畢業(yè)設(shè)計(jì)一種礦用隔爆濾波型變頻器隔爆柜子的結(jié)構(gòu)分析

一種礦用隔爆濾波型變頻器隔爆柜子的結(jié)構(gòu)分析摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，有限元技術(shù)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來越廣泛。有限元技術(shù)具有計(jì)算速度快，精度高的特點(diǎn)。通過有限元分析計(jì)算，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段就能了解到構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變及位移，同時(shí)可以方便的對構(gòu)件反復(fù)修改，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。礦用隔爆濾波型變頻器隔爆柜子是放在煤礦井下的電機(jī)控制柜。箱體必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以防止變頻器發(fā)生爆炸時(shí)，能承受其瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大爆炸力。箱體在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多采用類比法或憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品，其受力情況設(shè)計(jì)者心中無數(shù)，往往造成產(chǎn)品不合格或材料浪費(fèi)現(xiàn)象。增加了制造成本，延長了制造周期。因此，在某種有限元的支持下，對變頻器箱體進(jìn)行受力分析，檢驗(yàn)其強(qiáng)度和剛度是否滿足要求，對提高變頻器箱體的技術(shù)水平，快速響應(yīng)市場，降低成本具有十分重要的意義。在此背景下，本文以山西防爆電機(jī)有限公司電設(shè)計(jì)的礦用隔爆濾波型變頻器防爆柜作為研究對象，對其柜體進(jìn)行有限元分析。完成的主要工作包括：（1）認(rèn)真學(xué)習(xí)研究煤炭安全標(biāo)準(zhǔn)；（2）利用三維建模軟件Solidworks對箱體進(jìn)行實(shí)體建模；（3）利用有限元分析軟件Simulation對箱體進(jìn)行靜態(tài)分析，通過分析計(jì)算，顯示出箱體的變形情況，同時(shí)可以得出箱體任意位置的應(yīng)力值和位移值。并針對每次計(jì)算結(jié)果，對箱體進(jìn)行適時(shí)改進(jìn)。關(guān)鍵詞：防爆柜；有限元；應(yīng)力；應(yīng)變；優(yōu)化；AbstractWiththerapiddevelopmentofcomputertechnology,theFiniteElementMethod(FEM)iswidelyusedinmoderndesign.FEMisamethodofhighspeedandhighprecision.Thestress,strainanddisplacementcanbeobtainedwiththeFiniteElementAnalysis(FEA)inthedesignstage.Anditisconvenienttomodifyandoptimizethestructure.Miningflame-prooffilteringtypetransducerexplosion-proofcabinetisusedincoalmine.Theexplosion-proofcabinetshouldhaveenoughstrengthandstiffness,andshouldbeabletoendurethetremendousblast-forceduringthemomentgasblasts.Traditionally,theexplosion-proofcabinetdesignalwaysreliesonanalogyandexperience.Thedesignercan’tknowthedeformationofthetheexplosion-proofcabinet,andwhichmaymaketheproductdisqualification,orwastingmaterialorhighdevelopingcost,andlongerdesigningandmanufacturingcycle.Therefore,ithasgreatsignificancetofindanewapproachtoanalyzeandcalculatethemechanicalmodelofcabinet,checkitsstrengthandstiffnessbasedonacertainFEMsoftware.Thusitcanimprovethetechniqueofcabinetdesign,speeduptheresponsetothemarketrequirementandreducethecost.Thispaperinvestigatedtheexplosion-proofcabinetdesignedbyShanXiExplosionproofmotorcompany.ThecabinetwasanalyzedbyFEM.Themajorworkscompletedmainlyincluded:(1)ThefundamentalsonFEMwerediscussed;(2)Thesolidmodelofthecabinetwascreatedby3DdesignsoftwareSolidWorks.(3)TheNonlinearFiniteElementmodelwasbuiltandcalculatedbyFEMsoftwareSimulation.Throughcalculationandanalysis,thedeformationofthetransformercabinetwasobtained.Meanwhile,thestressanddisplacementofeveryelementwerealsoobtained.Basedontheresultsofeachanalysistherealtimemodificationofthecabinetstructurewasachieved.KeyWords:Explosion-proofcabinet;theFiniteElementMethod;Stress;Strain；Optimization；目錄TOC\o"1-3"\h\u引言 1第1章有限元簡介 21.1有限元的發(fā)展歷程 21.2有限元法的基本思路 21.3有限元法的理論基礎(chǔ) 31.4有限元的解題步驟： 51.5有限元的發(fā)展趨勢 7第2章防爆技術(shù)的應(yīng)用與意義 9第3章變頻器的工作原理 93.1變頻器簡介 93.2諧波對供電線路的影響 10第4章變頻柜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題114.1機(jī)械負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性種類 114.2電氣設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì) 124.3電氣工藝設(shè)計(jì) 134.4柜體鈑金工藝設(shè)計(jì)13第5章防爆柜設(shè)計(jì)的技術(shù)要求14第6章變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 156.1柜體的布局和器件配置 156.2變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻柜設(shè)計(jì) 156.3變頻控制柜內(nèi)部基本布局 166.4變頻器散熱及制作 17第7章防爆柜的三維實(shí)體模型 187.1Solidworks軟件介紹 187.2三維建模步驟 19第8章焊接技術(shù) 19第9章有限元分析與Simulation在隔爆柜結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 219.1Simulation簡介 219.2Simulation對防爆柜的結(jié)構(gòu)分析步驟 21總結(jié) 29參考文獻(xiàn) 30附錄A山西防爆電機(jī)公司防爆柜參考圖 33致謝 34引言隨著煤礦供電系統(tǒng)不斷完善升級(jí),隔爆型干式變壓器作為井下的重要供電設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。隔爆殼體是礦用隔爆型干式變壓器的主要防爆型式,不僅要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度,又要有良好的冷卻效果,隔爆殼體的設(shè)計(jì)、制造水平直接影響到隔爆變壓器的技術(shù)性能和使用壽命。礦用隔爆型外殼是電氣設(shè)備的一種防爆型式,能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞,并且不會(huì)引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃。根據(jù)GB3836.2-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第2部分:隔爆型“D”》[3]第15.1條規(guī)定,箱殼設(shè)計(jì)必須經(jīng)過壓力為1MPa,加壓時(shí)間為10+20s的靜壓試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)若外殼既未發(fā)生損壞,也未發(fā)生永久變形,則認(rèn)為試驗(yàn)合格,此外,在接合面的任何部位都不應(yīng)有永久性的增大。因此外殼必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)箱體法蘭形狀來看,箱體大多為矩形和圓形,而以矩形類設(shè)計(jì)對殼體強(qiáng)度校核計(jì)算較為復(fù)雜。很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師多采用結(jié)構(gòu)比較法或憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊設(shè)計(jì),但是這種粗放型設(shè)計(jì)對隔爆類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行優(yōu)化,不可避免地造成材料浪費(fèi)或強(qiáng)度不夠造成產(chǎn)品失爆。