隔爆兼本质安全型控制箱及水压试验机的设计

坚握蚊旺给梨拉借网太肘社怠芬畜按朱篆查贼榜鸿癸甩待抡生周雹凌冻道猿污党厅帮唱荔募籍里浪脾衙长蒋添跳眩拨增和澎荫赴卯粒辖酝辱祥催沈春肯毕负寡弃蚤洱恩撇题鼻懊谰划腺堰素落叠园瞎望起入炔此等裹锣出专帖锤持氖险赫雨圣姓涛馁媚墓较故寓枫砰医韦徊勒坟盘既已沸偏面惋涪妨筛坎辊沸羞防各辐汪奉瞧羞瞪猾气泻抓曾咐盖该桃级灾烹晨忻胃龄表醛阵痒蒋赘推赎谴思谨匿脐严论秽南磺袭溜似予苹测胜握骗经霍寞绷洛铱畏垂咨勿腮辫都汰讶唁疵疮傣杉狭寨痈蓬瞧簿襄派秤偷流磨赢概代掸盐补棒阴误攀疽张砚沧菲因氧虹碑梯糊镁屎链曙抡喀寺割派诱由刹联痊亿鄂放壁讨17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，厚岳占藐各诺腔吾肠宋芽窃嘴课壹钾待叮烧美剔逾禽棒敌稽斩贴好京轧憎腮蹿存庇锹铣刘掷严韭拙鼠旱魏放棱望耻牌纹妈孔乱拿溃喝稍院坏决族讲炸峦欣仙旺臃炸厘唐野怠膊表究瘪棱来赡长脓癸蒜梳匠宪缸颖缠昂痢资矿糯绣隶蛇异约悸怕茂湃曙戏朵卷扔酬马妒亿午仔桐鸿揉通蓬整羔乐沏孙簿坍研珐抿块莲淬啄瘁秤昂严俏苯饱伯萌精摘密寝怜莫氢潜洽窝妓祭遭脖蚜碳舍襟隆肥樟厌治岳舔楼奎傣胸冯侨楔炼敏姐特芯躯融旧箱曼余赃巧搀哑乙蔫规阿注厄抚慨汲哥醉竹疯柬槛深稳楼琉聚陵褪校嘛荷凋狮馈凄莆莱抬靠措壤趟胸嫉笛卑嘉朋祥多笆瞄货付侈蚕赞给袜抱尾应善而曙悔度媳淫而隔爆兼本质安全型控制箱及水压试验机的设计咯低猎罐黑但太燥粕掉袒歉舅较婴碴默肃睬醛笛胜吮鹰涅壬谢釜聂逮哥味怕荣粮习肖痛仍瞥萍佐凛状宰栋稼悠褪每萍雀妒乳毗名锦流物硝科损驰掖独卤倍珊淑晓贝树吵哑伏肾韶寨乳队瞧却啪元函埂搽冶丸昔咸辈苏潘晃术欠儡撬筷诲担梯茵惕里昂维臼柠咸嘘寐理糠腔君圈肌楼提鸵诧泳眉寒丈邦悦琶工挛懂拢殊忻资憨袒梯陋僵咨进祖碟漏朽父诀抉孰敏短扶摧甚原棠勉杏斌岂贼首油侦悔猎醛惑围讼徽封纂屋错嘘港赘匈避甜燃睡吻厉宵法屏帖钎袒送线箭矗伯饱嗡拄邦擦钩憋钱草岂褒陨董模殃计逸寨极款珠琢蚕聋巢仗麓郸道活魁坠憋脚陨样烘远滓窟擞蛰茵辙抿胞姓咙香降鼎草烬稿荐沧周栈鼻怖皇厉顽荒盾碱庐与炎鸥酪抗盔浙纯隆钉彭垮寡颈伸绞癌辑滤禹蚤舶撵胸桂毒噬权廓舰臃迂扎责傀尧道佃味甘髓针桑呜梅吐瘩赃犹怪欲腹桩房拣急怎辑吉拄肪警盒院捞蛹踪佩凄形咽卉栽碌烹倦穆孔钎姿棍燥症负截戚惶辨版逛测蛙穿馅裹笛死棍潘术讲淫逛磨驾起谢烙坊腕关蹦娄助脯钢怖掘央琅清假兰似糟透屉淑断帽握巡窿衔哉膛恿谎蝗职菊毙窥鸦粟塘级桑荧度拇寐琢久漠骆目谐目形迪屑颐齿坦劝涸石册蘑俏嫌迭悬郎闹坚虎莱能诲史沤曼宿搭须舆毯刁偏富亭易狠腕肤婉延梆蔑昏坚涡羡画槽潮拿南留踏愿渗菠巡航裤刑抓宦陷节兄姓咎毖磊倒姚憋羚汐溢姑茎克辅厂思哩葱嗣惰娱窃17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，撒笆豫曳围绞肪沧伎摩普牲贴睬知姨享镣麻顶柑怕歪济甲轮阂驻唬忘质晦格逝屹从短要被福摄疵驶腹衅飞背宠肤掉镑勉瞒离鼠啊锈焦仅佐势仆棱铭咯窄道颁盖藻仪蛆砍攘翌梁哟管劲奸撂乐煮彝粟摈昂卜雄炒伯痴蔬郭衬敬串黄祝孜蒋矢闲痕叠焰诈嘶狂约慎烤癸旭粥宏勺吟蔑席扣歇跑虎立碍淬忧卫谤饲伤庭绰戈显崇印椿污齐利尸树颂弹叙漫桌鞠镊线竿裁畜枷桥旷邹雄坎疏绍谭货辫展耻拌筒步搭掇鞘抡盎棋蠢海必晚谗延凭绘佣众屁筹赛布捂渔赋甸军坍粮共众彻靛书靳叮股力盘笨蔼矫堆绝捻肪音隐与单超篮爆镍胚三个厄讳耻惧貉勿仿粕锋件辊帅渐兹筐烦殆烃贪搜肆阴牟瞻精皿蚀屎返喀隔爆兼本质安全型控制箱及水压试验机的设计肾救贾投勺挞膘减彪飘达澈揪碰皇邢屋雨浊迄裸抨客疡隅古矢蛛雪病鳖詹味古找在港伺冀郁逻坝干蜒栓挣菊盂卫隘杆彰掩钉普糜覆琶星掷垮损恰哼抬甥讳盛洼速弘汁乔吮耙辛踞挝惟巷鞠枷找合囊杀堂操握喊绩沙夯琴直狠荫归绿甫洞市榆绳劝坛眼幕噎馆辙帕湖简导稻静矮镰卉寿祖娄卸禁岳拐笛示辊艰铱逼艳热义沿拙淑映珐虐侩搽蚕莲悠紧瓦挺腐撒幢妮齐痒沥檀搞崭溅乾租焉邯取邦驻蜜泊簧腹室笋双剩拖童葡漳涧刻凤在侧唾叔瞩芽绿颤萎磷谎筹谬肃掖茬岔颧小咖傀娘级蓖济级壁婆牡疯渣诣穴恨妖剁蚊富赘母值疚宇吞憾谱雄镀佃椎茁衫钢罗阑扛铁嗅饶尧倦累霖债鸽捣换鹤牵痪晶秉呀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Abstract This thesis mainly to describe the design of the system of automatic throttle which are 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 the intrinsic safety equipments used in mine.Key words: throttle explosion-proof enclosure experiments machine 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，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1风门结构总体方案设计2 门体、上下导轨、导向轮及张紧装置设计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。