一种矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子的结构分析开题报告.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：解彪龙学 号：0802014220学 院、系：机械工程与自动化学院专 业：机械设计制造及其自动化设 计 题 目：一种矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子的结构分析指导教师:张启升 2012 年 3 月 5 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 防爆技术的应用与意义随着我国工业的发展，特别是石化、冶金、煤矿工业的发展。对隔爆型电柜1的设计及制造技术的要求越来越高。国内国外的企业政府对此都非常重视，因为它涉及到了工人的生命安全，一旦发生爆炸，后果不堪设想。同时，由于隔爆技术的广泛应用，它的发展也得到了很大的提高。隔爆型防爆电气设备主要是通过隔爆外壳来达到防爆目的。隔爆外壳既要承受爆炸性气体混合物所产生的压力不被损坏，还要防止火焰沿隔爆外壳结合面传播至周围爆炸性气体环境。隔爆型电气设备具有良好的隔爆和耐爆性能，被广泛的应用于煤矿井下等爆炸性环境场所。隔爆型电气设备的标志为d，为了实现隔爆外壳耐爆和隔爆性能，对隔爆外壳的形状、材质、容积，结构等均有特殊的要求。变频器的外壳的各隔爆结合面，间隙、长度、表面粗糙度的设计应严格按照GB 3836.22010的相关规定进行；隔爆外壳应能承受GB 3836.220103规定的相关实验；变频器外壳不应有尖锐的棱角。外边应涂有能耐受煤矿井下温度与湿度的CO4-42醇酸磁漆。里边应涂有1321耐弧漆，且漆层表面美观，附着牢固。变频器所选用的原材料，标准紧固件，外购元器件应符合国家有关标准和行业标准的规定。变频器的观察窗应符合GB 3836.22010的规定。透明件应有抗冲压性能，能承受GB 3836.120104规定的冲击能量的冲击，观察窗透明件应具有抗温度急剧变化的能力，应符GB 3836.12010的热巨变规定。变频器应设有专门的内接地螺栓，所有螺栓螺母都具有自动放松措施。1.2变频器的工作原理 变频器是利用变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交电、电变成电压、频率都可调的交流电源2。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机5。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。变频器可分为通用型和专用型，一般的机械负载和要求高过载情况，选择通用型变频器。专用型变频器又可分为风泵专用型、电梯专用型、张力控制专用型等。根据自身应用环境加以选择。交直交变频器主回路图1.3 防爆柜设计时应注意的问题 a 变频器的环境6温度：变频器环境温度为-10度-50度，一定要考虑通风散热。湿度：震动：气体：有无暴炸，腐蚀性气体b 柜体承载重量。c 运输方便性。加装吊装挂钩。d 搬运安全。e 柜体的铭牌。f 制造商的CI标识。结论：一个质量较高的变频控制柜，从设计，工艺，制作制造，运输，包装，是实际要求较高的产品。1.4 变频柜体设计的技术要求1.4.1投标产品（包括所选用的器件）必须符合中国电工产品认证委员会的安全认证要求，其电气设备上应带有安全认证保证；必须符合国家现行技术标准的规定12，并应提供合格证书等。1.4.2柜内主要器件采用ABB7或者施耐得产品（具体见元器件的技术要求）。1.4.3本次投标产品所选用的元器件必须保证是正品、新品。每天工作时间是24h，全年连续工作。1.4.4箱体（柜体）的钢板厚度不应小于2.0mm的冷轧板；箱体的尺寸要求180（高）*75（宽）*65（厚），尽可能要求规格尺寸设计，若该尺寸不满足设计要求，柜体的尺寸可以相应的改动，并报出箱体的实际尺寸，但安装的固定支架必须严格安装提供的尺寸设计，并提供安装示意图。1.4.5箱体采用喷塑，箱体颜色采用银白色，采用相应的防腐蚀措施。1.4.6变频控制柜必须有铭牌。1.4.7变频控制柜的内部布置结构必须严格按系统图，国家标准以及地方规范执行；内部接线应排列整齐，清晰和美观，绑扎成束或敷于专用塑料槽内卡在安装架上；配线应考虑足够的余量。所选用的导线、尼龙扎带塑料线槽等都为阻燃性。1.4.8电箱柜门内侧必须贴有电气系统图，采用透明胶布防水密封。1.4.9中性线母排和接地母排的电流容量必须经过计算并且足够大；箱内电器元件的上方必须标有元件符号，各电路的导线端头也应标志相应的文字符号。