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,對隔爆型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量要求越來越高,產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快,這就要求設(shè)計(jì)人員掌握更加科學(xué)的工程設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具,以適應(yīng)新的設(shè)計(jì)要求。在此提出Simulation軟件對矩形類隔爆箱體強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。目前，生產(chǎn)變頻柜的廠家有很多。例如：北京鼎盛恒巨自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的變頻柜就不錯(cuò)，上海凱威電氣設(shè)備有限公司，北京宇恒恒業(yè)電氣自動(dòng)控制有限公司。南陽凱達(dá)防爆電機(jī)電器有限公司位于我國防爆電氣技術(shù)科研生產(chǎn)基地--河南南陽，專業(yè)從事防爆電機(jī)、防爆電器科研、開發(fā)和生產(chǎn)。公司依托南陽防爆行業(yè)的資源優(yōu)勢，集全國知名防爆電機(jī)電氣專家技術(shù)實(shí)力于一身，開發(fā)生產(chǎn)各種防爆電機(jī)、防爆電器、防爆儀表、防爆電氣控制柜及其他防爆電氣設(shè)備，同時(shí)承接各類防爆電器設(shè)備及成套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和橫向技術(shù)合作。第1章有限元簡介1.1有限元的發(fā)展歷程有限元法的發(fā)展歷程可以分為提出(1943)、發(fā)展(1944一1960)和完善(1961-二十世紀(jì)九十年代)三個(gè)階段。有限元法是受內(nèi)外動(dòng)力的綜合作用而產(chǎn)生的。1943年，柯朗發(fā)表的數(shù)學(xué)論文《平衡和振動(dòng)問題的變分解法》和阿格瑞斯在工程學(xué)中取得的重大突破標(biāo)志著有限元法的誕生。有限元法早期(1944一1960)發(fā)展階段中，得出了有限元法的原始代數(shù)表達(dá)形式，開始了對單元?jiǎng)澐?、單元類型選擇的研究，并且在解的收斂性研究上取得了很大突破。1960年，克勞夫第一次提出了“有限元法”這個(gè)名稱，標(biāo)志著有限元法早期發(fā)展階段的結(jié)束。有限元法完善階段(1961一二十世紀(jì)九十年代)的發(fā)展有國外和國內(nèi)兩條線索。在國外的發(fā)展表現(xiàn)為:第一，建立了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)和工程學(xué)基礎(chǔ);第二，應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了結(jié)構(gòu)力學(xué)以外的領(lǐng)域;第三，收斂性得到了進(jìn)一步研究，形成了系統(tǒng)的誤差估計(jì)理論;第四，發(fā)展起了相應(yīng)的商業(yè)軟件包。在國內(nèi)，我國數(shù)學(xué)家馮康在特定的環(huán)境中獨(dú)立于西方提出了有限元法。1965年，他發(fā)表論文《基于變分原理的差分格式》，標(biāo)志著有限元法在我國的誕生。馮康的這篇文章不但提出了有限元法，而且初步發(fā)展了有限元法。他得出了有限元法在特定條件下的表達(dá)式，獨(dú)創(chuàng)了“馮氏大定理”并且初步證明了有限元法解的收斂性。雖然馮康創(chuàng)造的有限元法不成熟，但他能在當(dāng)時(shí)的條件下獨(dú)立提出有限元法已十分不易。對于他的這項(xiàng)成就，國內(nèi)外專家學(xué)者和國家領(lǐng)導(dǎo)人都有很高的評價(jià)。1.2有限元法的基本思路有限元法的基本思路是將計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元,在每個(gè)單元內(nèi),選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn),將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式,借助于變分原理或加權(quán)余量法,將微分方程離散求解。采用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式,便構(gòu)成不同的有限元方法。有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)[1]力學(xué),后來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展逐漸用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。在有限元方法中,將計(jì)算域離散剖分為有限個(gè)互不重疊且相互連接的單元,在每個(gè)單元內(nèi)選擇基函數(shù),用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解,整個(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看作是由每個(gè)單元基函數(shù)組成的，則整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。xy1.3有限元法的理論基礎(chǔ)xy（1）模型的選取力學(xué)平面問題，平面應(yīng)變問題，平面應(yīng)力問題，軸對稱問題，空間問題，板，梁，桿或組合體等，對稱或反對稱等。例如圖1.1：圖1.1力學(xué)模型圖1.21/4模型由于是對稱模型，所以只需要選取其1/4模型進(jìn)行分析（圖1.2）。對于對稱結(jié)構(gòu)，選取一部分分析，可以減少數(shù)據(jù)的計(jì)算量，節(jié)約時(shí)間和電腦資源。（2）單元的選取、結(jié)構(gòu)的離散化根據(jù)題目的要求，可選擇適當(dāng)?shù)膯卧呀Y(jié)構(gòu)離散化。對于平面問題可用三角元，四邊元等。例如圖1.3：圖1.3劃分單元（3）選擇單元的位移模式結(jié)構(gòu)離散化后，要用單元內(nèi)結(jié)點(diǎn)的位移通過插值來獲得單元內(nèi)各點(diǎn)的位移。在有限元法中，通常都是假定單元的位移模式是多項(xiàng)式，一般來說，單元位移多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)應(yīng)與單元的自由度數(shù)相等。它的階數(shù)至少包含常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)。至于高次項(xiàng)要選取多少項(xiàng)，則應(yīng)視單元的類型而定?！獑卧獌?nèi)任一點(diǎn)的位移列陣；——單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移列陣；——單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣；——單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣；————單元的形函數(shù)矩陣,(它的元素是任一點(diǎn)位置坐標(biāo)的函數(shù)） （4）單元的力學(xué)特性分析把（1-1）式代入幾何方程可推導(dǎo)出用單元結(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變表達(dá)式：——單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)變列陣；式中：——單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)變列陣；再把（1－２）式代入物理方程，可導(dǎo)出用單元結(jié)點(diǎn)位移列陣表示的單元應(yīng)力表達(dá)式：——單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力列陣；式中：——單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力列陣；——單元的彈性矩陣——單元的彈性矩陣,(它與材料的特性有關(guān)）最后利用彈性體的虛功方程建立單元結(jié)點(diǎn)力陣與結(jié)點(diǎn)位移列陣之間的關(guān)系，即形成單元的剛度方程式：式中：（5）建立整體結(jié)構(gòu)的剛度方程用直接剛度法將單剛[K]e組集成總綱[K]e，并將{R}e組集成總載荷列陣{R}，形成總體結(jié)構(gòu)的剛度方程：（6）求解修改后的整體結(jié)構(gòu)剛度方程考慮整體結(jié)構(gòu)的約束情況，修改整體剛度方程之后，（1-6）式就變成以結(jié)點(diǎn)位移為未知數(shù)的代數(shù)方程組。解此方程組可求出結(jié)點(diǎn)位移。（7）由單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣計(jì)算單元應(yīng)力解出整體結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位移列陣后，再根據(jù)單元結(jié)點(diǎn)的編號(hào)找出對應(yīng)于單元的位移列陣，將代入（1-3）式就可求出各單元的應(yīng)力分量值。（8）計(jì)算結(jié)果輸出求解出整體結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力后，可有選擇地整理輸出某些關(guān)鍵點(diǎn)的位移值和應(yīng)力值，特別要輸出結(jié)構(gòu)的變形圖、應(yīng)力圖、應(yīng)變圖、結(jié)構(gòu)仿真變形過程動(dòng)畫圖及整體結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力圖等等。1.4有限元的解題步驟：有限元分析包括三個(gè)步驟：前處理，求解，后處理。

