構(gòu)對(duì)最終隔爆間隙影響是主要因素為構(gòu)成接合面平面本身的平面度，并且隔爆間隙不受構(gòu)件的尺寸公差所主要限制因素。 綜合考慮各種快開門開合結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中，選用U型卡塊結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)際加工過(guò)程中的利用，具有良好的連接強(qiáng)度，能保證隔爆外殼在主腔門或蓋關(guān)合好，與螺栓連接方式相比較，更具有方便、安全可靠，確保隔爆性能。 技術(shù)要求需補(bǔ)充：裝配后吊起前蓋，測(cè)得隔爆結(jié)合面的間隙不大于0.25mm（或者：前門法蘭與外殼法蘭隔爆間隙應(yīng)在出廠前調(diào)整為不大于0.25mm)。但是側(cè)視圖為0.3 ，出現(xiàn)矛盾，請(qǐng)更改一致.剖面圖中，觀察窗的部分，無(wú)法判斷金屬墊的位置，請(qǐng)確定金屬墊在觀察窗中的具體位置。 5.3 U型卡塊結(jié)構(gòu)計(jì)算 U型卡塊，在箱體內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，由于其爆炸載荷的作用，爆炸載荷對(duì)門板的壓力大部分作用于門板和法蘭的連接上，因此U型卡塊平均受力，每個(gè)卡塊受到剪切、拉伸和擠壓的作用力，在選用U型卡塊結(jié)構(gòu)上，必須校核其隔爆性能，并選用最佳的設(shè)計(jì)尺寸，確保其安全使用。 （一） 隔爆性能計(jì)算 主腔內(nèi)爆炸壓力為7.5Mpa，U型卡塊結(jié)構(gòu)選用45號(hào)鋼，固定方式為螺釘緊固，根據(jù)表3-1常用調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能，可知其屈服極限=355Mpa，拉伸極限=590Mpa以及剪切極限為=0.7=242Mpa，安全系數(shù)為n=1.5。 表5-1常用調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能 鋼號(hào) 同意數(shù)字代號(hào) 力學(xué)性能 /Mpa /Mpa /% /% /J 45Mn U21402 590 355 17 45 47 45Mn2 A00452 885 735 10 45 47 （二） U型卡塊結(jié)構(gòu)校核 U型卡塊的結(jié)構(gòu)如圖5-5，L為卡塊限制位的長(zhǎng)度，B為連接兩門板和蓋板的法蘭厚度之和，卡塊由螺釘固定在門板或蓋板上。經(jīng)過(guò)材料力學(xué)受力分析可知，在受到蓋板的壓力下，在不同截面內(nèi)，U型卡塊受到來(lái)自內(nèi)腔爆炸的拉伸力、剪切力和擠壓力作用，U型卡塊的連接選用足夠的強(qiáng)度螺釘緊固，考慮到U型卡塊受力變形，其分析如下： 圖5-5 U型卡塊結(jié)構(gòu)圖 受到的擠壓應(yīng)力為： （5-2） 受到的剪切應(yīng)力為： （5-3） 受到拉伸應(yīng)力為： （5-4） 其中受到的作用力均為爆炸對(duì)U型卡塊所均分的力，已知其所受到的壓力位=126000N,則各截面的大小范圍為：具體計(jì)算可得 由上可知為了滿足U型卡塊的牢固性，必須選用最大截面作為基礎(chǔ)面，故根據(jù)GB3836.1-2010中的U型卡塊標(biāo)準(zhǔn)，得U型卡塊的形狀標(biāo)準(zhǔn)為：L=20mm，B=40mm，t=10mm，C=20mm等。選用M10的螺釘進(jìn)行固定。 5.4 快啟門方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 參考《徐桂軍，雙向礦用隔爆快開門》[9] 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有多種不同的快啟門方案，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，方便快捷，具有很高的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)外置或內(nèi)置的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)門或蓋板的不同的位移方向，配合快開門卡塊結(jié)構(gòu)，或者不考慮其卡塊結(jié)構(gòu)，安全可靠的實(shí)現(xiàn)其需要的功能，使得門或蓋能快速并且安全的開合。其主要的移動(dòng)方向分為平移和提升兩種移動(dòng)軌跡，具體如下介紹： a. 平移式方式快啟門結(jié)構(gòu) 其典型平移式結(jié)構(gòu)有很多，但大多數(shù)實(shí)際生產(chǎn)的快啟門結(jié)構(gòu)中，以偏心軸式方式快啟門結(jié)構(gòu)為主要設(shè)計(jì)方向，其結(jié)構(gòu)和操作方式如下。 （一） 結(jié)構(gòu)： 如圖5-6所示，箱體鉸鏈通過(guò)焊接或者螺釘緊固的方式固定在在箱體側(cè)壁；門或蓋通過(guò)門鉸鏈焊接在門板上；滑動(dòng)軸與箱體鉸鏈用鉸鏈軸連接；門鉸鏈套在滑動(dòng)軸上，可在滑動(dòng)軸上滑動(dòng)；驅(qū)動(dòng)軸穿入門鉸鏈上的孔，其端部偏心軸插入滑動(dòng)軸上的U型孔中；扳手與驅(qū)動(dòng)軸用銷釘固定連接。 （二） 操作方式： 當(dāng)門或蓋板處于緊密配合（既關(guān)閉位置時(shí)），通過(guò)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)受到移動(dòng)限制的扳手帶動(dòng)上下兩個(gè)相對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于上下兩驅(qū)動(dòng)軸端部通過(guò)平鍵或其他限制方式的偏心軸受到滑動(dòng)軸上U型孔的限制，在驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，門板受力只能向右水平移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)門鉸鏈和門板向右平移，當(dāng)門板的位移L大于與箱體的限位后（既法蘭連接卡塊結(jié)構(gòu)最大控制位置時(shí)），即可將門打開。反之，則為關(guān)門時(shí)動(dòng)作順序。 1.驅(qū)動(dòng)軸 2.扳手 3.鉸鏈軸 4.箱體鉸鏈 5.滑動(dòng)軸 6門鉸鏈 7.門或蓋8.箱體 圖5-6 偏心軸式方式快啟門結(jié)構(gòu) 1.頂板 2.扳手 3.6.門鉸鏈 4.箱體鉸鏈 5.鉸鏈軸 7.箱體 8.銷軸 9.門板 圖5-7 外置偏心輪式方式快啟門結(jié)構(gòu) b. 提升式方式快啟門結(jié)構(gòu) 參考大多數(shù)實(shí)際生產(chǎn)的快啟門結(jié)構(gòu)中，可以看出提升方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性高，其主要以外置偏心輪式方式快啟門結(jié)構(gòu)和外置旋轉(zhuǎn)鉸鏈快啟門結(jié)構(gòu)為主要設(shè)計(jì)方向，現(xiàn)主要介紹偏置偏心輪式快啟門結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和操作方式如下。 外置偏心輪式方式快啟門結(jié)構(gòu) （一） 結(jié)構(gòu)： 如圖5-7所示，頂板、箱體鉸鏈焊接（或用螺栓連接）在箱體側(cè)壁，門鉸鏈用螺栓連接在門板上，并在門或蓋板法蘭連接處設(shè)計(jì)一個(gè)承載結(jié)構(gòu)。扳手圓盤用銷釘與門鉸鏈連接，銷釘孔與扳手圓盤構(gòu)成偏心輪。扳手圓盤直徑與頂板與箱體鉸鏈之間距離相等。門鉸鏈和箱體鉸鏈用鉸鏈軸連接。 （二） 操作方式： 在關(guān)門狀態(tài)時(shí)，向上扳動(dòng)扳手，由于扳手圓盤受到頂板與箱體鉸鏈的限制，只能在頂板與箱體鉸鏈之間滾動(dòng)，扳手在以銷軸為軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)銷軸向上移動(dòng)。由于銷軸穿在門鉸鏈中，在銷軸向上移動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)門板向上移動(dòng)，當(dāng)門板的位移L大于箱體的限位后（既法蘭連接卡塊結(jié)構(gòu)最大控制位置）時(shí)，即可將門或蓋打開。關(guān)門時(shí)需將扳手抬起，將門或蓋抬高后再關(guān)閉，當(dāng)門板與箱體完全閉合時(shí)，向下扳動(dòng)扳手，門或蓋下落，門或蓋與箱體的限位裝置貼合，達(dá)到關(guān)門的目的。反之，則為關(guān)門時(shí)動(dòng)作順序。 為了保證U型卡塊與快啟門結(jié)構(gòu)配合，選用平移式方式快開門結(jié)構(gòu)，偏心式方式快啟門結(jié)構(gòu)，由于其制造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)便于利用。其主要?jiǎng)幼黜樞驗(yàn)椋寒?dāng)門或蓋處于關(guān)閉位置時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)扳手或者驅(qū)動(dòng)軸，帶動(dòng)上下偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)軸端部偏心軸滑塊受到結(jié)構(gòu)形狀U型孔的限制作用，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，受到手柄軸滑塊的限制，向右水平移動(dòng)，使得快開門卡塊脫離箱體的限位，實(shí)現(xiàn)門或蓋打開動(dòng)作。關(guān)門時(shí)動(dòng)作與開門時(shí)相反。 5.5 偏心式滑塊快啟門結(jié)構(gòu)計(jì)算 （一） 偏心軸設(shè)計(jì) a..確定偏心輪材料 偏心軸材料主要有球墨鑄鐵和鍛鋼兩類。球墨鑄鐵的切削性能良好，可獲得理想的結(jié)構(gòu)形狀，與鋼質(zhì)偏心軸一樣可以進(jìn)行各種熱處理和表面處理（滲碳、滲氮等）來(lái)提高曲軸疲勞強(qiáng)度、硬度和耐磨性。由于在偏心軸處受到的壓力對(duì)于精度的影響不大，所以偏心軸材料使用球墨鑄鐵。 b.