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

1、<p>　　一種礦用隔爆濾波型變頻器隔爆柜子的結(jié)構(gòu)分析</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　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(duì)構(gòu)件反復(fù)修改，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。</p&g

2、t;<p>　　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(zhǎng)了制造周期。因此，在某種有限元的支持下，對(duì)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(duì)提高變頻器箱體的技術(shù)水平，快速

3、響應(yīng)市場(chǎng)，降低成本具有十分重要的意義。</p><p>　　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(duì)象，對(duì)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(duì)箱體進(jìn)行實(shí)體建模；（3）利用有限元分析軟件Simulation對(duì)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

4、和位移值。并針對(duì)每次計(jì)算結(jié)果，對(duì)箱體進(jìn)行適時(shí)改進(jìn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：防爆柜；有限元；應(yīng)力；應(yīng)變；優(yōu)化；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of computer technology, the Finite Element Method(F

5、EM) is widely used in modern design. FEM is a method of high speed and high precision. The stress, strain and displacement can be obtained with the Finite Element Analysis (FEA) in the design stage. And it is convenient

6、to modify and optimize the structure.</p><p>　　Mining flame-proof filtering type transducer explosion-proof cabinet is used in coal mine. The explosion-proof cabinet should have enough strength and stiffne

7、ss, and should be able to endure the tremendous blast-force during the moment gas blasts. Traditionally, the explosion-proof cabinet design always relies on analogy and experience. The designer can’t know the deformatio

8、n of the the explosion-proof cabinet, and which may make the product disqualification, or wasting material or high deve</p><p>　　This paper investigated the explosion-proof cabinet designed by Shan Xi Explo

9、sion proof motor company . The cabinet was analyzed by FEM. The major works completed mainly included: (1) The fundamentals on FEM were discussed; (2) The solid model of the cabinet was created by 3D design software Soli

10、dWorks. (3) The Nonlinear Finite Element model was built and calculated by FEM software Simulation. Through calculation and analysis, the deformation of the transformer cabinet was obtained. Meanwhile, t</p><p

11、>　　Key Words: Explosion-proof cabinet ; the Finite Element Method; Stress; Strain ；Optimization ；</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　第1章 有限

12、元簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.1 有限元的發(fā)展歷程2</p><p>　　1.2 有限元法的基本思路2</p><p>　　1.3 有限元法的理論基礎(chǔ)3</p><p>　　1.4 有限元的解題步驟：5</p><p>　　1.5 有限元的發(fā)展趨勢(shì)7</p><p>　

13、　第2章 防爆技術(shù)的應(yīng)用與意義9</p><p>　　第3章 變頻器的工作原理9</p><p>　　3.1 變頻器簡(jiǎn)介9</p><p>　　3.2 諧波對(duì)供電線路的影響10</p><p>　　第4章 變頻柜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題11</p><p>　　4.1 機(jī)械負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性種類11&

14、lt;/p><p>　　4.2 電氣設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.3 電氣工藝設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.4 柜體鈑金工藝設(shè)計(jì)13</p><p>　　第5章 防爆柜設(shè)計(jì)的技術(shù)要求14</p><p>　　第6章 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15</p><p>　

15、　6.1 柜體的布局和器件配置15</p><p>　　6.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻柜設(shè)計(jì)15</p><p>　　6.3 變頻控制柜內(nèi)部基本布局16</p><p>　　6.4 變頻器散熱及制作17</p><p>　　第7章 防爆柜的三維實(shí)體模型18</p><p>　　7.1 Solidwork

16、s軟件介紹18</p><p>　　7.2 三維建模步驟19</p><p>　　第8章 焊接技術(shù)19</p><p>　　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21</p><p>　　9.1 Simulation簡(jiǎn)介21</p><p>　　9.2 Simulation

17、對(duì)防爆柜的結(jié)構(gòu)分析步驟21</p><p><b>　　總結(jié)29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p>　　附錄A 山西防爆電機(jī)公司防爆柜參考圖33</p><p><b>　　致謝34</b></p><p&g

18、t;<b>　　引言</b></p><p>　　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。</p><p>　　礦用隔爆型外殼是電氣設(shè)備的一種防爆型式,能夠承

19、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) GB 3836. 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 1 MPa, 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

20、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(duì)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(duì)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(duì)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,

21、以適應(yīng)新的設(shè)計(jì)要求。在此提出Simulation 軟件對(duì)矩形類隔爆箱體強(qiáng)度</p><p>　　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(guó)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(shì)，集全國(guó)知名防爆電機(jī)電氣專