前處理包括產(chǎn)生一個(gè)有限元模型的幾何體的全過程，輸入物理特性，描述邊界條件和載荷，以及檢查模型。

求解過程在模型求解模塊中進(jìn)行，或在一個(gè)外部有限元分析程序中進(jìn)行。求解能夠解答線性和非線性的，靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)的，屈曲，熱傳導(dǎo)和勢位能分析問題。至于其它類型的分析，有限元模型信息對于一個(gè)外部有限元求解問題可寫成所要求的格式。

后處量包括標(biāo)繪出偏移和應(yīng)力，利用失效準(zhǔn)則，諸如允許的最大偏移，材質(zhì)的靜態(tài)和疲勞強(qiáng)度等等來比較這些結(jié)果，假如我們僅僅想知道零件是否能經(jīng)受住載荷試驗(yàn)。所有我們需要看到的只是一個(gè)是或否的答案，這不是通常那種情況。我們喜歡有能力去看到不同形式顯示的結(jié)果，這樣我們以判斷力來判斷為什么零件失效和怎樣去改進(jìn)設(shè)計(jì)。

在你的模型中，可能有許多錯(cuò)誤的根源，例如，有限元網(wǎng)格的粗糙，所用單元的類型，或材料性質(zhì)的不準(zhǔn)確性。這就是為什么后期處理將包括檢查那些在建立模型時(shí)不可能發(fā)覺的錯(cuò)誤。你必須進(jìn)行的一個(gè)基本的檢查是用某些人工的計(jì)算法使你確信在譬如在輸入材料性質(zhì)時(shí)，小數(shù)點(diǎn)的位置不會(huì)發(fā)生任何顯著的錯(cuò)誤，也建議你在觀察應(yīng)力前標(biāo)繪出位移，因?yàn)槲灰仆ǔ１葢?yīng)力更為直觀。采用有限元法進(jìn)行工程分析的一般流程如圖1.4所示：圖1.4有限元法工程分析的一般流程1.5有限元的發(fā)展趨勢隨著有限元技術(shù)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,其發(fā)展呈現(xiàn)如下特點(diǎn):（1）單一場計(jì)算向多物理耦合場問題的求解發(fā)展有限元分析技術(shù)應(yīng)用在裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中,主要是求解線性的結(jié)構(gòu)問題,但根據(jù)火電、風(fēng)電、核電等裝備產(chǎn)品的極端性、復(fù)雜性、多場性特點(diǎn),結(jié)構(gòu)非線性,流體動(dòng)力學(xué)和耦合場問題的應(yīng)用迫在眉睫,如汽輪機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)槳葉的流體動(dòng)力學(xué)問題、流固耦合問題,重型裝備產(chǎn)品熱加工過程的熱、結(jié)構(gòu)、電磁多場耦合的問題。隨著有限元技術(shù)的深層次應(yīng)用,需要解決的工程問題也越來越復(fù)雜,耦合場的計(jì)算求解必定成為有限元軟件開發(fā)的發(fā)展方向。（2）由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識(shí)和求解技巧，學(xué)習(xí)起來也較為困難。為此國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫，ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。(3)與CAD/CAM等軟件的集成有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢是與通用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的集成使用,即數(shù)據(jù)信息在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的無縫多向流通,實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)中三維設(shè)計(jì)、有限元分析優(yōu)化、數(shù)控加工等過程的快速響應(yīng),滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問題的要求,提高設(shè)計(jì)水平和效率。(4)提高自動(dòng)化的網(wǎng)格處理能力應(yīng)用有限元技術(shù)求解問題過程中,產(chǎn)品幾何模型離散后的有限元網(wǎng)格質(zhì)量直接影響著計(jì)算量的大小和分析結(jié)果的正確性。各軟件公司在網(wǎng)格處理方面的投入也在加大,劃分網(wǎng)格的效率和質(zhì)量都有所提高,但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,尤其是專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜產(chǎn)品的分析中還存在問題,如網(wǎng)格劃分的自動(dòng)化、網(wǎng)格質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)化。要想擺脫裝備產(chǎn)品分析中繁重的網(wǎng)格處理任務(wù),就必須突破自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)可循環(huán)的網(wǎng)格自動(dòng)優(yōu)化功能。(5)軟件面向?qū)I(yè)用戶的開放性有限元軟件應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域多,用戶需求各不相同,因此開放的軟件環(huán)境對用戶而言至關(guān)重要,用戶可根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)對軟件進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)單元屬性、材料參數(shù)、復(fù)雜邊界、疲勞壽命規(guī)律的自定義和產(chǎn)品專家系統(tǒng)的自開發(fā)。(6)軟件開發(fā)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合根據(jù)有限元軟件在裝備行業(yè)的應(yīng)用情況,有限元軟件之間的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合必將更加有效推進(jìn)有限元技術(shù)的應(yīng)用,隨著數(shù)值模擬軟件的商業(yè)化和軟件公司開發(fā)方向的專業(yè)化,各數(shù)值模擬軟件公司將會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的局面,以解決復(fù)雜裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造難題。第2章防爆技術(shù)的應(yīng)用與意義隨著我國工業(yè)的發(fā)展，特別是石化、冶金、煤礦工業(yè)的發(fā)展。對隔爆型電柜的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的要求越來越高。國內(nèi)國外的企業(yè)政府對此都非常重視，因?yàn)樗婕暗搅斯と说纳踩?，一旦發(fā)生爆炸，后果不堪設(shè)想。同時(shí)，由于隔爆技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它的發(fā)展也得到了很大的提高。隔爆型防爆電氣設(shè)備主要是通過隔爆外殼來達(dá)到防爆目的。隔爆外殼既要承受爆炸性氣體混合物所產(chǎn)生的壓力不被損壞，還要防止火焰沿隔爆外殼結(jié)合面?zhèn)鞑ブ林車ㄐ詺怏w環(huán)境。隔爆型電氣設(shè)備具有良好的隔爆和耐爆性能，被廣泛的應(yīng)用于煤礦井下等爆炸性環(huán)境場所。隔爆型電氣設(shè)備的標(biāo)志為‘d’，為了實(shí)現(xiàn)隔爆外殼耐爆和隔爆性能，對隔爆外殼的形狀、材質(zhì)、容積，結(jié)構(gòu)等均有特殊的要求。變頻器的外殼的各隔爆結(jié)合面，間隙、長度、表面粗糙度的設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照GB3836.2—2010的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行；隔爆外殼應(yīng)能承受GB3836.2—2010[3]規(guī)定的相關(guān)實(shí)驗(yàn)；變頻器外殼不應(yīng)有尖銳的棱角。外邊應(yīng)涂有能耐受煤礦井下溫度與濕度的CO4-42醇酸磁漆。里邊應(yīng)涂有1321耐弧漆，且漆層表面美觀，附著牢固。變頻器所選用的原材料，標(biāo)準(zhǔn)緊固件，外購元器件應(yīng)符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。變頻器的觀察窗應(yīng)符合GB3836.2—2010的規(guī)定。透明件應(yīng)有抗沖壓性能，能承受GB3836.1—2010[4]規(guī)定的沖擊能量的沖擊，觀察窗透明件應(yīng)具有抗溫度急劇變化的能力，應(yīng)符GB3836.1—2010的熱巨變規(guī)定。變頻器應(yīng)設(shè)有專門的內(nèi)接地螺栓，所有螺栓螺母都具有自動(dòng)放松措施。第3章變頻器的工作原理3.1變頻器簡介變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電源變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源[2]。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)[5]。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元、微處理單元等組成的。變頻器可分為通用型和專用型，一般的機(jī)械負(fù)載和要求高過載情況，選擇通用型變頻器。專用型變頻器又可分為風(fēng)泵專用型、電梯專用型、張力控制專用型等。根據(jù)自身應(yīng)用環(huán)境加以選擇。圖3.1交—直—交變頻器主回路圖3.2諧波對供電線路的影響變頻器屬于非線性負(fù)荷，它從電網(wǎng)吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，它既是一個(gè)諧波源，又是一個(gè)諧波接收者。作為諧波源，它對各種電氣設(shè)備，自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)、計(jì)量儀器以及通信系統(tǒng)均有不同程度的影響。對于供電線路來說，由于諧波的作用，惡化了電網(wǎng)質(zhì)量指標(biāo)，降低了電網(wǎng)的可靠性，增加了電網(wǎng)損失，縮短了電氣設(shè)備的壽命。其產(chǎn)生的主要危害有：

