辛　聰

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上?！?00240)

?

YBJC系列四級(jí)隔爆型電動(dòng)機(jī)的防爆設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

辛聰1,2

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海200240)

摘要：介紹了YBJC系列四級(jí)隔爆電動(dòng)機(jī)的防爆設(shè)計(jì)原理及要求。闡述了隔爆接合面(包括螺紋接合面及非螺紋接合面)的設(shè)計(jì)要求、隔爆外殼接合面最小寬度及最大間隙、電機(jī)滾動(dòng)軸承的軸與軸承套的間隙規(guī)定、隔爆外殼材料的選用、按應(yīng)力分析結(jié)果改進(jìn)相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。介紹了防爆性能考核的試驗(yàn)，如最高表面溫度試驗(yàn)、爆炸壓力測(cè)定試驗(yàn)、過(guò)壓試驗(yàn)、內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：四級(jí)隔爆；防爆電機(jī)；應(yīng)力分析

0引言

防爆電動(dòng)機(jī)是廣泛應(yīng)用于具有爆炸性氣體出現(xiàn)的環(huán)境中，滿足安全可靠運(yùn)行要求的電動(dòng)機(jī)。負(fù)載類型多為風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等。隨著我國(guó)石化行業(yè)的大力發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于ⅡC類爆炸性氣體(H2、C2H2、CS2)環(huán)境中的電機(jī)的需求與日俱增。隔爆型電機(jī)由于其本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、防爆可靠性高、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，得到了市場(chǎng)的廣泛接受與認(rèn)可。文章所述的針對(duì)要求苛刻的ⅡC類爆炸性氣體環(huán)境而專門研制開(kāi)發(fā)的YBJC系列電機(jī)，俗稱“四級(jí)隔爆”電機(jī)。下面以首臺(tái)樣機(jī)的開(kāi)發(fā)與試制為例，分析相關(guān)防爆設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1防爆原理與基本要求

隔爆型，是指其外殼能夠承受通過(guò)外殼任何結(jié)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。

要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，保證隔爆型電機(jī)的運(yùn)行安全可靠，對(duì)電機(jī)的隔爆外殼及其隔爆參數(shù)有特殊的要求。

隔爆接合面類型分為螺紋接合面和非螺紋接合面。螺紋接合面應(yīng)符合表1和表2中給出的要求。

表1　圓柱形螺紋接合面

表2　錐形螺紋接合面a

非螺紋接合面又可分為平面接合面、止口接合面、錐形接合面、鋸齒接合面、具有圓弧面的接合面等。接合面的平均粗糙度Ra不允許超過(guò)6.3 μm。接合面應(yīng)進(jìn)行防銹處理，防銹油脂可在裝配前涂敷在接合面上，但不應(yīng)老化變硬，不含汽化溶劑，并且不引起接合面銹蝕。

GB 3836.2—2010中指出：對(duì)于規(guī)定用于含有乙炔爆炸性氣體環(huán)境中的ⅡC類電氣設(shè)備不允許使用具有圓弧面的接合面，且只有符合下列所有條件，才允許采用平面結(jié)合面：

1) 隔爆接合面的間隙i≤0.04 mm；

2) 隔爆接合面的寬度L≥9.5 mm；

3) 隔爆腔體的容積≤500 cm3。

所以，針對(duì)一般含有氫氣的ⅡC類爆炸性氣體場(chǎng)合，大中型電動(dòng)機(jī)通常采用止口結(jié)合面。在確定止口接合面寬度L時(shí)，應(yīng)考慮下列情況之一：

——隔爆接合面為圓筒部分加平面部分(見(jiàn)圖1a)。在此情況下，無(wú)論何處間隙均不應(yīng)超過(guò)表3中給出的最大值。

——隔爆接合面僅包含圓筒部分(見(jiàn)圖1b)。在此情況下，平面部分不必符合表3中的要求。

L=c+d(ⅡA、ⅡB、ⅡC)

c≥6.0 mm(ⅡC)

d≥0.50L(ⅡC)

f≤1.0 mm(Ⅰ、ⅡA、ⅡB、ⅡC)