22、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。</p><p>　　第1章 有限元簡(jiǎn)介</p><p>　　1.1 有限元的發(fā)展歷程</p><p>　　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

23、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。</p><p>　　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(duì)單元?jiǎng)澐帧卧愋瓦x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

24、發(fā)展階段的結(jié)束。</p><p>　　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(guó)外和國(guó)內(nèi)兩條線索。在國(guó)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。</p><p>　　在國(guó)內(nèi)，我國(guó)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

25、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(guó)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(duì)于他的這項(xiàng)成就，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人都有很高的評(píng)價(jià)。</p><p>　　1.2 有限元法的基本思路<

26、/p><p>　　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。</p><p>　　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

27、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。</p><p>　　1.3 有限元法的理論基礎(chǔ)</p><p>　?。?）模型的選取力學(xué)</p><

28、;p>　　平面問題，平面應(yīng)變問題，平面應(yīng)力問題，軸對(duì)稱問題，空間問題，板，梁，桿或組合體等，對(duì)稱或反對(duì)稱等。</p><p><b>　　例如 圖1.1：</b></p><p><b>　　圖1.1 力學(xué)模型</b></p><p>　　圖1.2 1/4模型</p><p>　　由于是對(duì)稱模

29、型，所以只需要選取其1/4模型進(jìn)行分析（圖1.2）。對(duì)于對(duì)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。</p><p>　?。?）單元的選取、結(jié)構(gòu)的離散化</p><p>　　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(duì)于平面問題可用三角元，四邊元等。</p><p><b>　　例如 圖1.3：</b></p&

30、gt;<p>　　圖1.3 劃分單元</p><p>　?。?）選擇單元的位移模式</p><p>　　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。</p>

31、<p>　?。?）單元的力學(xué)特性分析</p><p>　　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：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　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：</p><p><b>　　式

32、中：</b></p><p>　　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：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　（5）建立整體結(jié)構(gòu)的剛度方程</p><p>　　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

33、列陣{R}，形成總體結(jié)構(gòu)的剛度方程：</p><p>　?。?）求解修改后的整體結(jié)構(gòu)剛度方程</p><p>　　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。</p><p>　?。?）由單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣計(jì)算單元應(yīng)力</p><p>　　解出整體結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位移列陣

34、　　后，再根據(jù)單元結(jié)點(diǎn)的編號(hào)找出對(duì)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。</p><p><b>　　（8）計(jì)算結(jié)果輸出</b></p><p>　　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。</p>

35、<p>　　1.4 有限元的解題步驟：</p><p>　　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(shì)位能分析問題。至于其它類型的分析，有限元模型信息 對(duì)于一

36、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

37、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)</p><p>　　采用有限元法進(jìn)行工程分析的一般流程如圖1.4所示：</p><p>　　圖1.4 有限元法工程分析的一般流程 </p><p>

38、;　　1.5 有限元的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　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):</p><p>　?。?）單一場(chǎng)計(jì)算向多物理耦合場(chǎng)問題的求解發(fā)展</p><p>　　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(chǎng)性特點(diǎn),結(jié)構(gòu)非線性,流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng)問題的應(yīng)用迫在眉

39、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(chǎng)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(chǎng)的計(jì)算求解必定成為有限元軟件開發(fā)的發(fā)展方向。</p><p>　　（2）由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題</p><p>　　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

40、、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(duì)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(guó)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AD

41、INA、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。</p><p>　　(3) 與CAD/CAM等軟件的集成</p><p>　　有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)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

42、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。</p><p>　　(4) 提高自動(dòng)化的網(wǎng)格處理能力</p><p>　　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

43、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。</p><p>　　(5) 軟件面向?qū)I(yè)用戶的開放性</p><p>　　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(duì)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(duì)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

44、命規(guī)律的自定義和產(chǎn)品專家系統(tǒng)的自開發(fā)。</p><p>　　(6) 軟件開發(fā)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合</p><p>　　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。</p><p>　　第2章 防爆技術(shù)

45、的應(yīng)用與意義</p><p>　　隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，特別是石化、冶金、煤礦工業(yè)的發(fā)展。對(duì)隔爆型電柜的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的要求越來越高。國(guó)內(nèi)國(guó)外的企業(yè)政府對(duì)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。</p><p>　　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)

46、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(chǎng)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(duì)隔爆外殼的形狀、材質(zhì)、容積，結(jié)構(gòu)等均有特殊的要求。</p><p>　　變頻器的外殼的各隔爆結(jié)合面，間隙、長(zhǎng)度、表面粗糙度的設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照GB 3836.2—2010的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行；隔爆外殼應(yīng)能承受G