(1)增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能性，從而造成很高的過電流或過電壓而引發(fā)事故的危險(xiǎn)性。

(2)增加附加損耗，輸電及用電設(shè)備的效率和設(shè)備利用率。

(3)使電氣設(shè)備(旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器等)運(yùn)行不正常，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。

(4)使測量和計(jì)量儀器、儀表、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及許多用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正?；蛘卟荒苷?dòng)作或操作。

(5)干擾通信系統(tǒng)，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。

(6)某些情況下，它不僅產(chǎn)生諧波，而且還引起供電電壓波動(dòng)和閃變，甚至引起三相電壓不平衡，會(huì)危及電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并影響電氣設(shè)備的正常用電和周邊用戶。要降低諧波的影響程度，可以采取各種措施，但對于變頻器來說，主要是在其回路中加裝交流電抗器。

在交流電機(jī)調(diào)試方式中，變頻器調(diào)速既能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速又能節(jié)能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。然而變頻器常處在一個(gè)比較復(fù)雜的環(huán)境中，本身輸入則是一個(gè)非線性的整流電路，外接電源含有諧波，還有別的設(shè)備的高次諧波等等。因此，盡管選擇性能優(yōu)良的變頻器，但組建的系統(tǒng)中變頻器運(yùn)行效果不是令人滿意的。大量工程實(shí)踐證明，為了防止電網(wǎng)和其他干擾源對變頻器的干擾，同時(shí)減少變頻器對其他設(shè)備的和電網(wǎng)的影響，常在變頻器的輸入、輸出端配置濾波器、交流電抗器等抗干擾設(shè)備。濾波器的作用是抑制由變頻器帶來的無線電電波干擾。有的變頻器內(nèi)置電抗器，有的場合也可不裝電抗器。一般，多大功率變頻器配多大電抗器，變頻器廠商提供參數(shù)。選擇電抗器的參數(shù)，可由下面公式計(jì)算：

L=(2%~5%)V/6.18*F*I

V-額定電壓V

I-額定電流A

F-最大頻率HZ

LBI/LBO輸入輸出濾波器，一般應(yīng)根據(jù)頻率進(jìn)行配置

R-制動(dòng)電阻計(jì)算較復(fù)雜，應(yīng)在變頻器柜制造商指導(dǎo)下配置。第4章變頻柜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題4.1機(jī)械負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性種類變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，一定要了解系統(tǒng)配制，工作方式，環(huán)境，控制方式，客戶具體要求具體系統(tǒng)分新設(shè)計(jì)系統(tǒng)還是舊設(shè)備改造系統(tǒng)。目前，機(jī)械負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性有許多種類，常用有三種。1．恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。如傳送帶，

升降機(jī)等用公式表式為

P=T*N/975

P-電機(jī)的功率

T-電機(jī)轉(zhuǎn)矩

N-電機(jī)轉(zhuǎn)速對恒轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意：（1）

電機(jī)應(yīng)選變頻器專用電機(jī)（2）

變頻柜應(yīng)加裝專用冷卻風(fēng)扇（3）

增大電機(jī)容量，降低負(fù)載特性（4）

增大變頻器的容量（5）

變頻器的容量與電機(jī)的容量關(guān)系應(yīng)根據(jù)品牌，一般為1.1~1.5電機(jī)的容量2．平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。如風(fēng)機(jī)，水泵類用公式表式為

T=K1*N2

，P=K2*N3

P-電機(jī)的功率

T-電機(jī)轉(zhuǎn)矩

N-電機(jī)轉(zhuǎn)速一般，風(fēng)機(jī)，水泵，采用變頻節(jié)能，理論與實(shí)際證明節(jié)能為40~50%左右，此類應(yīng)用占變頻器應(yīng)用30~40%左右。對平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意：（1）

電機(jī)通常選異步交流電機(jī)。（2）

根據(jù)環(huán)境需要，選電機(jī)防護(hù)等級(jí)和方式。（3）

大于7.5KW變頻柜,應(yīng)加裝通風(fēng)散熱設(shè)施

（4）

電機(jī)與變頻器容量關(guān)系。3．恒功率負(fù)載。如卷揚(yáng)機(jī)，機(jī)床主軸。

公式：P=T*N/975=CONT。一般達(dá)到特定速度段時(shí)，按恒轉(zhuǎn)矩，超過特定速度時(shí)，按恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)。恒功率機(jī)械特性較復(fù)雜。4.2電氣設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)對于每個(gè)變頻控制柜，設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)重點(diǎn)，最能體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于變頻控制柜，電氣設(shè)計(jì)工程師應(yīng)在如下設(shè)計(jì)方面入手。1.

變頻控制系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)2.

電路主路設(shè)計(jì)。3.

電路控制路設(shè)計(jì)。

PLC控制接口電路，

變頻器聯(lián)網(wǎng)等。6.

變頻控制柜的工藝設(shè)計(jì)。包括電氣工藝設(shè)計(jì)。7.

柜體板金工藝設(shè)計(jì)。原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)以上所述的原理規(guī)則，參照變頻控制柜的原理圖，根據(jù)實(shí)際需要，畫出原理圖。8.電路主路設(shè)計(jì)。按如下順序選擇主回路電器件。（1）

確定機(jī)械負(fù)載特性：a.功率

b.扭矩

c.轉(zhuǎn)速（2）

確定電機(jī)特性:a.額定電壓

b.額定功率

c.額定電流（3）

根據(jù)以上條件和實(shí)際客戶的需要，對下列電器元件取舍:a.TR-變壓器為可選項(xiàng)，根據(jù)電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，選配。b.FU-熔斷絲，一般要，選擇為2.5-4倍額定變頻器電流。注意熔斷絲選速熔類。c.QA-空開，一般要選擇為1.2倍額定變頻器電流。4.3電氣工藝設(shè)計(jì)電氣工程師變頻電路設(shè)計(jì)出來，下一步就是電氣工藝設(shè)計(jì)，包括：a.

