1、1隔爆兼本质安全型控制箱及水压试验机的设计摘要本文阐述了矿用自动风门系统总体方案设计和隔爆兼本质安全型控制箱及水压试验机的设计。矿用自动风门系统的总体方案设计和水压试验机的设计只作为简单介绍。而重点在于介绍隔爆兼本质安全型控制箱的设计，主要阐述了隔爆型电气设备和本质安全型电气设备的隔爆原理、隔爆结构参数、隔爆外壳附件和对隔爆外壳的检验。关键词: 风门 隔爆 控制箱 水压试验机全套图纸，加 153893706Abstract This thesis mainly to describe the design of the system of automatic throttle which ar
2、e used in mine. And the design of explosion-proof enclosure and the experiments machine using water pressure. The former is the simple introduction. The point lies in the introduction of the design of explosion-proof enclosure. Its mainly to talk about the principle of explosion-proof equipments and
3、 the intrinsic safety equipments used in mine.Key words: throttle explosion-proof enclosure experiments machine 2目录摘要Abstract第一章 绪论1.1 课题的目的及意义1.2 我国煤矿隔爆外壳的发展状况1.3 本次毕业设计的主要内容第二章 矿用自动风门系统总体方案设计2.1 系统组成2.2 门体结构形式2.3 传动系统2.4 控制箱2.5 检测及控制系统2.6 系统的工作过程第三章 自动风门隔爆兼本质安全型控制箱的设计3.1 隔爆型电气设备3.1.1 概述3.1.2 电气设备外
4、壳内的沼气爆炸3.1.3 隔爆原理3.1.4 隔爆型电气设备的隔爆结构参数3.1.5 隔爆型电气设备的外壳附件3.1.6 隔爆型电气设备防爆性能的保证3.1.7 隔爆型电气设备的试验3.2 本质安全电路和本质安全型电气设备3.2.1 本质安全电路的基本知识3.2.2 本质安全型电气设备的防爆原理3.2.3 本质安全型电气设备的部件3.2.4 本质安全型电气设备的结构要求第四章 水压试验机的设计4.1 水压试验机的组成及工作原理4.2 水压试验机的工作过程4.3 电机、水泵、管件和阀门的选型设计结论致谢3参考文献第一章 绪论1.1 课题的目的及意义本毕业设计题目为矿用自动风门系统设计。设计本课题
5、的目的在于通过本课题的设计，可以使我们对矿用自动风门系统有所了解。而对自己所选的专题应该是有全面的了解。为使风流在矿井内得到合理分配和流动,需要设置一系列的装置来引导风流、遮断风流或控制风流，这类装置叫通风构筑物。通风构筑物的选择和维护管理的好坏，在很大程度上决定了矿井通风系统的完善和通风效果。因此，通风构筑物是矿井通风工作中重要的一环。符合于空气动力要求的通风构筑物是具有最小的阻力和允许非常少的漏风。一切通风构筑物可分为两类：1）通过风流的构筑物扇风机的风峒、风桥、反风装置、调节口；2）遮断风流运动的建筑物风墙、风门、井盖、双重风门、风闸、阀门、通风井筒的井上密闭建筑物。由于本毕业设计任务是
6、设计矿用自动风门系统，因此这里只介绍一种遮断风流运动的建筑物风门。风门设在需要隔断风流、平时又需要行人的巷道内。根据巷道宽度不同，风门有一扇的和两扇的。风门可分为临时风门和永久风门两种。风门门窗安在挡风墙门垛的门框上，门扇由木质、金属材料或混合材料制成，按开启方式分为普通风门和自动风门。普通风门用人力开启，一般多用木质构成，门扇与门框呈斜面沿口接触，与水平面成 8085倾角，接触面用可缩性衬垫，迎风开启。自动风门是借助于各种动力开启与关闭的一种风门，按其开启动力可分为撞杆式、气动式、电动式和水动式等。自动风门灵活、可靠，可实行载波遥控与集中监视。风门是煤矿主要的通风设施，它一方面起到调度风流的