1——外殼內(nèi)部

圖1　止口接合面

如果使用可壓縮或彈性材料襯墊，以防止潮氣或灰塵侵入，它應(yīng)起輔助作用而不能將接合面隔斷，在確定隔爆接合面寬度時(shí)不計(jì)入。

如果平面接合面或接合面的平面部分被用于裝配隔爆外殼零件的螺紋緊固件的孔分隔，則到孔邊沿的距離l(如圖2所示)應(yīng)不小于下列值：

——當(dāng)接合面寬度L<12.5 mm時(shí)，6 mm；

——當(dāng)接合面寬度12.5 mm≤L<25 mm時(shí),8mm；

——當(dāng)接合面寬度L≥25 mm時(shí)，9 mm。

圖2　平面結(jié)合面上的孔

另外，用于防爆結(jié)合面的緊固件允許螺紋嚙合的螺紋深度h(見(jiàn)圖2)，應(yīng)至少等于緊固件螺紋的外徑，螺紋公差應(yīng)符合GB/T 197—2003和GB/T 2516—2003的6H級(jí)，且該緊固件不允許采用塑料或輕合金材質(zhì)。對(duì)于不穿透隔爆外殼壁的螺孔，隔爆外殼壁的剩余厚度應(yīng)至少是螺栓直徑的三分之一，最小為3 mm。

GB 3836.2—2010中指出：ⅡC類電機(jī)不允許使用滑動(dòng)軸承。電機(jī)軸與軸承套之間的間隙如表3所示，另外，其最小徑向間隙k(見(jiàn)圖3)不應(yīng)小于0.05 mm，最大徑向間隙m(見(jiàn)圖3)不應(yīng)超過(guò)表3中對(duì)于該類軸承蓋允許的最大間隙的三分之二。

元件　　k——允許的無(wú)摩擦最小徑向間隙；m——計(jì)入k值時(shí)的最大徑向間隙；D-d——直徑差。圖3　旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸承蓋接合面

隔爆電機(jī)外殼(機(jī)座、端蓋、出線盒等)的材質(zhì)一般采用鑄鐵或鋼板焊接，其機(jī)械強(qiáng)度，ⅡC類電機(jī)的外殼通常需能承受2.0 MPa壓力。并且設(shè)計(jì)時(shí)要考慮避免壓力重疊現(xiàn)象的發(fā)生，因?yàn)槿绻粋€(gè)外殼包括幾個(gè)相互連通的空腔或內(nèi)部零件的排列被分隔，則可能產(chǎn)生比正常壓力更大的壓力和壓力上升速率。電機(jī)隔爆外殼不應(yīng)采用鋅或鋅含量高于80%的鋅合金制成。若采用鑄鐵外殼，其材料等級(jí)不低于150級(jí)。

電機(jī)的自帶外風(fēng)扇，應(yīng)有風(fēng)扇罩保護(hù)，風(fēng)扇罩不視為電機(jī)的外殼。但是，外風(fēng)扇、風(fēng)扇罩的距離應(yīng)至少為風(fēng)扇最大直徑的1/100，但不必大于5 mm，在任何情況下，不應(yīng)小于1 mm。通常，外風(fēng)扇、風(fēng)扇罩的絕緣電阻不應(yīng)大于109Ω。

2防爆設(shè)計(jì)特點(diǎn)

根據(jù)我公司多年生產(chǎn)的ⅡB類YBJC系列電機(jī)，建模分析結(jié)構(gòu)件應(yīng)力以優(yōu)化及改進(jìn)相關(guān)防爆結(jié)構(gòu)，滿足ⅡC類電機(jī)的要求。

圖4　防爆零部件應(yīng)力分析結(jié)果示意圖

材質(zhì)方面，考慮到適合批量生產(chǎn)，我們選用鑄鐵外殼，材料等級(jí)為HT250，由于考核壓力從以往ⅡB類的1.5 MPa提高到2.0 MPa，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合相關(guān)防爆零部件的應(yīng)力分析，做了進(jìn)一步優(yōu)化，例如增加支撐筋、放大過(guò)渡圓角及增加壁厚等，分析結(jié)果如圖4所示。分別設(shè)計(jì)了全新的測(cè)溫出線盒及加熱器出線盒，避免因合二為一，可能造成壓力重疊而產(chǎn)生的危險(xiǎn)。電纜引入裝置采用樹(shù)脂澆注密封結(jié)構(gòu)，引出線的接口采用壓緊密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)熱穩(wěn)定性試驗(yàn)的考核，滿足防爆標(biāo)準(zhǔn)要求。