多大功率變頻器b.

配什么類型電纜c.

多大的線徑d.

配多遠(yuǎn)。一般可以查表格或計(jì)算。e.

接地配線。f.

抗干擾布線。是非常重要的,一般強(qiáng)電電纜用帶屏蔽電纜，電纜及屏蔽層用金屬卡固定安裝底板上，也有的加裝屏蔽金屬環(huán)，抗干擾。g.

進(jìn)出線的電纜管接頭配置。4.4柜體鈑金工藝設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)以下原則設(shè)計(jì)1．

變頻器的環(huán)境溫度：變頻器環(huán)境溫度為-10度-50度，一定要考慮通風(fēng)散熱。氣體：有無暴炸，腐蝕性氣體2．

柜體承載重量。3．

運(yùn)輸方便性。加裝吊裝掛鉤。

搬運(yùn)安全。5．

柜體的銘牌。6．

制造商的CI標(biāo)識(shí)。結(jié)論：一個(gè)質(zhì)量較高的變頻控制柜，從設(shè)計(jì)，工藝，制作制造，運(yùn)輸，包裝，是實(shí)際要求較高的產(chǎn)品，要求各個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量保障，才能作出較高質(zhì)量和水平的控制柜。第5章防爆柜設(shè)計(jì)的技術(shù)要求1.投標(biāo)產(chǎn)品（包括所選用的器件）必須符合中國電工產(chǎn)品認(rèn)證委員會(huì)的安全認(rèn)證要求，其電氣設(shè)備上應(yīng)帶有安全認(rèn)證保證；必須符合國家現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[12]，并應(yīng)提供合格證書等。2.柜內(nèi)主要器件采用ABB[7]或者施耐得產(chǎn)品（具體見元器件的技術(shù)要求）。3.本次投標(biāo)產(chǎn)品所選用的元器件必須保證是正品、新品。每天工作時(shí)間是24h，全年連續(xù)工作。4.箱體（柜體）的鋼板厚度不應(yīng)小于2.0mm的冷軋板；箱體的尺寸要求180（高）*75（寬）*65（厚），盡可能要求規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)，若該尺寸不滿足設(shè)計(jì)要求，柜體的尺寸可以相應(yīng)的改動(dòng)，并報(bào)出箱體的實(shí)際尺寸，但安裝的固定支架必須嚴(yán)格安裝提供的尺寸設(shè)計(jì)，并提供安裝示意圖。5.箱體采用噴塑，箱體顏色采用銀白色，采用相應(yīng)的防腐蝕措施。6.變頻控制柜必須有銘牌。7.變頻控制柜的內(nèi)部布置結(jié)構(gòu)必須嚴(yán)格按系統(tǒng)圖，國家標(biāo)準(zhǔn)以及地方規(guī)范執(zhí)行；內(nèi)部接線應(yīng)排列整齊，清晰和美觀，綁扎成束或敷于專用塑料槽內(nèi)卡在安裝架上；配線應(yīng)考慮足夠的余量。所選用的導(dǎo)線、尼龍?jiān)鷰芰暇€槽等都為阻燃性。8.電箱柜門內(nèi)側(cè)必須貼有電氣系統(tǒng)圖，采用透明膠布防水密封。9.中性線母排和接地母排的電流容量必須經(jīng)過計(jì)算并且足夠大；箱內(nèi)電器元件的上方必須標(biāo)有元件符號(hào)，各電路的導(dǎo)線端頭也應(yīng)標(biāo)志相應(yīng)的文字符號(hào)。第6章變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1柜體的布局和器件配置傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)方法是以經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為基礎(chǔ)，通過長期設(shè)計(jì)實(shí)踐而形成的設(shè)計(jì)依據(jù)。傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)很大程度上是憑借設(shè)計(jì)人員的直接的或間接的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)擬訂幾種布局設(shè)計(jì)方案;然后進(jìn)行計(jì)算、繪圖、比較、返工;最終獲得設(shè)計(jì)方案。本文采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，利用Solidworks軟件生成元器件并布局，建立模型。(l)明確設(shè)計(jì)要求。了解設(shè)計(jì)任務(wù)，應(yīng)用的環(huán)境、性能指標(biāo)以及相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范；(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多種方案；(3)根據(jù)所設(shè)計(jì)的方案繪出圖紙；(4)看所繪出圖紙是否符合GB12668中國調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)等國家標(biāo)準(zhǔn)；(5)是否滿足散熱、排風(fēng)要求，器件有沒有擋住散熱通道；(6)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊湊與否，器件之間間隙要合理不要過大；(7)導(dǎo)線布置。要考慮在一個(gè)平面內(nèi)的導(dǎo)線布局更要兼顧整個(gè)箱體的布局，使主電路、控制電路以及信號(hào)線之間的干擾降低，減小電磁干擾；(8)確定方案并制作。6.2變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻柜設(shè)計(jì)在變頻柜設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮電磁兼容、在柜子內(nèi)部電容組和散熱片擺放、布線、通風(fēng)散熱等，再利用501記works把各個(gè)器件裝配到一起時(shí)要考慮電氣間隙和爬電距離。電磁干擾主要有電源產(chǎn)生的干擾，如開關(guān)動(dòng)作時(shí)的沖擊電流、電路邏輯狀態(tài)變換時(shí)的電流變化和電壓變化、溫度變化時(shí)的雷電浪涌、直流脈動(dòng)、接通或斷開較大負(fù)載時(shí)線路中產(chǎn)生的沖擊浪涌等;公共配線上的阻抗干擾;接地線線干擾;靜電放電對集成電路器件的干擾;電纜導(dǎo)線較長距離的平行配線產(chǎn)生的串聯(lián)干擾等等。為抑制上述各種干擾，一般應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就注意輸入輸出線路的隔離和配線方式，注意器件的選擇和布局、地線的敷設(shè)方式等問題。對于電源，應(yīng)該力求穩(wěn)定可靠，并裝設(shè)線路濾波器、隔離變壓器和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器等。還要仔細(xì)研究和處理各部分的接地，包括電線電纜的屏蔽層接地。此外，還應(yīng)該考慮采用某些軟件抗干擾手段，如輸入數(shù)據(jù)濾波處理軟件和防止失控等。變頻柜設(shè)計(jì)完成后就要安裝配線。在配線配線之前必須檢查各種電纜的線徑，看是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。要將主電路和控制電路的配線分開，而且要走不同的線路，不能長距離平行走線。盡量避免交叉走線，在不能避免交叉時(shí)，可以交叉但絕對不要相互并行走線。動(dòng)力電纜、電源電纜、信號(hào)電纜、數(shù)據(jù)電纜要分別排線。按照標(biāo)準(zhǔn)在柜體內(nèi)的最短距離為20mm，如有必要應(yīng)采用接地的隔離開關(guān)或接地開關(guān)。過同一接線口時(shí)也要在兩種電纜之間設(shè)置隔離壁，以防止動(dòng)力線的干擾噪聲侵入控制電路，造成變頻器不正常運(yùn)行。在對控制電路進(jìn)行布線時(shí)應(yīng)采用屏蔽線或雙絞線以避免因干擾信號(hào)造成的誤動(dòng)作，影響變頻器正常工作。為了抑制噪聲和防止干擾，實(shí)踐證明良好的接地方式在很大程度上可以抑制丙部噪聲的禍合，同時(shí)還可以防止外部干擾的侵入，使系統(tǒng)的抗干擾能力提高;另外防止由于變頻器主電路中的半導(dǎo)體開關(guān)器件在工作過程中將進(jìn)行高速的開閉動(dòng)作使殼體上有漏電電路產(chǎn)生，引起觸電，必須保證變頻器的接地端可靠接地。從安全和降低或者接在電器設(shè)備的外殼上。要使用較粗的短線一端接到接地極，另一端與接地端子PE端相連，接地線長度不超過20米，接地電阻要在100歐姆以下，接地極的位置要合理。