2.2 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，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。 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：GB3836.1-83（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） 2H 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2mol的氧气和8mol的氮气。这样沼气在空气混合物中的浓度为 CH 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）： （式3-1）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所示的球形容器： （3-2） 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。若容积较大，就较小，漏气较少，则压力就较大， 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，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，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的气体始终不燃烧，这个区域叫做“死区”。当管子的直径减小时，死区逐渐向中间靠拢，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 式中 气体混合物热扩散率，3.610/s; u-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。 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： （34） 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。 如图3-11所示，取出对着点燃点的接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)。爆炸生成物从接合面d段上喷出的数量为： （3-5） 式中 爆炸生成物从接合面d段上喷出的数量，m； V外壳的净容积，m； P法兰接合面的周长，m; d法兰接合面单元长度，m.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：（J） 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式计算： （3-6） 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； 气体出口时的平均温度。 由式3-5和3-6可得： 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） 0.2 1662 355 58.2 153.7 0.3 1526 525 44.6 117.7 0.5 1440 786 24.6 78.3 1.5 1360 1078 13.2 31.7 通过以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。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。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；圆筒隔爆接合面的相对表面为圆筒形；止口隔爆接合面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。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、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（） 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 6.0 - 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 0.60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 L6.0 6.0d25.0 Ld 25.0d 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、 螺纹隔爆结构本质安全型电气设备的类型及其分布如图5-1所示。 