隔爆接合面全部采用止口接合面形式。為滿足防爆標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)兼顧通用化及生產(chǎn)制造可操作性，止口接合面僅采用圓筒部分(如圖1b所示)。其中，接合面寬度L≥28±0.2 mm，最大間隙控制在0.15 mm。

電機(jī)軸采取二次加工。軸承套與軸之間隔爆接合面采用圓筒接合面，接合面寬度L≥62±0.2 mm(如圖5所示)，該處與軸配合的最大設(shè)計(jì)間隙控制在0.3 mm以內(nèi)。為防止間隙小而引起抱軸情況的發(fā)生，在軸承套內(nèi)側(cè)澆鑄一圈錫銅合金。銅套材料為錫青銅，牌號(hào)為ZCuSn5Pb5Zn5，與鑄鐵結(jié)合部分采用鴿尾槽結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式如圖5。

圖5　軸承套銅套示意圖

校驗(yàn)緊固螺栓強(qiáng)度，參考現(xiàn)有ⅡB類YBJC450端蓋，與機(jī)座間連接螺栓由8只增加到16只。保證2 MPa壓力下，緊固件的可靠性。

零部件結(jié)合平面增加一圈φ4橡膠密封圈，提高了電機(jī)的防護(hù)性能，能更好的適用于石化廠里普遍存在的戶外使用環(huán)境。

3防爆性能考核及試驗(yàn)

對(duì)隔爆型電機(jī)除應(yīng)進(jìn)行GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》中要求的有關(guān)檢查和試驗(yàn)外，還應(yīng)按GB 3836.2—2010《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》進(jìn)行如下的試驗(yàn)。

3.1最高表面溫度的試驗(yàn)

根據(jù)GB 3836.1—2010，測(cè)定最高表面溫度的試驗(yàn)應(yīng)在電動(dòng)機(jī)額定輸出功率時(shí)，電機(jī)輸入電壓為90%或110%的額定電壓，即電機(jī)在最不利的運(yùn)行條件下測(cè)定電機(jī)的最高表面溫度；測(cè)定的電機(jī)最高表面溫度應(yīng)低于電機(jī)所屬的溫度組別，對(duì)于溫度組別為T6，T5，T4和T3組的電機(jī)，其最高表面溫度應(yīng)比其所對(duì)應(yīng)的溫度組別低5 K。對(duì)于YBJC系列四級(jí)隔爆電機(jī)，其溫度組別為T4(135℃)，則其最高表面溫度折算到環(huán)境溫度40℃時(shí)，應(yīng)不大于130℃。

根據(jù)所投樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，在環(huán)境溫度17.5℃時(shí)，測(cè)得樣機(jī)的最高表面溫度為46℃，該樣機(jī)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔爆型電機(jī)表面溫度的要求。

3.2爆炸壓力測(cè)定試驗(yàn)

為了驗(yàn)證隔爆外殼是否能夠承受內(nèi)部的爆炸壓力，需測(cè)定一個(gè)參考?jí)毫χ?。旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。電機(jī)由自己的電源來(lái)運(yùn)行，也可通過(guò)輔助電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的90%。對(duì)于ⅡC類電動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的可燃性氣體應(yīng)在電動(dòng)機(jī)的每一端開(kāi)始，在電動(dòng)機(jī)靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下交互進(jìn)行，至少應(yīng)進(jìn)行4組爆炸試驗(yàn)。使用的爆炸性混合物及其在大氣壓下與空氣的體積比如下：(14±1)%乙炔和(31±1)%氫氣。每次試驗(yàn)包括點(diǎn)燃外殼內(nèi)部的爆炸性混合物和測(cè)量爆炸產(chǎn)生的壓力。在這些試驗(yàn)期間測(cè)出的、相對(duì)于大氣壓力最大平滑壓力的最高值，即為參考?jí)毫Α?/p>

參考?jí)毫σ话阍诓桓哂谧畹铜h(huán)境溫度下進(jìn)行測(cè)量，若在一般環(huán)境下使用規(guī)定的試驗(yàn)混合物，需在提高試驗(yàn)混合物的壓力條件下進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)混合物的絕對(duì)壓力應(yīng)按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