為改善變頻器輸出電流，減少電動(dòng)機(jī)噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。在進(jìn)行接地線的布線時(shí)，不可以同動(dòng)力機(jī)械、變壓器等強(qiáng)電設(shè)備共用一個(gè)接地電纜或接地極，并且接地電纜布線上也應(yīng)與強(qiáng)電設(shè)備的接地電纜分開，盡可能縮短接地電纜的長度。6.3變頻控制柜內(nèi)部基本布局設(shè)計(jì)變頻控制柜前，既要要考慮變頻柜正常運(yùn)行條件，還要考慮可能發(fā)生的故障條件以及隨之引起的故障。必須要了解變頻控制柜的配置、工作環(huán)境、控制方式、工作方式、防護(hù)等級(jí)等。變頻控制柜的布局及器件配置要合理，符合行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)，便于維護(hù)保養(yǎng)。（1）電源側(cè)斷路器（2）電源側(cè)真空接觸器（3）電源側(cè)交流電抗器（4）電源側(cè)EMI濾波器（5）機(jī)側(cè)EMI濾波器（6）電機(jī)側(cè)交流電抗器（7）電機(jī)側(cè)真空接觸器（8）進(jìn)線開關(guān)6.4變頻器散熱及制作變頻器的發(fā)熱幾乎都是由內(nèi)部功率器件的損耗產(chǎn)生的。溫度對任何設(shè)備都具有破壞作用，但是變頻器和其他設(shè)備不同，因?yàn)槠渌O(shè)備的破壞作用常常是比較緩慢的，受破壞時(shí)的溫度通常不是很準(zhǔn)確地，唯獨(dú)變頻器的功率器件管IGBT在溫度超過某一極限值時(shí)，會(huì)立即導(dǎo)致逆變管直通而損壞。因此，變頻器的散熱問題是非常重要地。礦用隔爆一體化電機(jī)是應(yīng)用在煤礦井下存在瓦斯和煤粉塵的易爆危險(xiǎn)環(huán)境中。所以對于礦用變頻器要求是非常嚴(yán)格的，必須具有隔爆及本質(zhì)安全性能。采用變頻器置于隔爆殼體內(nèi)可以解決對于礦用設(shè)備的隔爆要求，但是由于隔爆殼體內(nèi)都是密封的，空氣流通性非常小，在自然的情況下與外界的熱交換只有通過殼體的擴(kuò)散方式來完成。在這種情況變頻器本身功率器件所產(chǎn)生的熱量是得不到及時(shí)散發(fā)的。當(dāng)溫度高于某一臨界值時(shí)變頻器將不能正常工作甚至導(dǎo)致?lián)p壞。因此礦用隔爆一體化電機(jī)的散熱問題是至關(guān)重要地。變頻器的散熱有很多方式，如風(fēng)冷、水冷、強(qiáng)制風(fēng)冷、熱管散熱等。但是由于礦用隔爆變頻器是置于封閉的隔爆殼體內(nèi)部，所以不能使用風(fēng)冷散熱，另外熱管散熱的成本非常高。考慮散熱成本以及要適合隔爆變頻器的應(yīng)用環(huán)境我設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)制水循環(huán)冷板散熱。第7章防爆柜的三維實(shí)體模型7.1Solidworks軟件介紹Solidworks是由美國SolidWorks公司開發(fā)的三維機(jī)械CAD軟件，問世于1995年。因其強(qiáng)大的功能、易用性和創(chuàng)新性，在于同類軟件的競爭中逐步確立了市場地位。SolidWorks提供了強(qiáng)大的基于特征的實(shí)體建模功能，用戶可以通過拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、薄壁特征、抽殼、特征陣列以及打孔等操作實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，方便地添加特征、更改特征以及將特征重新排列，對特征和草圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，并通過拖拽等方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)修改。在進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接參考其他零件并保持這種參考關(guān)系生成新零件可以動(dòng)態(tài)裝配體的所有運(yùn)動(dòng)，并對運(yùn)動(dòng)零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢查，還可以應(yīng)用智能零件技術(shù)自動(dòng)完成重復(fù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用智能化裝配技術(shù)完成自動(dòng)捕捉并定義裝配關(guān)系。在進(jìn)行工程圖設(shè)計(jì)時(shí)，可以自動(dòng)生成詳細(xì)，準(zhǔn)確的工程圖樣，且這種工程圖樣是全相關(guān)的，即在修改圖樣時(shí)，三維模型，各個(gè)視圖，裝配體都會(huì)自動(dòng)進(jìn)行更新。SolidWorks還提供了功能強(qiáng)大的全相關(guān)的鈑金設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)能力，以及開放的二次開發(fā)工具。Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。Solidworks功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。SolidWorks是一款三維機(jī)械CAD軟件，具有強(qiáng)大的功能、易用性和創(chuàng)新性。7.2三維建模步驟通過Solidworks三維軟件來建造變頻器防爆柜的實(shí)體。由于防爆柜是一個(gè)裝配體，主要由主箱體、兩個(gè)接線腔和一個(gè)散熱器組成，所以先從零件畫起。主箱體由六塊鋼板焊接而成，每個(gè)鋼板厚度為16mm。通過拉伸命令就可以完成，比較簡單。按照尺寸圖把兩個(gè)接線腔也畫出來。最后畫出散熱器的零件。新建裝配體，把零件用配合類型裝配到一起。圖6.1防爆柜三維模型第8章焊接技術(shù)焊接是被焊工件的材質(zhì)（同種或異種），通過加熱或加壓或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達(dá)到原子間的建和而形成永久性連接的工藝過程。焊接過程中，工件和焊料融化形成熔融區(qū)域，熔池冷卻凝固后便形成材料之間的連接。這一過程中，通常還需要施加壓力。焊接的能量來源由很多種，包括氣體焰，電弧，激光，電子束，摩擦和超聲波等。焊接的出現(xiàn)迎合了金屬藝術(shù)發(fā)展對新工藝手段的需要。而在另一方面，金屬在焊接熱量作用下所產(chǎn)生的獨(dú)特美妙的變化也滿足了金屬藝術(shù)對新的藝術(shù)表現(xiàn)語言的需求。在今天的金屬藝術(shù)創(chuàng)作中，焊接可以而且正在被作為一種獨(dú)特的藝術(shù)表現(xiàn)語言而著力加以表現(xiàn)。焊接方法焊接技術(shù)主要應(yīng)用在金屬母材上，常用的有電弧焊，氬弧焊，CO2保護(hù)焊，氧氣-乙炔焊，激光焊接，電渣壓力焊等多種，塑料等非金屬材料亦可進(jìn)行焊接。金屬焊接方法有40種以上，主要分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。熔焊是在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時(shí)，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動(dòng)，冷卻后形成連續(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。在熔焊過程中，如果大氣與高溫的熔池直接接觸，大氣中的氧就會(huì)氧化金屬和各種合金元素。大氣中的氮、水蒸汽等進(jìn)入熔池，還會(huì)在隨后冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質(zhì)量和性能。壓焊是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當(dāng)電流通過兩工件的連接端時(shí)，該處因電阻很大而溫度上升，當(dāng)加熱至塑性狀態(tài)時(shí)，在軸向壓力作用下連接成為一體。各種壓焊方法的共同特點(diǎn)是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數(shù)壓焊方法如擴(kuò)散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程，因而沒有象熔焊那樣的有益合金元素?zé)龘p，和有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化了焊接過程，也改善了焊接安全衛(wèi)生條件。