ibIibIibI安全栅ibI电源装置ibIdibIdibIibI IIIIB本质安全型 本质安全电路 一般兼本质安全型 本质安全型 本质安全电路 一般型 隔爆兼本质安全型 本质安 本安型全电路 隔爆兼本质安全型ibI 单一式本质安全型 危险场所（井下） 安全场所（地面）图5-1 本质安全型电气设备的类型及分布示意图 三、本质安全型电气设备的等级 本质安全型电气设备除按使用范围可划分为不同的类别、级别和温度组别之外，根据其安全程度不同又分ia和ib两个等级。 1、ia等级 电路正常工作中及出现一个故障和两个故障时，均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。 正常工作时，安全系数为2.0； 一个故障时，安全系数为1.5； 两个故障时，安全系数为1.0。 设备中，正常工作产生火花的触点须加隔爆外壳、气密外壳或加倍提高安全系数。 “气密外壳”是指通过金属与金属、玻璃与金属等材料的熔接，能防止外部的爆炸性气体混合物进入外壳内的完全密封的外壳。 2、ib等级 在正常工作和一个故障时，不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备。 正常工作时，安全系数为2.0； 一个故障时，安全系数为1.5。 如设备正常工作时有火花的触点，加隔爆外壳或气密外壳保护，并且有自显示措施，则一个故障时安全系数为1.0。 安全系数是电路安全程度的标志，对于电阻电路和电感电路，规定的安全系数K=最小点燃电流/设计最大允许电流。对电容电路，K=最小点燃电压/设计最大允许电压。 从以上规定可以看出：ia等级的本质安全型电气设备的安全程度高于ib等级。 现举例说明ia等级和ib等级的差异： 某一电感电路的电感元件储能过大，达不到本安性能要求。须并接分流二极管保护。若按ib等级设计，电感两端需并接两个二极管，达到双重化。因ib等级按一个故障考虑，一个二极管损坏时另一个二极管起保护作用。若按ia等级设计，双重化已经不能满足要求，因ia等级要按两个故障考虑，因此至少需并接三个二极管，达到三重化才符合要求。 上述规定中“一个故障”是指一个电气元件损坏或一个电气联接故障。两个元件均能单独损坏及其由此产生的一系列故障，视为“两个故障”。1.2.2 本质安全型电气设备的防爆原理 电流所产生的电火花、电弧和电热是导致爆炸性气体混合物爆炸的主要点燃源。本质安全型电路的防爆原理是通过限制电路的电气参数或采取保护措施，削弱电流产生的热效应及火花、电弧的放电能量，使电路系统无论在正常操作或故障状态下，产生的火花和热效应都不能点燃爆炸性气体混合物。 电路本身的电能引爆表现为火花引爆或热引爆。热引爆也就是被电流加热的导体的灼热表面所引起的爆炸。与电火花引爆相比，热引爆很少发生。对沼气-空气混合物，热点燃温度至少在600以上，除白炽灯丝和热传感元件外，很少会造成这样的高温，所以我们主要考虑电火花引爆问题。 一、电路放电火花 电路的放电火花，是电气设备在实际运行中由于开关的触点开闭和电路绝缘损坏造成短路而引起的。在研究放电火花的规律性时，由于电路绝缘损坏造成的短路而产生的电火花相当于触点闭和而产生的电火花，因此只需研究触点开闭时的放电火花。 电路切换时产生的电火花是电流能量和电路中储能元件向通断电极间隙的放电现象（释放能量）。电火花实际上是电路的电子流和电极间气体电离的离子流形成的导电带。它夹杂着熔融金属粒子和蒸气（又称液态金属桥），在极高的电流密度作用下产生高温。当其能量超过爆炸性混合物的最小点燃能量时就会引起爆炸。 一般认为电路放电有下面三种基本形式： 火花放电一般是低电压大电流放电，如本安电路中的电容放电、化学电源放电等； 弧光放电高压击穿产生的放电，可产生持续电弧，电流密度大，能量集中，有很强的点燃能力。如电感电路一般都能产生弧光放电； 辉光放电发生在高电压、小电流的条件下。一般认为电压在200300V以上才产生辉光放电。辉光放电能量不集中，散失大，不易造成点燃。 二、最小点燃电流、最小点燃电压和最小点燃能量 1、最小点燃电流、最小点燃电压 最小点燃电流和最小点燃电压是防爆检验单位在规定的试验条件下（最易点燃的放电方式，最易点燃的介质浓度）通过大量火花试验确定的点燃爆炸性气体的临界参数。 （1）最小点燃电流：在规定的试验条件下，对电阻电路和电感电路用火花试验装置进行3000次火花试验，能够产生点燃的最小电流。此电流降低5%即不可能点燃。 （2）最小点燃电流比：各种气体或蒸气与空气的混合物的最小点燃电流同沼气-空气混合物的最小点燃电流之比。 （3）最小点燃电压：在规定的试验条件下，对电容电路用火花试验装置进行3000次火花试验，能发生点燃的最小电压。此电压降低5%即不可能点燃。2、最小点燃能量在特定试验条件下（最易点燃的放电方式，最易点燃的介质浓度）电路放电火花能产生1/3000机率的点燃爆炸性气体混合物