隔爆外壳的计算

隔爆外壳的壁厚大多是依据现有产品的数据进行选择，但是也可以进行一些简单的理论计算，作为理论根据。

隔爆外壳大多为长方形或圆筒形。外壳的计算就是确定外壳的壁厚，法兰的厚度以及选择紧固螺钉的大小和数量。

一 长方体外壳壳壁厚度的计算

   在计算长方体外壳壁厚时可以采用下面的公式：

                                            （1）

  式中  δ 壁厚的计算厚度 cm；

         b 矩形薄板短边长度 cm；

         k  安全系数；

         C  应力系数；见表1；

         p  设计压力，MPa；

        σT  薄板材料的屈服极限， MPa。

                       表 1  应力系数  C

  分析式(1)和表1，可以得到薄板的边长比a/b 与薄板的厚度δ的关系，如表2所示。

表2 薄板厚度δ和边长比a/b的关系

                  图1 长方形薄板的边长比与厚度的关系曲线

  从图1中可以看出，长方形薄板的厚度δ随边长比a/b的增加而呈非线性地减小。当边长比a/b=1.0，也就是说，在正方形时，薄板的厚度最大，δ=0.0237a；当边长比a/b=1.5时，薄板的厚度δ=0.0231a，此时的厚度为正方形的85％。

  在长方形隔爆外壳的设计中，通常认为，长方形外壳的大侧面的长边a 与短边b之比约为3/2，是一种比较合理的结构比例，而外壳的厚度（小侧面，第三边）应该根据内部安装元器件的尺寸来确定。在计算外壳壁厚时，只要计算得大侧面的厚度，就可以基本上确定其他壳壁的厚度了，当然，也可以将所有的壳壁的厚度计算后得到一个合适的厚度。

   举例说明：试计算外形尺寸为1000mm×750mm×350mm钢制结构（Q235-A）外壳壁厚

1 计算底板（1000×750 大侧面）壳壁的厚度：查表1求C：a/b=1000/750=1.33，C=0.1990；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ1=2.46cm。

2 计算顶板 （750×350 小侧面1）壳壁的壁厚：查表1求C： a/b=750/350=2.1429，C=0.2208；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ2=1.21cm。

3 计算侧板 （1000×350 小侧面2）壳壁的壁厚：查表1求C：a/b=1000/350=2.8571，C=0.2208；另外，令p=1MPa、σT=240MPa，k=1.3，然后，将这些数值代入式(1)，计算得到δ3=1.21cm。

   从上述的理论计算可以看出，底板厚度应该选取δ=25mm，顶板和侧板的厚度应该选取δ=13mm。但是，一个箱体具有不同的壁厚，显然不能令人满意。为改变这种情况，在底板上焊接加强筋，以减小底板的厚度。

   如采用合适的十字形加强筋的话，就把底板分成面积相等的4小块，每一小块的尺寸为500×375。这时，按式(1)计算出δ4=1.22cm。这个数值和顶板、侧板的厚度基本相同。

   根据上述的理论计算和实际的设计经验，建议这个隔爆外壳壁厚的设计厚度选取δ=15mm

   上述计算经过计算机模拟计算和防爆的相关试验完全满足要求。

二 圆筒形隔爆外壳壁厚的计算

   计算圆筒形隔爆外壳的壁厚时可以采用下列公式：

                               （2）

式中：δ  圆筒形外壳的壁厚，cm；

      P   设计压力， MPa；

      Di  圆筒形外壳的内径，cm；

   〔σ〕t 设计温度下圆筒形外壳材料的许用应力，MPa

      φ  焊缝系数，见表3

表3 焊缝系数

试计算内径为300mm的钢质结构（Q235-A）圆筒形隔爆外壳的壁厚。

设：设计压力p=1MPa，钢板采用单面对接焊，并且不做无损探伤检查。查资料得 Q235-A的许用应力=111.8MPa。

   数据代入公式（2）中，得圆筒形隔爆外壳的壁厚δ=0.23cm。可以采用3mm。

三 圆筒形隔爆外壳端盖壁厚的计算

对于圆筒形隔爆外壳来说，它的端盖大致可以归纳为三种形式：半球形封头-圆筒-法兰型、半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型和平面型，如图2所示。

    a                     b                     c

                       图 2 圆筒形隔爆外壳端盖结构示意图

a 半球形封头-圆筒-法兰型端盖；

b 半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖；

c  平面型端盖。                          

  对于半球形封头-圆筒-法兰型端盖，圆筒部分的壁厚δ0可以按照下式计算：

                                 (3)

