矿用隔爆型软起动器的设计与外壳优化

摘要

隔爆外壳一直广泛应用于煤矿及各种工业场所，通常在其内部安装一些交流或直流的控制设备，如变频器、软起动器等。通过将这些电气设备安装在隔爆外壳内，可以有效防止壳体内的电路系统由于故障所产生的电火化在点燃壳体内的瓦斯气体后通过法兰传导至壳体外部从而点燃壳体外的瓦斯气体，引发更严重的瓦斯爆炸，因此壳体的质量对于矿井的安全十分重要。而目前在制造壳体时，对于隔爆外壳的壁厚确定没有十分明确的依据，往往是制造人员在理论计算的基础上，为了确保安全，根据自己的经验，再增加一定的厚度，这样致使壳体的壁面应力储备过大，过于笨重。这些电气设备有时需要随着采掘工作面的推进而不断移动，有时其搬迁还需要经过多次重装，因此其质量过大就显得十分不便，为了解决这些问题，本文选取一类较常用的隔爆软起动器外壳进行研究。
　　首先根据隔爆外壳使用的电流电压环境以及外壳内部工作的电路系统对壳体内的各种主要器件进行选型，并根据电路系统及各器件的具体尺寸以及爬电距离等规定对器件进行合理的布局，根据布局确定了隔爆外壳的具体尺寸。通过查询资料，确定该容积的隔爆外壳的具体壁面参数，按照隔爆外壳的试验要求，借助三维建模软件 Solidworks对隔爆软起动器壳体建模，结合有限元分析软件 Workbench仿真隔爆外壳的具体试验情况。在对模拟结果进行分析后，发现试验过程中壳体的不同壁面应力分布均不相同，为了保证隔爆外壳能在矿井下安全使用，必须要保证外壳的最大应力不能超过该种材料的许用应力，便可以对该外壳的壁厚进行合理优化。本文决定利用 Workbench中提供的零阶方法对隔爆外壳做优化计算。首先对外壳进行参数化建模，对需要优化的参数设定允许优化的范围，在设置了循环次数后，根据软件提供的设计点，对外壳进行优化，根据得到的优化结果，选出最理想的优化数据。
　　在完成对壳体的优化后，决定利用瓦斯爆炸对壳体进行耐爆性试验。本文采用单向流固耦合的方法，通过创建瓦斯爆炸的数学模型，借助流体软件 Fluent模拟瓦斯爆炸的具体情况，并导出爆炸过程中的温度变化图，根据相应的温度变化，确定爆炸反应最激烈的时刻，将该时刻的爆炸数据加载到隔爆外壳内壁上，求解其应力以及应变。通过对计算结果分析可知，由于爆炸过程中壳体内的压力处处不同，致使壳体壁面的应力呈无规则状分布，其应力的最大值未超过选取材料的许用应力，表明对外壳做的优化计算十分成功。
　　在完成对隔爆外壳的耐爆性试验后，需要对其进行隔爆性试验。利用瓦斯爆炸过程中得到的爆炸数据，获得壳体内的温度云图，选取法兰门温度最高处进行模拟，发现隔爆结合面过长。针对模拟结果，并根据国标要求，对隔爆结合面长度进行合理的缩短。在完成对隔爆软起动器的整体试验及优化后，根据现有的试验条件，对其进行水压试验，对试验结果进行分析发现，试验过程中，壳体未发生损坏，该壳体是合格的，壳体壁厚以及质量有了一定的减小，为该规格的隔爆外壳制造提供了一定的参考价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1论文背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 论文研究主要内容及技术路线图

第二章 隔爆软起动器电路及外壳设计

2.1软起动器工作原理

2.2软起动器的主要功能

2.3软起动器的控制模式

2.4本质安全型低压交流软起动器电路设计

2.5软起动器工作主回路主要器件的选型

2.6隔爆软起动器外壳的尺寸确定

2.7本章小结

第三章 隔爆软起动器壳体壁厚优化及仿真

3.1隔爆软起动器壳体强度检验方法

3.2隔爆软起动器壳体壁厚的理论计算

3.3隔爆软起动器壳体的静压数值模拟

3.4隔爆软起动器壳体的壁厚优化

3.5本章小结

第四章 隔爆壳体动压试验仿真研究

4.1瓦斯爆炸的反应过程

4.2瓦斯爆炸传播的数学方程

4.3瓦斯气体数学模型的建立

4.4瓦斯爆炸的数值模拟及壳体的应力分析

4.5本章小结

第五章 外壳隔爆实验仿真研究及水压实验验证

5.1隔爆软起动器壳体的隔爆试验要求

5.2隔爆壳体的隔爆试验仿真

5.3对优化外壳的水压试验验证

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文