1.5三维实体建模 典型的实体模型是由体、面、线、点组成。体是由面围成，用来描述实体物体。现在市场上的三维软件比较多，功能也很强大，比如SOLIDWORKS,UG,PRO/E等。我这次只要用SOLIDWORKS来建变频柜的三维模型，直接通过SOLIDWORKS里的Simulation分析软件里进行结构分析，然后进行优化设计8。1.6焊接技术 焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。焊接过程中，工件和焊料融化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源由很多种，包括气体焰，电弧，激光，电子束，摩擦和超声波等。在防爆11电频柜的设计中要用到焊接技术，并且对焊接的质量要求很高。由于变频柜是由钢板折叠而成的，所以要用的焊接主要是钢板之间缝隙的焊接。1.7有限元分析与Simulation在隔爆柜结构分析中的应用1.7.1有限元分析19时一种模拟在确定的载荷条件下的设计相应的方法。用称之为“单元”的离散体模拟设计。结构分析有限元法是1950年至1960年期间，由学术界和工业界的研究人员建立起来的。1.7.2 Simulation是一个完整的有限元分析软件包，适合于世界范围各工程领域的工程师们使用： a 结构分析20 b 热分析 c 流体分析 d 电/静电场分析 e 电磁场分析1.7.3 Simulation有限元模型建立的典型步骤： a 确定分析方案。在进入Simulation之前首先确定分析目标，决定模型采用什么样的基本形式，选择合适的单元类型，并考虑如何建立适当的网格密度。 b 进入前处理（PREPT7），建立工作平面，激活适当的坐标系，利用几何元素和布尔运算操作生成基本的几何形状。 c 用自底向上的方法生成实体，即先定义关键点，然后再生成线，面和体。用布尔运算或编号控制将各个独立的实体模型适当的连接在一起。 d 生成单元属性表（单元类型、实常数、材料属性和单元坐标系），设置单元属性编号。 e 设置网格划分控制，以建立想要的网格密度，通过对实体模型划分网格来生成节点和单元。 f 在生成节点和单元之后，再定义面对面的接触单元、自由度耦合及约束方程等。 g 把模型数据存. h 推出前处理。1.7.4 Simulation对防爆柜的结构分析柜体是电器，电子设备的基础结构。在煤矿中，爆炸引起的振动，冲击是导致电子设备失效的重要原因，所以防爆变频柜的结构设计合理性就相当重要。而Simulation是模拟检验设计合理性最好软件，它可以模拟在外界爆炸力的作用下变频柜发生的最大变形和破坏。1.8防爆变频柜的技术现状以及市场前景目前，生产变频柜的厂家有很多。例如：北京鼎盛恒巨自动化技术有限公司生产的变频柜就不错，上海凯威电气设备有限公司，北京宇恒恒业电气自动控制有限公司。南阳凯达防爆电机电器有限公司位于我国防爆电气技术科研生产基地-河南南阳，专业从事防爆电机、防爆电器科研、开发和生产。公司依托南阳防爆行业的资源优势，集全国知名防爆电机电气专家技术实力于一身，开发生产各种防爆电机、防爆电器、防爆仪表、防爆电气控制柜及其他防爆电气设备，同时承接各类防爆电器设备及成套系统的设计开发和横向技术合作。 通过市场调研发现，在国内市场上做防爆变频柜的有不少厂家，但是真正专业做变频柜的并不多。由于国家对煤矿安全的标准要求越来越高，防爆变频柜的市场前景非常好。 参考文献：1 W.I. Winner et. The Role of Concurrent Engineering in Weapons System Acquisition. IDA Repot R-338. AD-A203/615,Dec,1988.2 胡谦.变频器的控制原理和方式M.科技咨询导报，2007,06（b）：0071-01.3 GB 3836.2-2010.爆炸性气体环境用电气设备第二部分.4 GB 3836.1-2010.爆炸性气体环境用电气设备第一部分.5 陈世坤.电子设计M.北京：机械工业出版社.2000.6 路延清，颜肖龙，张卫芬.基于有限元的电子机柜插箱的结构优化设计M.东南大学，2006,04:0025-03.7 赵玫.船用电子机柜的可靠性设计J.机电设备，1999,03:6-10.8 王红芳.船用电子机柜的优化设计及其动态特性J.上海交通大学学报，2001,35（12）：1858-1860.9 邱成悌，李刚.电子设备造型与结构设计M.东南大学出版社，2001.10 丁杰，荣智林.基于Solidworks的变流器柜体的结构分析J.变流技术与电力索引，2008，02:0027-05.11 彭红玲，邓永林，周伟峰.隔爆型变频调速器关键技术设计要点J.