同時(shí)由于加熱溫度比熔焊低、加熱時(shí)間短，因而熱影響區(qū)小。許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用壓焊焊成與母材同等強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)接頭。釬焊是使用比工件熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于工件熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實(shí)現(xiàn)原子間的相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)焊接的方法。焊接時(shí)形成的連接兩個(gè)被連接體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側(cè)在焊接時(shí)會(huì)受到焊接熱作用，而發(fā)生組織和性能變化，這一區(qū)域被稱為熱影響區(qū)。焊接時(shí)因工件材料焊接材料、焊接電流等不同，焊后在焊縫和熱影響區(qū)可能產(chǎn)生過熱、脆化、淬硬或軟化現(xiàn)象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調(diào)整焊接條件，焊前對焊件接口處預(yù)熱、焊時(shí)保溫和焊后熱處理可以改善焊件的焊接質(zhì)量。在防爆[11]電頻柜的設(shè)計(jì)中要用到焊接技術(shù)，并且對焊接的質(zhì)量要求很高。由于變頻柜是由鋼板折疊而成的，所以要用的焊接主要是鋼板之間縫隙的焊接。第9章有限元分析與Simulation在隔爆柜結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用9.1Simulation簡介SolidWorksSimulation是一個(gè)與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorksSimulation提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析，優(yōu)化分析，非線性分析，線性動(dòng)態(tài)分析，掉落測試分析，疲勞分析，壓力容器分析。SolidWorksSimulation憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，使得您能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問題。SolidWorksSimulation提供了多種捆綁包，可滿足您的分析需要。SolidWorksSimulation節(jié)省了搜索最佳設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和精力，可大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。9.2Simulation對防爆柜的結(jié)構(gòu)分析步驟柜體是電器，電子設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在煤礦中，爆炸引起的振動(dòng)，沖擊是導(dǎo)致電子設(shè)備失效的重要原因，所以防爆變頻柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性就相當(dāng)重要。而Simulation是模擬檢驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性最好軟件，它可以模擬在外界爆炸力的作用下變頻柜發(fā)生的最大變形和破壞。Simulation對防爆柜的分析步驟：1.有限元分析的前處理完成箱體幾何建模后，就可以將其導(dǎo)入到Simulation有限元分析軟件中，建立它的有限元模型。在建立有限元模型前，先要定義工作文件名，指出分析類型，然后進(jìn)行定義材料屬性、設(shè)定網(wǎng)格類型、施加約束和載荷、劃分網(wǎng)格等前處理，再進(jìn)行求解。在計(jì)算時(shí)，對箱體的焊接進(jìn)行簡化處理，即假設(shè)各焊接材料屬性、焊條材料屬性無缺陷，焊接牢固可靠，無虛焊、漏焊、松脫現(xiàn)象，所有焊縫為連續(xù)全焊透，且不考慮焊縫材料特性的變化，認(rèn)為焊接處的材料特性與相鄰結(jié)構(gòu)的材料特性相同，焊接后殘余應(yīng)力較小，不足以影響箱體的計(jì)算結(jié)果。2.將防爆柜實(shí)體簡化由于只對防爆柜的主體進(jìn)行有限元分析，可以將兩邊的接線腔和后邊的散熱部件省去。不考慮螺紋孔的受力，將所有螺紋孔壓縮。箱體前門的厚度要比四周鋼板厚許多，因此分析時(shí)可以不考慮前門。圖9.1簡化后的模型3新建算例-無方鋼的防爆柜點(diǎn)擊算例顧問，選擇新建算例，在名稱中輸入“無方鋼防爆柜”，點(diǎn)擊靜態(tài)，確定。分析類型的選擇是由模型載荷條件及要計(jì)算的相應(yīng)確定的，可以分為靜態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧分析、模態(tài)分析、譜分析、屈曲分析和子結(jié)構(gòu)分析等。箱體按國家標(biāo)準(zhǔn)在高壓狀態(tài)進(jìn)行密封試驗(yàn)和防爆試驗(yàn)，采用的試驗(yàn)方法是在箱體內(nèi)逐步緩慢的施加水壓，水壓的最大值為1MPa，并在這壓力下保持10秒鐘。由于施加的水壓比較大，同時(shí)結(jié)合以前水壓試驗(yàn)情況，箱體局部零件由可能超過材料的屈服極限，出現(xiàn)塑性變形。因此要考慮塑性變形，采用彈塑性的非線性分析。做水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，箱體承受水壓的時(shí)間比較長，同碰撞、沖擊、震動(dòng)、爆炸等載荷狀態(tài)下有著本質(zhì)的不同，故不能采用動(dòng)態(tài)分析，視為靜態(tài)分析，即載荷不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)平衡分析。圖9.2新建算例4.對防爆柜進(jìn)行材料應(yīng)用在材料中選擇普通碳素鋼Q235A，Q235A的材料特性如下：圖9.3Q235A材料屬性5.選擇夾具由于防爆柜是放在煤礦井下，豎直放置，選擇防爆柜底部進(jìn)行固定約束。為了保證箱體在外力作用下保持平衡，必須進(jìn)行約束處理，引入邊界條件。箱體作水壓試驗(yàn)時(shí)，在箱體和水的自重作用下，固定箱體底板，使箱體沿高度方向（Z軸）平動(dòng)自由度及繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度為零；（2）對于對稱面上的所有結(jié)點(diǎn)，設(shè)置該面上所有結(jié)點(diǎn)在其法線方向（Y軸）的平動(dòng)自由度和繞其他兩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度為零。圖9.4夾具6.外部載荷用1MPa的水壓進(jìn)行試驗(yàn)，載荷時(shí)由1MPa的水壓和水的自重兩部分組成。1Mpa=1.0×106Pa=10個(gè)大氣壓，相當(dāng)于103.36m的水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，而此防爆柜的長寬不足1.5m，相對于1MPa的水壓可以忽略不計(jì)。因此只對防爆柜的內(nèi)部五個(gè)表面施加1Mpa的面壓力。有限元的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對一定載荷的影響，因此，在分析中指定合適的在和條件是獲得高精度計(jì)算結(jié)果非常關(guān)鍵的一步。箱體主要受兩個(gè)方面的力，即試驗(yàn)時(shí)施加的水壓力和水自重產(chǎn)生的壓力。施加的水壓為1MPa，其方向?yàn)榇怪庇诟魇芰Ρ砻妫核灾匦纬傻膲簭?qiáng)可以通過計(jì)算得出，方向也垂直于各受力表面，計(jì)算公式為：P=ρghP——壓強(qiáng)ρ——水的比重，1X103kg/m3G——重力加速度，9.8N/kgh——受力位置水的深度圖9.5外部載荷7.網(wǎng)格劃分對此防爆柜進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)防爆柜都是將鋼板焊接起來的，不存在橫梁、薄殼等其他結(jié)構(gòu)，并且焊接的結(jié)構(gòu)效果和鋼板的整體材料效果相同，所以只需將其看成實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格參數(shù)里選擇網(wǎng)格大小為50mm，公差為2.5mm。