確定偏心距 由于受到U型卡塊的限制，為了滿足卡塊能完全離開法蘭面，偏心距B必須大于卡塊的長(zhǎng)度L，具體結(jié)構(gòu)如圖6-8,當(dāng)偏心軸繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為偏心軸向右和向下的位移量為一個(gè)偏心距B=10mm。 轉(zhuǎn)動(dòng)軸與偏心塊用平鍵固定連接，為了實(shí)現(xiàn)蓋門的向右移動(dòng)，利用滑塊與門板連接，使滑塊在前后能自由移動(dòng)，保證其連接的門板可以相對(duì)向右的移動(dòng)。 圖5-8偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖 經(jīng)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況，可將偏心軸設(shè)計(jì)成有轉(zhuǎn)動(dòng)軸和偏心塊連接在一起的偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，為了消除偏心軸的前后移動(dòng)，使用卡塊結(jié)構(gòu)限制其移動(dòng)，在另一方向，由于沒(méi)有受到限制，所以，偏心軸只能在水平方向移動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。同時(shí)可以得到偏心軸和滑塊，與門板以及門鉸鏈之間的相對(duì)移動(dòng)變化軌跡如圖5-10。 圖5-9 偏心卡塊與軸的安裝示意 圖5-10 偏心軸滑塊與門鉸鏈和門的移動(dòng)變化 （二） 偏心軸滑塊設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)軸并沒(méi)有受到較大的載荷力度，其驅(qū)動(dòng)軸選用直徑為20mm的軸，然后由于在U型卡塊的設(shè)計(jì)中，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3836的設(shè)計(jì)要求，選擇U型卡塊的最大有效限制距離為10mm。所以偏心軸的偏心距和限制距離相等，為B=10mm，故可以確定偏心軸與滑塊的詳細(xì)參數(shù)為：軸=20mm，偏心軸=44mm，滑塊的尺寸為54mm×54mm×20mm。 （三） 驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì) 由于驅(qū)動(dòng)軸是驅(qū)動(dòng)偏心軸與滑塊的主要?jiǎng)恿?，以及外加施載力的部位，所以根據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可將其驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)為圖5-11的結(jié)構(gòu)形式，由于考慮到手柄的連接在實(shí)際使用中會(huì)造成較大的問(wèn)題，當(dāng)手柄破損時(shí)，會(huì)使受力變得艱難，所以將手柄設(shè)計(jì)為空心軸，并在某位置打個(gè)通孔，在實(shí)際使用中，可以使用身邊的工具進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 圖5-11 驅(qū)動(dòng)軸與其連接軸設(shè)計(jì)圖 通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，由于滑塊固定位置有一定厚度的板件，所以在驅(qū)動(dòng)軸的距離端部一定距離設(shè)計(jì)一個(gè)軸肩，用于固定其安裝位置，并在頂部設(shè)計(jì)一個(gè)螺釘緊固，通過(guò)固定板固定于限定板間，由于其滑塊需要移動(dòng)，軸需要轉(zhuǎn)動(dòng)，所以改處不需要固定的很死。然后連接兩驅(qū)動(dòng)軸使用3mm厚的軸，使用銷固定在一起，其具體結(jié)構(gòu)如圖。 （四） 整體固定方式 綜合上述結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)出其整體與門板以及箱體的固定鏈接方式，如圖6-12所示，門鉸鏈的固定通過(guò)螺釘和板件在箱體上緊定，其移動(dòng)固定端與鉸鏈用雙頭螺栓固定連接，然后偏心軸和滑塊的固定板通過(guò)焊接的方式固定在門板上。 圖5-12 偏心軸和滑塊與箱體整體固定方式示意 （五） 滑塊材料設(shè)計(jì) 偏心軸與手柄連接，在手柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只能保證向右的移動(dòng)，要打開蓋板必須使得門板能夠向右移動(dòng)一個(gè)L的距離，使得門板能夠與法蘭安全分離。由于手柄沒(méi)有受到極大的壓力與彎矩作用，所以需要極大的鋼性與強(qiáng)度。 為了保證滑塊的可靠性，選用45號(hào)鋼，用于強(qiáng)度要求較高、韌性中等的零件。 