7、作用，另一方面在灾变时期还起着控制灾害范围的作用，特别是在火灾、瓦斯爆炸时期，利用各种可控制的风门进行风流调度，防止灾害扩大都起到越来越大的作用。为了适应矿井平时及灾变时期对风门的需求，很多单位研制和开发出各种特色的风门，并已获得矿井的应用。以下介绍几种典型的自动风门。（1）光控压风自动风门光控压风自动风门的动力部分由汽缸、电磁阀、压风软管、滑轮、钢丝绳等组成。电磁阀不通电时，汽缸的前腔通入压缩空气，后腔与大气相通。活塞杆缩回，风门处于关闭状态。当电磁阀通电时，切换气路，汽缸前腔与大气连通，后腔通入压缩空气，4活塞杆伸出，钢丝绳通过滑轮便打开风门。该风门的特点是自动风门与其它机械风门比较，具有
8、所占空间小，动作灵活、可靠等优点，适用于不能通过风流且需行人和通车的巷道。（2）微波监控电动风门平顶山七矿使用有微波监控自动风门，它主要由控制部分和执行部分组成。此类风门特点是风门与传动装置之间为刚性联接，在正常情况下能真正实现风门开启自动化和风门间的闭锁；结构简单、使用方便、对安装和维护技术要求不高；可靠性好。（3）压力平衡式自动风门中国煤博四方技术公司开发的 FM-CK 系列压力平衡式自动风门，由压力平衡式风门、CK 防爆兼本安型程控组合开关、霍尔行车传感器、红外门阻传感器及声光信号系统组成。该风门具有以下特点：电脑程控，适用于多种来往通过模式；传感可靠，在泥中、水中均能使用；声光信号，指
9、示人车安全通过；兼容手动，断电时可由人力开启。1.2 我国煤矿防爆外壳的发展状况建国以来，我国煤炭工业取得了世界瞩目的成就，一直以较快的速度向前发展。我国煤炭业的发展主要是依靠科学技术的进步。而科学技术的发展主要是提高机械化水平和矿井技术装备水平，不断采用新技术。不断提高矿井的综合生产能力和抗灾能力，改善煤矿的安全生产状况。通过对国外防爆外壳先进技术的多年实践摸索，目前，我国该类产品质量和技术水平已经大大缩短了与国际先进水平的差距，部分产品已经接近或赶上国际先进水平。机械加工工艺提高。多数企业的大部分产品基本上都注意了防爆部位和零部件的机械加工质量，基本能够按照国家标准的规定进行加工，例如：隔
10、爆面的加工精度和长度、紧固螺栓的旋入长度、内外接地装置的直径等。1.3 本次毕业设计的主要内容本次毕业设计（论文）题目为矿用自动风门系统设计。所要设计的内容分为四个专题，即：专题一 隔爆兼本质安全型电气控制箱及其水压试验机的设计1 控制箱总方案设计2 隔爆外壳设计3 快开门结构设计（左右开门或上下开门）4 机械联锁装置设计5 水压试验机总体方案设计6 电机、水泵选型设计专题二 自动控制风门系统电气设计1 控制箱总体方案设计2 本体总体方案设计3 电气控制回路及保护回路设计4 电器元件及 PLC 选型设计专题三 风门结构及机械传动系统设计51 风门结构总体方案设计2 门体、上下导轨、导向轮及张紧
11、装置设计3 传动系统总体方案设计1） 电机2） 采用电液推杆4 电机、减速器、联轴器、电液推杆选型设计5 摩擦传动结构及手摇机构设计专题四 先导式风门结构及驱动系统设计1 风门结构总体方案设计2 行人便门结构设计3 行人便门驱动系统总体方案设计4 直线电机的选型设计我所选的是专题一：隔爆兼本质安全型电气控制箱及其水压试验机的设计。设计内容主要有矿用自动风门控制箱（见图 00） 、左右开门快开门机构（见图 01） 、水压试验机外观图（见图 10）第二章 矿用自动风门系统总体方案设计2.1 系统组成自动风门是借助于各种动力开启与关闭的一种风门，按其开启动力可分为撞杆式、气动式、电动式和水动式等。但
12、风门系统的组成基本类似。自动风门灵活、可靠，结构简单，使用方便。自动控制风门系统组成如图 1 所示，由两道门、来车识别装置、状态检测装置、防夹车装置，隔爆兼本安控制箱等部分组成。每道门如图 2 所示，由两扇门体、道轨组合、滑轮组合、驱动装置、牵引钢丝绳、张紧装置等组成。62.2 门体结构形式门体采用轻型槽钢焊接成骨架，用 3厚钢板覆盖做门面，骨架及门面板在制造时做防锈处理，在其中的一扇门上设有行人便门，门扇周边采用橡胶带密封。上导轨采用 20 号槽钢，下导轨采用 18 公斤道轨。另外门体的高度应与巷道的高度相适应，人行门应不低于 1.82.0 米。为避免列车通过时对风门的碰撞，风门全开时的净宽
