煤矿电气设备防爆壳设计研究范文

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摘要：

本文针对一种煤矿自动监测电气设备的防爆壳体结构展开设计，在对电气设备防爆类型划分的基础上，提出了隔爆式自动监测电气设备防爆壳体的基本设计需求，并从核心设计和其它设计两方面展开结构设计，包含壳体基本结构设计、基本形状设计、材料选择、厚度设计、内径设计、连接设计等多个方面，最终完成了防爆壳体的有效设计，达到了既定需求。

关键词：

电气设备；防爆壳体；结构；爆炸压力

新世纪以来，随着我国煤矿生产的整合和产业链条的不断优化，以规模化、自动化生产为基础的煤矿产业布局已经形成，煤矿生产环境日趋完善。特别是在目前安全处于首位的生产背景下，各类自动化电气设备在煤矿生产中的应用日益广泛。然而，煤矿环境从根本上讲是一种相对危险的环境，具有易燃、易爆、易塌方等典型的危险特征。因此，煤矿环境中所使用的电气设备通常需要具有防爆的特点。防爆电气产品作为一种非常特殊的产品，对防爆壳体的设计要求较高，但目前的很多煤矿用防爆电气产品中的设计隐患广泛存在，例如防爆设计过程中的紧固螺栓间距难以满足爆炸需求，防爆壳体的原材料不符合标准，防爆壳体与产品接线端子间距超差等问题，使得防爆电气产品的工作寿命和使用期限大大缩短，为煤矿安全生产埋下隐患。鉴于此，本文针对在煤矿生产易爆环境下的一种自动监测电气设备进行防爆壳体的设计，旨在实现此类自动监测电气设备防爆壳体的可靠性与稳定性。

1电气设备的防爆类型划分

对煤矿生产而言，防爆电气设备可采取不同的防爆方式，比较常见的有隔爆式、增安式、本质安全式三类。

1.1隔爆式防爆电气设备

隔爆式防爆电气设备是目前在煤矿生产中最常见的一种防爆设备，它通过为电气设备安装防爆外壳，使外壳能够承受爆炸产生的压力，保证壳内的电气设备不会受到爆炸影响。当前在煤矿生产中使用的电动机、开关设备等一般都采取隔爆式，此类方式具有非常良好的防爆性能。

1.2增安式防爆电气设备

增安式防爆电气设备是利用附加手段提升电气设备自身的安全性与稳定性，尽可能避免电气设备运行过程中可能发生的温度、火花等危险情况，通常的做法包括有增加电气设备的绝缘性能、对电气设备表面温度升高值进行限制等。

1.3本质安全式防爆

电气设备所谓本质安全式防爆电气设备，是一种相对被动的防爆电气设备，主要是对电气设备运行过程中的火化外漏进行处理，保障火花无法将生产环境中的爆炸性气体进行点燃。此类方式一般用于自动化控制系统、通信设备等的部署。

2自动监测电气设备样式与隔爆式防爆壳体设计需求

2.1基本样式

本文所设计的隔爆式自动监测电气设备的防爆壳体，是为满足矿井这种易燃易爆环境下自动监测电气设备正常工作需求。该自动监测电气设备通过安装在矿井中对环境参数进行自动采集，并将数据传输到地面工作站完成自动监测。在具体的设备安装方式上，该自动监测电气设备水平或者垂直均可以，该自动监测电气设备的基本样式如图1所示。本文的主要设计目标是对自动监测设备实施隔爆防爆。

2.2防爆壳体设计需求

针对以上自动监测装置，为其设计的防爆外壳需求如下：

（1）防爆认证：满足我国防爆电气设备标准化技术委员会编写的防爆标准认证，以及满足欧洲国家防爆标准认证。

（2）防爆材料：选择满足防爆标准需求材料，外涂用环氧树脂。

（3）机械尺寸需求：外壳长度介于16cm至25cm之间，外径介于11cm与14cm之间。

（4）使用温度：大于零下40℃，小于60℃。

（5）接口需求：至少3个接口。

（6）读数显示需求：不论水平还是垂直安装方式，均可以正视通过自动监测设备读取监测数值。

3隔爆式自动监测电气设备防爆壳体具体设计

3.1核心设计

按照上述对自动监测电气设备防爆壳体的需求描述，并结合该设备的基本结构进行研究后得到如下初步的设计方案：

（1）壳体基本结构。该自动监测电气设备防爆壳体的最佳设计结构要能够保证后续压力产生时可实现相对均匀的分布，以及足够小的内部爆炸压力，这有利于对爆炸的防御。由于该自动监测电气设备需要进行数据传输，因此设计的外壳必须包含有两个不同功能的腔体，其一是核心元件放置的腔体，其二是线缆等连接性元件放置的腔体，两腔体中间设置可通过防爆认证的部件（可选择绝缘套管）实施隔离。为便于操作人员对自动监测数据和状态查看，两个腔体均需要设置对应的玻璃透明罩。