在向右移動(dòng)的過(guò)程中，滑塊受到驅(qū)動(dòng)軸偏心塊的作用力，因此必須保證在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不能存在卡死等的現(xiàn)象，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得： 滑塊移動(dòng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)條件： （5-6） 其中，為最大滑動(dòng)摩擦系數(shù)； F為滑塊受到的偏心對(duì)其的總壓力； α為滑塊間受力與法線方向的夾角 45號(hào)鋼的材料密度為7.85g/cm3，根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)軸受到轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，分配到滑塊所受到的壓力位F=124N. 查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和參考金屬材料的力學(xué)性能表可以得到，金屬材料摩擦系數(shù)表5-2?？芍?，滑塊滑動(dòng)摩擦系數(shù)為： 表5-2 金屬材料摩擦系數(shù)表 材料A 材料B 摩擦系數(shù) 干摩擦條件 潤(rùn)滑摩擦條件 靜摩擦 滑動(dòng)摩擦 靜摩擦 滑動(dòng)摩擦 高硬碳 高硬碳 0.16 0.12-0.14 高硬碳 鋼 0.14 0.11-0.14 鋼 鋁族元素 0.45 鋼 黃銅 0.31 0.19 低碳鋼 黃銅 0.51 0.44 低碳鋼 鑄鐵 0.23 0.183 0.133 低碳鋼 低碳鋼 0.74 0.57 0.09-0.19 45號(hào)鋼的在干摩擦條件下靜摩擦系數(shù)為0.74，滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.57。根據(jù)公式（6-6）可知，滑塊受到的力與法線方向的角度為為，經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式與結(jié)論校核，該設(shè)計(jì)參數(shù)符合要求。 6 隔爆箱開箱保護(hù)開關(guān)設(shè)計(jì) 由于隔爆型電氣設(shè)備的使用環(huán)境惡劣，極易引起瓦斯爆炸，在隔爆型電氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的能量，在隔爆箱沒(méi)有完成關(guān)閉的時(shí)候，箱體缺乏安全性，不安全啟動(dòng)將箱體內(nèi)部由于一些電氣部件產(chǎn)生的火花或電弧并與箱體外部周圍的爆炸性氣體粉塵引燃和引爆，所產(chǎn)生的爆炸壓力將會(huì)造成嚴(yán)重的事故。所以要保證隔爆箱的安全關(guān)閉之后才能啟動(dòng)電源進(jìn)行工作任務(wù)。 6.1 開箱保護(hù)自鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖6-1 電源自鎖開關(guān)結(jié)構(gòu) 如圖6-1電源自鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)，當(dāng)電源關(guān)閉的時(shí)候，手柄移動(dòng)到關(guān)閉位置，通過(guò)導(dǎo)套和導(dǎo)桿的作用伸長(zhǎng)一端距離，通過(guò)與門板上的自鎖裝置組合，限制門板的移動(dòng)。在限制了門板的運(yùn)動(dòng)中，其原理為，通過(guò)與門板的固定板相配合，在門板受到驅(qū)動(dòng)軸作用下，門板向右移動(dòng)時(shí)，受到自鎖開關(guān)的作用，使其移動(dòng)的過(guò)程受阻，并且該安全自鎖開關(guān)的作用為，當(dāng)需要軟起動(dòng)打開高功率電機(jī)時(shí)，弱電路開關(guān)開啟，在短暫的延遲程序下，微型電腦或者plc等控制系統(tǒng)操作隔爆箱里面的防爆繼電器，使得隔爆箱能滿足在箱體完全關(guān)閉的情況下，安全自鎖，防止突發(fā)的安全事故（隔爆面未安全密閉）的發(fā)生，起到防爆和隔爆的作用。如圖7-2所示，電源自鎖開關(guān)的安裝尺寸示意圖。 圖6-2 電源自鎖開關(guān)的安裝尺寸示意圖 6.2 安全結(jié)構(gòu)開關(guān)尺寸設(shè)計(jì) 由于自鎖在結(jié)構(gòu)上，無(wú)較大的沖擊壓力及控制精度，只要保證在電源處于開啟狀態(tài)時(shí)，能夠可靠的阻止蓋門法蘭間的有效閉合，因此所有部件使用標(biāo)準(zhǔn)間，導(dǎo)桿與導(dǎo)套之間使用合適的尺寸與工差。 但是在電源開啟的時(shí)候必須保證開關(guān)在完全到達(dá)限制位時(shí)才能開啟，因此在手柄必須設(shè)計(jì)精確，并在手柄電源連接處要有安全保護(hù)繼電器。所以為了保證手柄能可靠使根據(jù)設(shè)計(jì)要求，手柄設(shè)計(jì)如圖6-3所示。 6-3 手柄設(shè)計(jì)圖 根據(jù)手柄所需的動(dòng)作，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為70度左右（及開與關(guān)位置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度），可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加工，繪畫出導(dǎo)桿的頂端與手柄接觸面的移動(dòng)曲線為圖6-4所示： 圖6-4 導(dǎo)桿的頂端與手柄