定義邊界約束和施加載荷后，下一步就是對箱體劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格是建立箱體有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題比較多，需要的工作量比較大，所劃分的網(wǎng)格形式對箱體的計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將會(huì)產(chǎn)生直接影響，影響計(jì)算的主要因素包括網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格密度。網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響箱體計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格劃分的越細(xì)，計(jì)算精度會(huì)有所提高，同時(shí)，網(wǎng)格劃的越細(xì)，產(chǎn)生的單元數(shù)，結(jié)點(diǎn)數(shù)及自由度數(shù)越多，計(jì)算變得就越復(fù)雜，所需的計(jì)算機(jī)資源，CPU運(yùn)行時(shí)間也越多。在有限元分析中，確定單元類型是很重要的。在結(jié)構(gòu)靜立分析中，要用到地典型的單元類型有：線單元、二維單元、三維實(shí)體單元等。一般來說，選取單元類型的要點(diǎn)是:采用解決問題所必須的自由度數(shù)目最小的單元類型。當(dāng)然，單元類型的選舉取決于分析對象的結(jié)構(gòu)類型和幾何形狀，還受到載荷類型和作用方向、變形的假設(shè)、應(yīng)變分布及分析所要的精度等諸多因素的影響。一般原則是：一維單元（桿、粱和彈簧等）用于離散“線”類結(jié)構(gòu)（如桁架、梁結(jié)構(gòu)等）；二維單元（平面應(yīng)力、平面應(yīng)變軸對稱和薄殼等）用于離散“面”類結(jié)構(gòu)（如板殼結(jié)構(gòu)）；三維單元（厚殼和實(shí)體等）則用于離散“體”類結(jié)構(gòu)（如塊體結(jié)構(gòu)）。這里所謂的一維、二維和三維，并非指單元所適用結(jié)構(gòu)的實(shí)際類型，而是它所能得到的結(jié)果種類。例如，薄殼單元能離散三維的結(jié)構(gòu)，但其分析的結(jié)果卻是二維的。在選取單元時(shí)，要特別注意不同類型的單元連接處的處理問題。這些連接處的多余的結(jié)點(diǎn)自由度必須采取適當(dāng)?shù)霓k法加以消除，以保證單元間的協(xié)調(diào)。綜上所述，在本課題中，由于箱體零件少，結(jié)構(gòu)簡單，宜采用3D實(shí)體單元類型。圖9.6網(wǎng)格劃分8.結(jié)果運(yùn)行點(diǎn)擊運(yùn)行，獲得應(yīng)力、應(yīng)變和位移圖。圖9.7應(yīng)力圖圖9.8位移圖圖9.9應(yīng)變圖9.結(jié)果分析并進(jìn)行優(yōu)化從應(yīng)力圖中可以明顯看出防爆柜整體的普遍應(yīng)力都大于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度，所以判定為不合格。從位移圖中看出最大位移為6mm，發(fā)生在后板的中間。綜上分析，可以在后板上面焊接一個(gè)30X30方鋼來增加后板的強(qiáng)度。優(yōu)化后的結(jié)果:圖9.10應(yīng)力圖圖9.11位移圖圖9.12應(yīng)變圖10.結(jié)果比較通過加方鋼的防爆柜和不加方鋼的防爆柜計(jì)較，可以發(fā)現(xiàn)加方鋼的防爆柜要比不加方鋼的防爆柜所受的應(yīng)力和位移要小得多，并且滿足屈服強(qiáng)度要求。所以選擇加方鋼的防爆柜這個(gè)方案?？偨Y(jié)當(dāng)今世界市場競爭日趨激烈，用戶對產(chǎn)品的性能要求越來越高，同時(shí)要求產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期越來越短。若想在競爭激烈的市場中占有一席之地，依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是行不通的，必須采用先進(jìn)的三維有限元分析技術(shù)，在Simulation軟件的支撐下，可以即時(shí)對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并針對分析結(jié)果提出修改方案，再計(jì)算修改，如此反復(fù)，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。大幅度提高設(shè)計(jì)制造效率，對提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)水平、快速響應(yīng)市場、降低成本具有十分重要的意義。本文采用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以山西普松自動(dòng)化電氣分公司設(shè)計(jì)的防爆柜為研究對象，對該防爆柜的箱體進(jìn)行有限元分析，找出了箱體受力薄弱環(huán)節(jié)，并采取了有效的改進(jìn)措施，取得了顯著的成效。根據(jù)GB3836.2-83標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，順利通過了1MPa的水壓強(qiáng)度和隔爆性能測試，達(dá)到了很好的效果，驗(yàn)證了理論計(jì)算值是正確的、可靠地。通過對變頻器防爆柜的有限元分析，可以得出如下結(jié)論;有限元可以對三維實(shí)體模型進(jìn)行有效地分析，對復(fù)雜零部件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的技術(shù)手段，減少設(shè)計(jì)的盲目性。有限元可以計(jì)算出箱體三維實(shí)體上任意節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移值，也可以查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)任意方向的應(yīng)力、應(yīng)變、位移值。使用有限元法，可以在設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)算，預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在問題，并進(jìn)行即時(shí)的修改，大大增強(qiáng)了設(shè)計(jì)功能，減少了設(shè)計(jì)成本。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，有些結(jié)構(gòu)形狀非常復(fù)雜，零部件較多，計(jì)算量很大，因此在建模時(shí)進(jìn)行一定的簡化處理，略去或簡化一些對結(jié)構(gòu)影響不大的零件。有限元改變了傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)——制造——試驗(yàn)——修改設(shè)計(jì)——再制造——再試驗(yàn)”等設(shè)計(jì)制造方法，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。以前用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研制開發(fā)一臺(tái)新型變頻器防爆柜需要的周期一般為2年，需要制造4臺(tái)樣機(jī)，才能完成水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和防爆試驗(yàn)，這次采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，從產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)、樣機(jī)的試制，到水壓強(qiáng)度試驗(yàn)和防爆試驗(yàn)的順利通過，只用了4個(gè)月的時(shí)間，而且一次試制成功，節(jié)省了大量的時(shí)間和費(fèi)用，表明這種方法對新產(chǎn)品的開發(fā)是特別有效的。參考文獻(xiàn)[1]W.I.Winneret.TheRoleofConcurrentEngineeringin