13、应为列车最大宽度再加 400。2.3 传动系统本次毕业设计中采用的传动系统有两类：一类是采用电液推杆；另一类是采用电机。2.4 控制箱控制箱是用来放控制元件的部分。控制箱主要由两部分组成，一部分是上面的接线腔，另一部分是下面的箱体。接线腔内主要放有一些接线装置，比如九芯接线柱，螺杆接线柱等。箱体内放有电气控制设备，由于本毕业设计中采用的是可编程控制器输入输出信号，因此箱内还放有可编程控制器及一些其他装置。由于该控制箱是用于煤矿井下，因此要满足煤矿安全规程的要求。在控制箱的设计中主要用了快开门机构和联锁装置。所谓快开门机构是指防爆电气设备外壳上只需解除少量螺栓或不需要解除螺栓，通过简单的操作即可
14、在短时间内打开的门或盖（本设计中是门） 。联锁装置可以防止因误操作而产生的明火引爆沼气、人身触电和机电设备事故。联锁装置的目的是为了保证操作顺序，防止误操作。对它的要求是：设备带电时，可拆卸部分不能拆卸；可拆卸部分打开时，该设备送不上电。它还应具有使用一般工具不能解除其联锁功能的结构。另外，为防止电气设备外壳带电而危及人身安全，因此电气设备的金属外壳应设外接地端子，接线盒内应设有内接地端子。接地端子处应标出接地符号。2.5 检测及控制系统据目前矿山使用的触发信号，多以电机车架线旁加设附线，其次是光电和轨道接点几种。继电器控制系统，虽然附线式触发信号简单，便宜，并多数采用二段开门双附线也较可靠，
15、但有局限性，即当矿车或人员通过风门时尚需手动。光电式触发信号虽能当矿车或人员通过风门时，均可自动开闭风门，灵敏度也高，但受到矿井尘雾、潮湿影响限制了使用，目前矿用光电管（光敏电阻）易老化，还不理想，尚需改进。轨道触点触发器，易于损坏，受潮湿而失灵，维修量大。以上几种均不理想，今后发展趋势是超声波或激光继电装置，并由继电触发器控制系统过渡到无触点控制或简易顺序控制系统。本次设计中采用的是可编程控制器控制系统。来车检测靠灯光脉冲光照射传感装7置，可编程控制器根据传感信号控制电机的启动以打开风门，开门的停止信号来自于开门限位开关；风门的关闭靠可编程定时控制，关门的停止信号同样来自于关门限位开关。在每
16、道门的两侧设有光电开关，检测关门障碍，以防关门时夹车夹人。2.6 系统的工作过程整个系统的工作过程如下：1.上行车辆或下行车辆通过车灯脉冲光照射申请开门时，系统均发出申请信号，A，B 门申请开门信号以先到者有效，后到者保持。2.A 门（或 B 门）申请信号有效时，执行开门操作，同时有灯光指示，门开后延时 1530 秒，此期间若还有申请信号，再延时 15 秒，在检测无障碍情况下，执行关门操作。A 门（或 B 门）关闭后，延时 2 秒，B 门（或 A 门）执行开门操作，同时有灯光指示，门开后延时 30 秒，在检测无障碍情况下执行关门操作。3.当下行车辆通过 B 门（或上行车辆通过 A 门）期间，若
17、有上行车辆申请 B 门开门信号（或下行车辆申请 A 门开门信号）则 B 门（或 A 门）继续延时 30 秒，上行车辆（或下行车辆）可进入 B 门（或 A 门） ，然后再执行后续程序。第三章 自动风门隔爆兼本质安全型控制箱的设计1.1 隔爆型电气设备1.1.1 概述很多矿山电气设备都有难以密封的结合面，例如电动机的旋转轴、开关的操纵杆等。当电气设备的外壳存在间隙并且周围沼气浓度超限时，由于气体的扩散作用，设备周围的爆炸性气体混合物就通过设备外壳的间隙进入设备内部，电气设备内部的沼气浓度会逐渐接近外壳外部的沼气浓度。图 3-1 所示为外壳周围沼气浓度为 9.8%时沼气渗入外壳达到的浓度与时间和法兰
18、结合面间隙的关系曲线。由于电气设备通电运行时温度升高和停电时温度降低而产生的“呼吸”作用以及对流作用，更加快了爆炸性气体向电气设备外壳内的扩散。此外，电气设备发生故障，其内部有机绝缘物的分解也会产生大量爆炸性气体。因此，电气设备内部的爆炸性气体的爆炸是很难避免的，但是，当电气设备的外壳采用特殊的结构后，可以使电气设备内部的爆炸限制在机壳内部，而不致引起机壳外部的爆炸性气体混合物爆炸，这种作用就叫做隔爆。本世纪初，德国科学家贝林加提出了隔爆间隙的热传导理论，并且进行了具有一定接合面长度和间隙的外壳隔爆试验，通过试验得出结论：间隙隔爆的方法是可靠的，隔爆型电气设备就是在此基础上诞生的。随后，各国科