P=100[293/(Ta,min+273)]kPa

式中：P壓力(kPa)；

Ta,min其數(shù)值表示環(huán)境溫度的相反數(shù)(℃)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在14%乙炔和31%氫氣條件下分別測(cè)得最高爆炸壓力，樣機(jī)主腔為1.893 MPa和1.792 MPa，接線腔為0.907 MPa和0.650 MPa。

3.3過(guò)壓試驗(yàn)

過(guò)壓試驗(yàn)有兩種方法：靜壓法和動(dòng)壓法。靜壓法施加的壓力是所測(cè)得的參考?jí)毫Φ?.5倍，加壓時(shí)間至少應(yīng)為10 s，且只進(jìn)行一次。動(dòng)壓法試驗(yàn)時(shí)，爆炸性混合物需預(yù)壓，以便產(chǎn)生1.5倍參考?jí)毫Φ谋▔毫Γ瑢?duì)于ⅡC類電動(dòng)機(jī)，應(yīng)進(jìn)行三次試驗(yàn)。

如果試驗(yàn)后，外殼未發(fā)生影響防爆型式的永久性變形或損壞，則認(rèn)為試驗(yàn)合格。此外，在接合面任何部位的間隙都不應(yīng)有永久性的增大。

樣機(jī)主腔采用靜壓法，依據(jù)上述所測(cè)參考?jí)毫?，施?.0 MPa靜壓，歷時(shí)12 s，結(jié)果無(wú)損壞、變形。接線腔采用動(dòng)壓法，設(shè)定初始?jí)毫?預(yù)壓)50 kPa，所測(cè)得最高爆炸壓力1.370 MPa，結(jié)果無(wú)損壞。

3.4內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)

拆除電動(dòng)機(jī)上的襯墊，將電動(dòng)機(jī)放置在一個(gè)試驗(yàn)罐里。對(duì)于ⅡC類電動(dòng)機(jī)，不傳爆試驗(yàn)有兩種等效的方法，方法一為增加試驗(yàn)間隙，方法二為增加壓力。

方法一，應(yīng)將除螺紋接合面之外的所有接合面的間隙加大到下列數(shù)值：

1.35iC≤iE≤1.5iC

對(duì)平面接合面，最小試驗(yàn)間隙為0.1 mm；

式中：iE為試驗(yàn)間隙；iC為圖紙上的最大結(jié)構(gòu)間隙。

外殼內(nèi)和試驗(yàn)罐內(nèi)均充以相同的爆炸性氣體混合物，在大氣壓下與空氣的體積比為：27.5±1.5%氫氣和7.5±1%乙炔。每種混合物進(jìn)行5次試驗(yàn)。

方法二，外殼應(yīng)按照下列公式規(guī)定的試驗(yàn)間隙iE進(jìn)行試驗(yàn)：

0.9iC≤iE≤iC

外殼和試驗(yàn)罐內(nèi)充以與方法一規(guī)定相同的爆炸性氣體混合物，其壓力為1.5倍的大氣壓。對(duì)每種混合物進(jìn)行5次試驗(yàn)。

樣機(jī)按方法一增加試驗(yàn)間隙，經(jīng)檢驗(yàn)符合要求后進(jìn)行試驗(yàn)，初始?jí)毫?預(yù)壓)50 kPa，試驗(yàn)結(jié)果未傳爆，通過(guò)考核。

4結(jié)語(yǔ)

四級(jí)隔爆電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要綜合考慮電磁、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、絕緣以及工藝性等因素。設(shè)計(jì)選用合理的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，既能確保電動(dòng)機(jī)使用的安全性可靠性，又可兼顧整機(jī)制造成本及可行性。本文綜述的四級(jí)隔爆電機(jī)防爆設(shè)計(jì)要點(diǎn)，經(jīng)過(guò)樣機(jī)驗(yàn)證，達(dá)到理想效果，掌握其要點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)有助于今后更好的開(kāi)展同類電機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

·信息點(diǎn)滴·

菲律賓21個(gè)水電和地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目招標(biāo)

菲能源部近日就21個(gè)地?zé)岚l(fā)電和水電勘探和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行招標(biāo)。菲能源部稱已接到39份標(biāo)書(shū)，涉及2個(gè)地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目和14個(gè)水電項(xiàng)目，參加投標(biāo)的公司包括世界最大的地?zé)峁綞nergy Development Corp以及 AP Renewables Inc和 Aboitiz Power Corp等。

20150301