电气防爆2011,04:0038-03.12 煤矿安全规程M.北京：煤炭工业出版社，2001，10.13 吴宗泽.机械零件设计手册M.北京：机械工业出版社，2004.14 吴宗泽.机械设计使用手册M.北京：化学工业出版社，2003.15 Gabriel R. Field-oriented Control of a Standard AC Motor Using MicroProcessorJ.IEEE.Tans.Ind.1980,IA-16(4):186-192.16 R.D.Lorenz,Tuning of field-oriented Induction Motor Controllers forHigh-performance ApplicationsJIEEE Trans.ind.Aplicat,vol.IA-22,pp.293-297,Mar/Apr.1986.17 L.Zhang,C.Wathanasarn,F.Hardan,An Efficient Microprocessor Based PuLse Field Orientated Control of Three Phase AC-motorsJ.Texas Instruments,1997.18 Trzynadlowsik A.M.,Legowski S.,Minimum-Loss Vector PWM Strategy forThree Phase InvertersJ.IEEE Transactions on Power Electronics,Vol:9,Issuel,1994:26-34.19 程雷，陈强.基于有限元的结构可靠性研究J.中国科技论文在线，2007,04.20 赵韩.基于有限元的汽车结构轻量化设计J.农业机械学报，2005,36（5）：12-15. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 本课题要研究的问题2.1.1、查阅技术文献，了解有关变频器的工作原理、国内外研究现状、大功率变频器的优越性；2.1.2、了解煤矿、石油、化工生产环境中对电气元件的特殊要求特性，学会如何设计防爆、隔爆柜子方法。2.1.3、了解对安全性要求很高的场合尤其是以及矿用机械设计注意事项和特殊要求;2.1.4、对煤安标准有一定了解，能运用三维设计软件CAD模块；2.1.5、了解焊接件加工制造过程，对隔爆面的特殊加工特性有所了解；2.1.6、根据材料力学知识对板类零件进行尺寸确定和强度校核；2.1.7、了解Simulation软件会运用该软件进行结构分析；2.1.8、能够根据工程图绘制出零件的三维模型，并用有限元软件完成辅助分析；2.2 拟采用的研究手段 2.2.1 通过中北大学图书馆搜集资料。对以上需要研究的问题进行详细查询了解。 2.2.2 通过Solidworks三维软件按照煤安标准进行建模。 a 通过钣金功能先对箱体进行外壳设计。 b 对箱体内各零件进行建模 c 通过装配体进行装配，焊接。 2.2.3 用Simulation软件对上述模型进行结构分析 a 几何建模 将前面建起的模型导入到Simulation里。然后改善模型的细节，目的是充分模拟结构的刚度，增加细节，避免应力奇异；除去不感兴趣的细节；增加细节改善边界条件。 b 网络化 单元类型 材料特性（至少需要杨氏弹性模量，EX；在有限设置中设置structural） 实常数（主要是壳和线单元需要） c 定义载荷 自由度约束模型在这一范围的位移式确定的 集中力外力可以是节点载荷 压力表面上压力已知 均匀温度根据参考温度产生热应变体力而施加的温度 重力按惯性边界条件施加加速度 d 观察结果 变形画变形图应力画应力等值图线支反力每个方向上的反力必须与加在该方向上的载荷平衡 e 检查结果 有必要通过判断检查来确信结果可用 有限元结果与手工结果是否一致 位移解是否正确 最大应力在哪里 应力是否超出弹性范围 网络精度是否足够 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 解彪龙同学所做的毕业设计题目是一种矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子的结构设计。该同学接到此题目后，查阅了相关资料，对所研究的内容有了较好的理解，撰写的开题报告较清楚。文中对于所要研究的手段也做了较为详细的分析。文献综述内容较翔实，研究方法基本清晰，但条理性不强，理论不深，希望进一步努力，做出一份较好的论文来。 本课题作为本科生的毕业设计具有一定的研究价值，具有一定的可行性。 同意开题。 指导教师： 年 月 日所在系审查意见： 系主任： 年 月 日