19、学工作者对隔爆外壳的隔爆理论进行了深入的研究，得到了隔爆接合面长度与间隙的关系和隔爆外壳临界间隙的近似表达式等研究成果。这些成果为隔爆电气设备的安全运行及隔爆电气设备性能的改进提供了理论基础。8我国对隔爆外壳的安全间隙也进行了大量的试验和研究，并在此基础上制订了国家标准。为了确保防爆电气设备的性能安全可靠，机械工业部和煤炭工业部 1965 年联合颁发了矿用防爆电气设备制造检验规程 ；1976 年机械工业部、煤炭工业部、石油化学工业部联合修订防爆规程；1977 年国家标准局颁布了防爆电气设备制造检验规程 （GB1336-77） ；1983 年国家标准局又颁布了爆炸性环境用防爆电气设备国家标准：G
20、B3836.1-83（通用要求） 、GB3836.2-83（隔爆型电气设备）等五项国家标准；1987 年又连续颁布了 GB3836.5-87等四项防爆电气设备标准。隔爆型电气设备的共同特征是：将正常工作或事故状态下可能产生火花的部分放在一个或分放在几个外壳中。这种外壳除了将其内部的火花、电弧与周围环境中的爆炸性气体隔开外，壳内各零件间的连接具有一定的结构尺寸，它还应具有一定的结构强度。当进入壳内的爆炸性气体混合物被壳内的火花、电弧引爆时外壳不致被炸坏，也不致使爆炸产物通过联接缝隙引爆周围环境中的爆炸性气体混合物。这种能够承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部爆炸向外壳周围爆炸性混合物传
21、播的电气设备外壳叫“隔爆外壳” 。具有外壳的电气设备叫“隔爆型电气设备” ，其标志为“d”。由于制造、安装、使用和维护等方面的原因，隔爆外壳不可能是“天衣无缝”的一个整体，而是有许多零件组成的。零件间联接的缝隙会给壳内的爆炸产物引燃壳外的爆炸性混合物提供通道，并且爆炸产物总是沿着最短的路径通过这些缝隙。这些缝隙也叫“火焰通道” 。为了防止壳内的爆炸引起设备周围环境爆炸性混合物的爆炸，火焰通道必须符合一定的结构尺寸，叫做“隔爆参数” 。符合隔爆参数要求的隔爆外壳各部件相对表面配合在一起的接合面叫隔爆接合面。有的隔爆接合面经过多次试验得出了保证安全的参数范围，对此在 GB3836.2 中作了明确的
22、规定。还有一些因素对其保证安全的参数了解还不够，则必须通过防爆试验来证明其安全性。隔爆型电气设备的发明和防爆理论的完善促进了煤矿生产电气化的进程。在具有沼气、煤尘爆炸危险的矿井中，隔爆型电气设备的数量可达矿井电气设备的 75%以上。因此弄清其防爆原理，学会正确使用和维护隔爆型电气设备，对于搞好煤矿安全生产具有重大意义。1.1.2 电气设备外壳内的沼气爆炸爆炸性气体混合物在爆炸时产生大量气体和热量，这些气体受热后体积迅速膨胀形成压力波，压力波对其传播路径上的一切障碍都将产生压力。由于隔爆型电气设备内部的沼气爆炸是不可避免的，因此我们有必要了解电气设备外壳内的沼气爆炸有什么特点。一、沼气爆炸产生的
23、高温和高压沼气只有与空气按一定比例混合后，才具有爆炸性，其反应过程如下：点燃CH +2（O +4N ） 2H42CO2QN28上式左边的是初始混合物，右边的为反应生成物和反应放出的热量 Q。混合物中的（O +4N ）为空气的近似组成。上式说明，为了使 1mol 的沼气完全反应，需要22mol 的氧气和 8mol 的氮气。这样沼气在空气混合物中的浓度为9CH %1.904.2)81(%4 实际上，由于空气中氧气所占的比例略大于 20%，所以沼气空气混合物完全反应的比例约为 9.8%。偏离这个比例，也能发生反应。这个偏离界限就是爆炸界限，其上限为 16%，下限为 5%。沼气与空气混合物爆炸时产生的
24、高温和高压可根据反应方程和波义尔-马略特定律粗略地计算出来。当沼气的浓度为 9.5%时，痄腮密闭绝热的情况下温度可达21002200，压力可达 840kPa 左右。以上数据是在绝热状态下密封容器内爆炸取得的。由于爆炸发生时通过外壳散发掉一部分热量，所以实际测得的温度和压力均低于理论计算值。例如 9.5%左右的沼气空气混合物，在常压下引爆后测得的温度为 1850，爆炸压力为 740kPa。爆炸压力测定系统如图 3-2 所示，压力波形如图 3-3 所示。当沼气的浓度小于 9.8%时，混合物中的沼气得到充分燃烧，剩余氧气未参加反应；当沼气的浓度大于 9.8%时，因混合物缺少氧气，沼气不能完全燃烧。因