47、B 3836.2—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(guó)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GB 3836.2—2010的規(guī)定。透明件應(yīng)有抗沖壓性能，能承受GB 3836.1—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

48、能力，應(yīng)符GB 3836.1—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。</p><p>　　第3章 變頻器的工作原理 </p><p>　　3.1 變頻器簡(jiǎn)介</p><p>　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、

49、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]。</p><p>　　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(cè)單元、微處理單元等組成的。</p><p>

50、;　　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。</p><p>　　圖3.1 交—直—交變頻器主回路圖</p><p>　　3.2 諧波對(duì)供電線路的影響 </p><p>　　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，

51、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(duì)各種電氣設(shè)備，自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)、計(jì)量?jī)x器以及通信系統(tǒng)均有不同程度的影響。對(duì)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)

52、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(cè)量和計(jì)量?jī)x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。

53、要降低諧波的影響程度，可以采取各種措施，但對(duì)于變頻器來說</p><p>　　第4章 變頻柜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 </p><p>　　4.1 機(jī)械負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性種類</p><p>　　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

54、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(duì)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）&#

55、160;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(duì)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意

56、：（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)</p><p>　　4.2 電氣設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)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(duì)于變頻控

57、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)。</p><p>　　PLC控制接口電路，</p><p>　　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)。</p><p>　　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

58、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(duì)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

59、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。</p><p>　　4.3 電氣工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　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

60、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。</p><p>　　4.4 柜體鈑金工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　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

61、2． 柜體承載重量。3． 運(yùn)輸方便性。加裝吊裝掛鉤。</p><p>　　搬運(yùn)安全。5． 柜體的銘牌。</p><p>　　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。</p><p>　　第5章

62、 防爆柜設(shè)計(jì)的技術(shù)要求</p><p>　　1. 投標(biāo)產(chǎn)品（包括所選用的器件）必須符合中國(guó)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(guó)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。</p><p>　　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）。</p><p>　　3. 本次投標(biāo)產(chǎn)品所選用的元器

63、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。</p><p>　　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。</p><p>　　5. 箱體采用噴塑，箱

64、體顏色采用銀白色，采用相應(yīng)的防腐蝕措施。</p><p>　　6. 變頻控制柜必須有銘牌。</p><p>　　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(guó)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。</p><p>　　8. 電箱柜門內(nèi)側(cè)必須

65、貼有電氣系統(tǒng)圖，采用透明膠布防水密封。</p><p>　　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)。</p><p>　　第6章 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　6.1 柜體的布局和器件配置</p><p>　　傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)方法是以

66、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為基礎(chǔ)，通過長(zhǎng)期設(shè)計(jì)實(shí)踐而形成的設(shè)計(jì)依</p><p>　　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。</p><p>　　(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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和

67、設(shè)計(jì)規(guī)范；</p><p>　　(2) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多種方案；</p><p>　　(3) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的方案繪出圖紙；</p><p>　　(4) 看所繪出圖紙是否符合GB12668中國(guó)調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；</p><p>　　(5) 是否滿足散熱、排風(fēng)要求，器件有沒有擋住散熱通道；</p><p>　　(6)

68、 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；</p><p>　　(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</p><p>　　路、控制電路以及信號(hào)線之間的干擾降低，減小電磁干擾；</p><p>　　(8) 確定方案并制作。</p><p>　　6.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻柜設(shè)計(jì)</p>

69、<p>　　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。</p><p>　　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(duì)集

70、成電路器件的干擾;電纜導(dǎo)線較長(zhǎng)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(duì)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。</p><p>　　變頻

71、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(guó)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(zhǎng)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(duì)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

72、器不正常運(yùn)行。在對(duì)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。</p><p>　　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

73、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(zhǎng)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(zhǎng)度。</p><p>　　6.3

74、變頻控制柜內(nèi)部基本布局</p><p>　　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</p><p>　　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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，便于維護(hù)保養(yǎng)。</p><p>　　（1） 電源側(cè)斷路器</p>&l

75、t;p>　?。?） 電源側(cè)真空接觸器</p><p>　?。?） 電源側(cè)交流電抗器</p><p>　　（4） 電源側(cè)EMI濾波器</p><p>　?。?） 機(jī)側(cè)EMI濾波器</p><p>　　（6） 電機(jī)側(cè)交流電抗器</p><p>　?。?） 電機(jī)側(cè)真空接觸器</p><p>&l

76、t;b>　?。?） 進(jìn)線開關(guān)</b></p><p>　　6.4 變頻器散熱及制作</p><p>　　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(duì)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