  封头部分的壁厚可以按照下式计算：

                              (4)

  这里需要指出的是，半球形封头与圆筒之间的连接可以设置半径为5-10mm的圆角，这样可以有效地减少弯曲力矩和应力。在下述的半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖上也应该采用这种圆角进行过渡。

  对于半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖，圆筒部分的壁厚可以按照式(3)进行计算；封头部分的壁厚可以按照下式计算：

                                  （5）

对于平面型端盖，圆形平板的厚度可以按照下式计算：

                                   （6）

在上述的公式中：

p  设计压力，MPa；

r  封头的球半径，cm；

r1  半球形封头-圆筒-法兰型端盖圆筒部分的半径， cm；

r2  半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖椭圆的长轴半径，cm；

r3  平面型端盖圆形平板的半径，cm；

c  半椭圆截面形封头-圆筒-法兰型端盖封头的高度，即椭圆的短轴半径，cm；

［σ］材料的许用应力，MPa。

四 外壳法兰厚度的计算

   在计算矩形外壳法兰的厚度时，可以采用下列公式：

                  (7)

式中：δ  法兰的计算厚度，cm；

      a   法兰上两个相邻的紧固螺栓（螺钉）之间的距离，cm；

      α  扰度系数，如表4所示；

      p   设计压力，MPa；

      k   安全系数；

      E   所用材料的弹性模量，MPa；

      i    隔爆间隙，cm；

      B   平面度，cm；

      φ  焊缝系数，如表3所示。

现以长方形钢质（Q235-A）法兰为例，计算法兰的厚度。

表 4 扰度系数

假设：法兰上两个相邻的紧固螺栓之间的距离a=10cm，设计压力p=1MPa，隔爆接合面宽度b=2.5cm，隔爆间隙i=0.02cm，安全系数k=1.5，平面度B=0.005cm（原文为0.0004cm），扰度系数α=0.168，φ=0.6；查材料手册得出材料的弹性模量E=2×105MPa。将这些数据代入式(7)7计算得出，法兰厚度δ=1.44cm。

当计算圆筒形外壳的圆环法兰时，仍可使用公式(7)，只是在计算完成后，对计算结果乘以1.2-1.3系数就可以了。

需要特别指出的是：

a 上述计算的法兰厚度仅仅是经加工后应该保证的必要厚度，毛坯件的厚度应该由工艺人员予以考虑。除此之外，隔爆外壳法兰的厚度还应该根据不同材料考虑螺钉的拧入深度（推荐：紧固螺纹拧入深度可以这样考虑：对于钢及青铜，1倍螺纹直径；对于铸铁，1.25倍螺纹直径；对于铝，2倍螺纹直径）。

b 法兰上两个相邻的紧固螺栓之间的距离，通常情况下，取100mm是较为合理的，在相同条件下，间距太小所用的螺栓太多，间距太大时所用的螺栓少了，但是螺栓直径大了，隔爆接合面宽度将增大。

五  紧固螺栓的选择

在隔爆型电气设备中，隔爆外壳的紧固螺栓的选择，必须考虑诸多因素，例如，紧固螺栓的性能等级，隔爆接合面的宽度参数（L和l），紧固螺栓之间的距离，隔爆外壳壳盖的受力面积等等。

在选择时，首先应该确定预选螺栓的数量，然后，按照下式计算每个螺栓所承受的拉力：

                                    （8）

式中：F  每个螺栓所承受的拉力，N；

      p  设计压力，MPa；

      m  受力面积，cm2；

      n  紧固螺栓的数量。

接着，可以根据螺栓受力大小按照表5选取螺栓直径。

表 5 螺栓（4.8级）的保证载荷     N