25、此这两种情况下产生的压力均小于最大值。二、 影响外壳内压力的因素外壳内爆炸压力的大小是决定外壳材料、结构和形状的重要因素，因此必须了解影响爆炸压力的因素。在爆炸性混合物的浓度、初始压力、初始温度等相同的条件下，影响外壳内爆炸压力的主要因素有外壳的间隙、外壳的容积和外壳的形状。1、 外壳间隙的影响电气设备的外壳存在间隙，所以当外壳内沼气爆炸时，燃烧表面对新鲜混合物的压缩使新鲜混合物通过间隙而被部分地释放掉了，因此使容器中的爆炸压力下降。在容积相同时，间隙越大产生的压力越小。图 3-5 所示为浓度为 9.5%左右的沼气-空气混合物引爆时爆炸压力与间隙的关系。为了使电气设备的外壳能够隔爆，通常希望间
26、隙越小越好，因此外壳必须能承受较大的压力，另外，当隔爆外壳上使用衬垫时，由于10衬垫的存在使得间隙的泄压作用消失，所以对其外壳的强度要求就更高。2、 容积的影响由于混合物爆炸时总是通过外壳壁产生热量的损失，因此爆炸产生的压力和容积是有联系的。一般用外壳内表面积 S（即热损失面积）与容积 V（爆炸混合物的体积）之比 表示散热的效果。对于球形容器（图 3-6）：VS（式 3-1）DV6132式中 D球形容器的直径，。式 3-1 表明，容积小时单位体积散热面积相对较大，因此爆炸压力相对较低。容积大时，损失掉的热量与总的爆炸热量相比不算大，因此容积对压力的影响不大。图 3-7表明爆炸压力与外壳容积的关
27、系。图 3-7 中的关系仅适用于容积小于64L 的情况。对于较大的容积，在爆炸时由于引爆点的不同以及在各方向上爆炸速度不同回造成较大的压力分布不平均。如在内径为 340，容积 245L 的圆筒形容器中，点火侧的压力为 350kPa，而在相对侧，测得的爆炸压力达 900 kPa。混合物爆炸时，会从外壳的间隙中漏气而降低压力。当间隙一定时，爆炸压力和容积的大小也有联系。可以用漏气面 S 和容积 V 的比 表示泄压效果。对于图 3-6 所S示的球形容器：（3-2）2361DdV式中 D球形容器的内直径，；d间隙高度，。式 3-2 表明外壳容积越小，单位体积所具有的漏气面积越大，爆炸时压力就越低。11
28、若容积较大， 就较小，漏气较少，则压力就较大，VS总之，由于容积较小时单位体积的散热和漏气都比较多，所以其内部压力较低。这种现象在外壳容积 0.5L 以下时尤为显著。3、 外壳形状的影响在容积相同、外壳形状不同的条件下，由于爆炸时产生的热量相同，而散热面积不同，所以产生的压力也不同。在其它条件都相同的条件下，不同形状的容器内爆炸压力的差异如表 3-1 所示。由表可知，圆球形的爆炸压力最大，长方形的爆炸压力较小。这是因为球形容器的散热面积最小，而长方形的容器表面积较大。三、隔爆外壳的压力重叠沼气与空气的混合物在隔爆外壳内爆炸，如果外壳内为多空腔结构，还将产生爆炸压力重叠现象。压力重叠是个复杂的物
29、理过程。如图 3-8 所示，A、B 两个空腔之间以孔连通，A 腔容积远大于 B 腔容积。A、B 腔内均充以爆炸性混合物，并在 A 腔点火引爆。起爆后，压力波的传播速度快（约330m/s） ，而爆炸火焰传播速度慢（约 3.39 m/s 左右） 。所以 A 腔起爆后压力波首先传到 B 腔，使 B 腔内爆炸性混合物的压力升高，然后火焰传到 B 腔，使 B 腔内被压缩的气体引爆。这时 B 腔内产生的压力是原来压力的几倍，甚至几十倍，这种现象叫压力重叠。事实上，在同一容器内，由于容器内的结构原因影响爆炸火焰的正常传播时就会出现压力重叠现象。例如某平行六面体的外壳，空壳时按国家标准进行耐爆试验，三次试验后
30、外壳完好无恙。六面体外壳内装入电气元件后，将完整的空腔分割成三部分，各部分之间是狭长的缝隙。当在某一端点火试验时，压力为 470 kPa，而点火对面侧的爆炸压力达 2700 kPa，外壳遭到严重破坏。1.1.3 隔爆原理所谓隔爆，就是当电气设备外壳内部发生爆炸时，火焰经各接合面喷出，而不使壳外面的爆炸性混合物爆炸。隔爆外壳的间隙隔爆机理与金属网对火焰的熄灭作用相仿。法兰间隙能起隔爆作用的机理现仍有两种观点：一种观点认为隔爆是由于法兰间隙的熄火作用；另一种观点认为隔爆是由于法兰间隙的熄火作用和法兰间隙对爆炸产物的冷却共同作用的结果。从这一试验来看，后一种观点的理由更充分些。一、间隙熄火作用爆炸性