（2）壳体材料的选择。由于煤矿井下环境相对恶劣，瓦斯爆炸事故时有发生，这就要求对自动监测电气设备的防爆壳体的设计必须要具有防爆性，具体而言是同时具有隔爆性以及耐爆性。因此，对于外壳材料的选择，首先要以满足隔爆与耐爆为基础；同时，由于防爆壳体需要进行一定的组合，因此壳体的材料必须能够以焊接工艺进行整合。综上所述，本文选择的材料为具有防爆性能的铝镁合金。

（3）壳体形状设计。在电气设备防爆外壳设计中，对于外壳形状的设计一般是按照工作环境产生的爆炸压力实现的。在煤矿生产环境中，瓦斯爆炸是最常见的，这种爆炸产生的环境温度与压力都较高。由于在爆炸过程中的高温引起了压力的增加，使得在容积固定的条件下，由Boyle-Mallet定律得到如下公式：PT=P0T0式中：T0与T分别表示爆炸前后的绝对温度值，P0与P分别表示爆炸前后的压力值。对外壳而言，爆炸所产生的压力的大小与其体积大小并无直接的关系，而是与外壳的表面散热面积有直接关联。大量的实验表明，相同容积条件下，由爆炸所产生的不同形状外壳的压力各不相同，具体如表1所示：从表1可以看出，在圆球形、圆柱形、长方形、正方形四种不同形状容积中，圆柱形外壳的爆炸压力最小；同时，圆柱外壳还具有受力均匀、整体紧凑等特点，适合作为本文自动监测电气设备的外壳基本形状。

（4）壳体厚度设计。对于自动监测电气设备而言，防爆壳体并非是密封的，它不但需要提供外部的接口，而且也存在形状的对接缝，这使得实际的爆炸压力会受到更多因素的干扰，间隙越大，接口越多，壳体所承受的爆炸压力就越小。根据部分专家对防爆国家标准的等效转换标准，可得到针对圆柱外壳中对于壁厚的基本计算公式：δ≥pDi2[σ]tφ-p式中：δ为圆柱体外壳的壁厚；p为实际的压力；Di为圆柱体的内径；[σ]t为固定温度条件下的外壳允许应力；φ为焊接系数。对于防爆外壳壁厚的设计，除了考虑经济性问题之外，还需要考虑外壳的强度储备。根据本文所选择的铝镁合金外壳，可对其强度展开计算，同时将安全系数作为外壳允许应力的计算基础。据此笔者根据实验获得的数据，得到此次防爆外壳壁厚的计算结果如下：δ=（4×10.784）/（2×45×1-4）=0.51cm

（5）内径设计。本文所设计的圆柱体状的自动监测电气设备防爆壳体，还需要考虑壳体内径的尺寸设计与计算，内径大小通常需要从紧凑性、连接性、安装性三方面考虑。本文所选择的自动监测电气设备尺寸约为3.5英寸，内径需要保证电气设备与外壳的紧凑契合；同时为了满足罩体与电气设备的连接，可采取内螺纹结构；综上因素，本文选择内径大小为107.8mm的内螺纹规格，这一数值是在充分考虑了机加工工艺的余量基础上产生的。

3.2其它设计

（1）防爆壳体机械规格。根据前文对防爆壳体的初步设计，可进一步明确该防爆壳体的基本机械规格如下：壳体外径：12cm壳体内径：1.08cm壳体壁厚：0.51cm壳体长度：2.6cm壳体宽度：1.7cm玻璃罩厚度：0.12cm壳体重量：4kg本防爆壳体的设计展示如图2所示：通过上述三维展示图，可以发现本次设计的防爆壳体实现了两个不同腔体的连接，其中一个腔体带有玻璃视盖，另一个为非玻璃盲盖，并借助螺纹形式实现相互连接，从而保障了腔体内部和外部的隔爆。

（2）防爆壳体具体连接结构。本次设计的防爆壳体，两个不同腔体之间的线路连接采取了穿墙隔兰的方式，从而实现不同腔体独自防爆的效果。图3所示为防爆壳体中对于自动监测的传输装置与测量装置的连接方式。测量装置部分利用2个M8螺钉置于传输装置的下方，而传输装置则采用在左边3个外部接口实现与外部电路的连接。

4结束语

本文从机械工程的视角，对煤矿易爆环境下的自动监测电气设备的防爆壳体进行了设计，最终设计的防爆壳体结构能够有效满足自动监测电气设备的防爆使用，为以后的该领域的类似产品设计提供了更稳定、可靠的理论依据，这对于进一步提升煤矿井下电气设备的防爆性能具有重要的意义。

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作者:张海燕 单位:东方机电有限公司