77、器的散熱問題是非常重要地。</p><p>　　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(duì)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(duì)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

78、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。</p><p>　　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?？紤]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。</p><p>　　第7章 防爆柜的三維實(shí)體模型

79、</p><p>　　7.1 Solidworks軟件介紹</p><p>　　Solidworks是由美國(guó)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(jìng)爭(zhēng)中逐步確立了市場(chǎng)地位。</p><p>　　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

80、、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(duì)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。</p><p>　　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(duì)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。</p>

81、<p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　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

82、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(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡(jiǎn)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。</p><p>　　7.2 三維建模步驟&

83、lt;/p><p>　　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(jiǎn)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。</p><p>　　圖6.1 防爆柜三維模型<

84、;/p><p><b>　　第8章 焊接技術(shù)</b></p><p>　　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

85、子束，摩擦和超聲波等?！『附拥某霈F(xiàn)迎合了金屬藝術(shù)發(fā)展對(duì)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(duì)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)。</p><p><b>　　焊接方法</b></p><p>　　焊接技術(shù)主要應(yīng)用在金屬母材上，常用的有電弧焊，氬

86、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?！　?lt;/p><p>　　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

87、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。　</p><p>　　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(duì)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

88、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(jiǎn)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。　　</p><p>　　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

89、料潤(rùn)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(duì)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。</p>

90、<p>　　在防爆[11]電頻柜的設(shè)計(jì)中要用到焊接技術(shù)，并且對(duì)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。</p><p>　　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</p><p>　　9.1 Simulation簡(jiǎn)介 </p><p>　　SolidWorks Simula

91、tion 是一個(gè)與 SolidWorks 完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation 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(cè)試分析，疲勞分析，壓力容器分析。SolidWorks Simulation 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。SolidWorks Simulation 提供了多種捆綁包，可滿足您的分

92、析需要。SolidWorks Simulation 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。</p><p>　　9.2 Simulation對(duì)防爆柜的結(jié)構(gòu)分析步驟</p><p>　　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

93、，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。</p><p>　　Simulation對(duì)防爆柜的分析步驟：</p><p>　　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，

94、再進(jìn)行求解。在計(jì)算時(shí)，對(duì)箱體的焊接進(jìn)行簡(jiǎn)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。</p><p>　　2.將防爆柜實(shí)體簡(jiǎn)化 由于只對(duì)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，

95、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。</p><p>　　圖9.1 簡(jiǎn)化后的模型</p><p>　　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(guó)

96、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(zhǎng)，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。&

97、lt;/p><p><b>　　圖9.2 新建算例</b></p><p>　　4.對(duì)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：</p><p>　　圖9.3 Q235A材料屬性</p><p>　　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

98、。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(duì)于對(duì)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。</p><p><b>　　圖9.4 夾具</b></p><p>　　

99、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(zhǎng)寬不足1.5m，相對(duì)于1MPa的水壓可以忽略不計(jì)。因此只對(duì)防爆柜的內(nèi)部五個(gè)表面施加1Mpa的面壓力。</p><p>　　有限元的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對(duì)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

100、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><p><b>　　P=ρgh</b></p><p><b>　　P——壓強(qiáng)</b></p><p>　　ρ—

101、—水的比重，1X103kg/m3</p><p>　　G——重力加速度，9.8N/kg</p><p>　　h——受力位置水的深度</p><p><b>　　圖9.5 外部載荷</b></p><p>　　7.網(wǎng)格劃分 對(duì)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

102、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(duì)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(duì)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。</p><p>　　網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響箱體計(jì)算結(jié)

103、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。</p><p>　　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

104、型的選舉取決于分析對(duì)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(duì)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

105、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)。</p><p>　　綜上所述，在本課題中，由于箱體零件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，宜采用3D實(shí)體單元類型。</p><p><b>　　圖9.6 網(wǎng)格劃分</b></p><p&g

106、t;　　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。</p><p><b>　　圖9.7應(yīng)力圖</b></p><p><b>　　圖9.8 位移圖</b></p><p><b>　　圖9.9 應(yīng)變圖</b></p><p>　　9.結(jié)果分析并進(jìn)行優(yōu)化 從應(yīng)

107、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。</p><p><b>　　優(yōu)化后的結(jié)果:</b></p><p><b>　　圖9.10 應(yīng)力圖</b></p><p>&

108、lt;b>　　圖9.11 位移圖</b></p><p><b>　　圖9.12應(yīng)變圖</b></p><p>　　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。</p><p><

109、b>　　總結(jié)</b></p><p>　　當(dāng)今世界市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，用戶對(duì)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(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)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(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并針對(duì)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