31、气体混合物火焰在狭小间隙中熄灭的理论是建立在观道中火焰传播界限的实验研究基础上的。对于不同的爆炸性气体混合物，都有一个对应的临界熄火直径值d 。当管子的直径超过临界值时，这种爆炸性气体混合物的火焰即可沿着这个管道传k播，否则火焰熄灭。在管子中心火焰温度最高，为 T ，沿火焰表面的温度为 T ，max min即气体燃烧所需最低温度。在火焰外一定距离到管壁之间气体的温度为 T ，i,u12所以这个区域的气体不燃烧，这是因为反应产生的热量被管壁及未燃烧气体吸收所致。随着火焰的传播，火焰前方的气体相继开始燃烧，而靠近管壁的区域 y 的气体始终不0燃烧，这个区域叫做“死区” 。当管子的直径减小时，死区逐
32、渐向中间靠拢，火焰面进一步弯曲。若管径再减小一点，火焰的传播就不可能了，这个直径即称临界直径 d .kmax24RTeEudk式中 气体混合物热扩散率，3.610 /s;4u-火焰传播速度，3.39m/s;E-活化能，对于沼气 E=146600J/mol;R-气体常数，4.37J/molK;e-自然常数，2.718；T -最大燃烧温度，对于沼气 T =2100K。max max在管道熄弧的基础上，苏联学者 B.C.克拉夫琴科教授提出了平面间隙结构的临界间隙 S 表达式：k（34）max2RTeEuSk可见，临界间隙未临界管径的一半。火焰在间隙中熄灭是因为热量经过气体传给结构间隙的表面的结果。所
33、以公式33 和 34 与构成间隙的材料无关，而仅与气体混合物的种类有关。对于火焰传播速度和燃烧温度都较高的气体混合物，其临界直径和间隙较低，例如氢气，其临界间隙约为沼气的 1/10。公式 33 和 34 还表明了管子和狭窄间隙对火焰有影响的各个参数之间的定性关系。根据分层燃烧火焰传播条件导出的公式未考虑实际隔爆外壳中出现的一系列因素（爆炸过程中压力的变化、爆炸生成物喷出的紊流性质、间隙出口处压力的降低等） 。因此从公式中得出得数据和实际是有差别的。例如，按公式 34 计算沼气空气混合物的临界间隙为 2，而按试验数据，宽 25平面法兰外壳的最大试验安全间隙为1.14。二、间隙的冷却作用当接合面间
34、隙小于临界间隙时，壳内的爆炸火焰经过间隙即被熄灭，但是如果穿出间隙的爆炸产物的温度达到引燃爆炸性气体混合物所需要的高温时仍然能够引起外壳周围的爆炸性气体混合物爆炸。例如一氧化氮爆炸时，其火焰不可能穿过 0.8mm 的间隙，但它却使容器外的沼气-空气混合物引爆。这说明，间隙对爆炸产物的冷却作用与外壳的隔爆性能有直接关系。点燃爆炸性混合物的必要条件是13在有限的燃烧生成物中要有足够的能量。当法兰间隙中的火焰通道足够长时，由于间隙的冷却作用，穿过间隙的火焰得到充分的冷却，其温度降低到点燃外壳外部的爆炸性混合物所需的最低温度以下，所以不会传爆。试验表明，从外壳中喷出的爆炸产物温度高于 1020以上时才
35、能点燃沼气-空气混合物。如图 3-10a 所示，在接合面长度 L=25的钢制平面法兰的球形外壳内，点燃沼气浓度为 8.5%的爆炸性混合物进行试验。在正对着点燃点的间隙内外测得的温度与时间的关系如图 3-10b 所示。从图中可以看出：外壳内部的最高温度为 1630，平均温度为 1440 ；壳外的最高温度为 950，而平均温度为 700，均低于 1020。这证明隔爆间隙还有一个重要作用就是对爆炸产物进行冷却。下面具体分析一下间隙中爆炸产物被冷却的程度，可燃性气体通过间隙时的冷却程度可利用热损失 Q 与爆炸时产生的热量 Q 之比 Q / Q 来衡量。n BnB如图 3-11 所示，取出对着点燃点的接
36、合面周长上的一小段d (爆炸时在这一段上喷出的气体较多，有代表意义)。爆p炸生成物从接合面 d 段上喷出的数量为：p（3-5）pHPV式中 爆炸生成物从接合面 d 段上喷出的数量，m ；p3V外壳的净容积，m ；3P法兰接合面的周长，m;d 法兰接合面单元长度，m.p式 3-5 是假设外壳内爆炸生成物全部喷出外壳而得出的。在以下的试验中全部采用浓度为 8.5%的沼气空气混合物。沼气的燃烧值为892.6kJ/mol，所以容积为 的沼气与空气混合物完全燃烧放出的热量为：HV（J）HB VQ387104.268905气流通过法兰接合面 d 段间隙时，由于法兰的热传导作用，产生饿热损失可按下p式计算：
37、14（3-6）21tCVQHn式中 C气体的定压比热容；外壳内气体进入间隙时的平均温度； 1t气体出口时的平均温度。2由式 3-5 和 3-6 可得： 2142109.387tCVtCQHBn 对于不同的间隙值，爆炸后外壳内外的温度与热损失情况如表 3-2 所示。表 3-2 爆炸后外壳内外的温度与热损失的关系间隙 S 平 均 温 度 相对热损失 每厘米接合面间隙的热损失 （） Q （KJ）1t2t%BnQn0.2 1662 355 58.2 153.7 0.3 1526 525 44.6 117.70.5 1440 786 24.6 78.31.5 1360 1078 13.2 31.7通过以
38、上分析计算可以看出：随着间隙的加大，热损失降低，隔爆外壳间隙处的出口温度增加，逐渐失去隔爆作用。 三、最大试验间隙关于隔爆间隙的理论目前还不很完善从理论上得到的数据和实际试验得到的还有些差异。因此目前生产的隔爆型电气设备所采用的结构参数仍然是以上试验得到的数据为依据。整个试验装置在承受 1.5Mpa 压力的情况下，保证被试间隙不致有明显的变化。在圆柱形爆炸试验槽 b 内放有球形的被试腔 a。被试腔上的 k 和 l 组成相互平行的长为25mm 的法兰间隙，l 与千分尺相连。调整 c 可以得到所需要的被试验法兰间隙。在标准规定的试验条件下，向被试腔和试验槽内通入爆炸性气体空气混合物。当被试腔内爆炸
39、性气体或蒸气与空气的混合物被点燃后，通过长度为 25mm 的标准法兰接合面不能点燃试验壳外爆炸性气体混合物的最大试验间隙即为最大试验安全间隙。各种不同气体的最大试验间隙都须经过多次反复试验才能确定下来。四、 影响最大试验安全间隙的因素15最大试验安全间隙是制订隔爆外壳中隔爆接合面安全间隙的基础，明了其影响因素对隔爆外壳的安全使用极为重要。影响最大试验安全间隙的主要因素有：隔爆法兰的长度和爆炸性气体混合物的浓度等。隔爆法兰长度 L 对最大试验安全间隙 W 的影响如图 3-13 所示。随着法兰长度的增加，爆炸产物穿过间隙时的能量损失相对增加，所以使得试验安全间隙增大。当法兰长度进一步增大时，试验安
40、全间隙只能增大到这种混合物的熄火距离。因为间隙进一步增大，火焰将沿着间隙直接传播。爆炸性气体混合物的浓度对于最大试验安全间隙的影响如图 3-14 所示，在确定最大试验安全间隙的标准试验中所使用的爆炸性气体混合物总是采用最危险的浓度。对于沼气空气混合物，这个危险浓度为 8.2%。当沼气浓度高于或低于这个浓度时，都会使试验间隙增大。此外爆炸性气体混合物的初始压力、初始温度和试验外壳的容积对最大试验安全间隙也都有影响。需要说明的是隔爆接合面加工的粗糙度，对于隔爆性能的影响不大，表面粗糙度只要不影响间隙的宽度，即在整个法兰平面内的不平度不会造成隔爆间隙宽度畸形，表面略微粗糙点对隔爆性能不会有大的影响。
41、当然过分粗糙将会使最大安全间隙下降。试验表明，当加工粗糙度为 25 下降到粗糙度 12.5 和粗糙度 6.3 时，最大试验安全间隙略有增加，而加工粗糙度在 6.3 以下时，最大试验安全间隙基本一样。粗糙度的高低对接合面的防绣有较大关系，粗糙度低一些有利于防绣处理。1.1.4 隔爆型电气设备的隔爆结构参数在第三节中已经讲过最大试验安全间隙的确定方法，并在图 3-13 中给出了几种气体混合物的最大试验安全间隙和法兰接合面长度之间的关系，I 类和 II 类 A、B、C 三个级别的隔爆型电气设备的隔爆结构参数即是在上述最大试验安全间隙的基础上取一定的安全系数后确定的，本节所述隔爆结构参数均属 I 类。
42、对于 II 类 A、B、C 三个等级的隔爆参数可参看 GB3836.2-83 第一篇中有关条款。国标 GB3836.2-83 对目前煤矿电气设备常用的三种典型的隔爆结构参数进行了规定，这三种隔爆结构是：（1）平面、圆筒隔爆结构；（2）螺纹隔爆结构；（3）叠片式隔爆结构。对于其它隔爆结构，如微孔结构（分析仪器的探头） 、泄压结构（干式变压器外壳的泄压装置）等因技术尚不成熟所以暂未在规程中规定。一、 平面、圆筒隔爆结构这种隔爆结构在隔爆型电气设备中使用最普遍。按隔爆接合面的形状又可分为平面隔爆接合面、圆筒隔爆接合面和止口隔爆接合面，如图3-15 至 3-17 所示。平面隔爆接合面的相对表面为平面；
43、圆筒隔爆接合面的相对表面为圆筒形；止口隔爆接合面16的相对表面包括平面和圆筒接合面。平面、圆筒隔爆结构的参数包括接合面的长度、接合面的间隙和接合面的粗糙度。1.接合面的长度 L从隔爆外壳内部通过隔爆接合面到隔爆外壳外部的最短通路的长度，即为隔爆接合面的长度 L。接合面的长度由隔爆外壳的容积决定，一般有 6.0、12.5、25、40mm等几种尺寸。应该注意的是止口式隔爆接合面的长度计算应按图 3-16 中的说明进行。当接合面上螺栓通孔时，爆炸火焰可以从螺栓孔中逸出。所以，隔爆参数中对于从螺栓通孔边缘至隔爆接合面边缘的长度也作了要求，其长度的测量如图 3-15 所示，也应遵循“最短通路”的计算原则
44、。2.接合面的间隙 W隔爆接合面的相对表面间距离，即为接合面的间隙。对于圆筒隔爆接合面，则为径向间隙（直径差） 。间隙 W 和接合面的长度L 有关系。静止部分隔爆接合面（图 3-15、3-16） 、操纵杆与孔隔爆接合面（图 3-17a）以及隔爆绝缘套管隔爆接合面的最大间隙或直径差W 和隔爆接合面的最小有效长 L、螺丝通孔边缘至隔爆接合面边缘的最小有效长度 L 、1转轴与轴孔隔爆接合面最大直径差 W 和最小有效长度 L（图 3-17b）须符合表 3-3的规定。但快动式门或盖的隔爆接合面的最小有效长度 L 须不小于 25.0mm。带有滚动轴承的圆筒结构，最大单边间隙须不大于表 3-3 规定的 W
45、的三分之二。由于使用滚动轴承，尽管表 3-3 中的 W值较 L 相同的静止接合面大，但全部间隙 W值分配为两部分，任意一部分的值均不会超过基础间隙值，故它的安全系数并未降低。考虑到轴承间隙，零件公差及运转中轴承的磨损等因素可能造成的轴与轴孔的偏心，因此留有三分之一的平均单边间隙的偏心量，这条规定还可以防止单边间隙过小造成轴与轴孔的磨损。表 3-3 煤矿井下电气设备隔爆外壳的结构参数接合面 L L W（） 接合面 L L W（）1 1外壳净容积（l） 外壳净容积（l） 型 式 （） （） V0.1 0.1V 型 式 （） （ ）V0.1 0.1V平面式 6.0 6.0 0.30 - 带有滚动 6
46、.0 - 0.40 0.40止动 12.5 8.0 0.40 0.40 轴承的圆 12.5 - 0.50 0.50或圆筒 25.0 9.0 0.50 0.50 筒结构 25.6 - 0.60 0.6017式 40.0 13.0 - 0.60 40.0 - - 0.80操纵杆直径 d 和隔爆接合面长度 L 要符合表 3-4 的规定表 3-4 操纵杆直径 d 和隔爆接合面长度 L 的尺寸关系操纵杆直径 d（） 隔爆接合面长度 L（）d6.0 L6.06.0d25.0 Ld25.0d L25.0表 3-3 规定的结构参数值都是上限，正常出厂产品的结构间隙都小于上述值（以平面接合面为例，其间隙一般小于
47、 0.1mm） 。从隔爆的角度出发，间隙越小越安全。在确定最大试验安全间隙的标准试验方法中隔爆间隙是平面对平面，表 3-3 中的圆筒间隙结构尺寸是引用平面间隙试验结果得出的，而且经试验这种引用是合适的。隔爆接合面的粗糙度应不高于 6.3 ，操纵杆须不高于 3.2 。二、 螺纹隔爆结构在维修中不经常拆卸的部分可以使用螺纹隔爆结构。从氢气、乙炔-空气混合物的爆炸试验结果看，螺纹隔爆结构是最好的静止隔爆结构。螺纹隔爆结构如图 3-18 所示。例如在矿用隔爆型移动变电站的高、低压接线盒中，套管与接线座、接线座与出线盒法兰之间均为螺纹隔爆结构。又如德国起重用隔爆型锥形转子电动机的后端盖与定子外壳的配合亦
48、为螺纹隔爆结构。采用螺纹隔爆结构时，必须保证同种零件间的互换性，还必须符合下列规定。（1） 螺纹精度须不低于 3 级，螺距须不小于 0.7；（2） 螺纹的最少啮合扣数、最小拧入深度，须符合表 3-5 的规定；（3） 螺纹结构须有防止自行松动的措施。表 3-5 螺纹啮合扣数与拧入深度的关系外壳净容积 拧入深度 最少啮合扣数（l） （） I，II ，II IIABCV0.1 5.0 6 试验安全扣数的 20.1V2 9.5 6 倍，但不少于 6 扣2V 12.5 6 三、 叠片隔爆结构叠片应用耐腐蚀材料制成的通气部件组成并须有防止偶然机械损伤的措施。叠片结构如图 3-19 所示。叠片部件的片间间隙宽度 G 须不大于 0.5，叠片排气方向的长度 L 须不小于 50，另一边的长度 h 须不大于 70，厚度须不小于 1.0，如图3-20 所示。由于叠片隔爆结构有较大的开口比，即开口断面积与外壳净容积之比，因此可以大大降低内部爆炸产生的压力，即大大降低了外壳所需的强度并使壳体重量减18轻。叠
