防爆开关的工作环境，例如用于煤矿的防爆开关是工作在含有大量甲烷的空气混合气体中，当甲烷含量达到5%-16%时遇700℃的火源将发生，当甲烷含量在9.5%时力最大达7.4大气压，因此壳体设计就以技术条件所要求的8kg/cm3内压为依据，分析壳体受力情况和强度。

2 壳体设计理论依据

在压力容器设计中，容器在工作失效时所表现的强度性能、刚度性能、稳定性能的三种形式中，最重要的是强度问题，即在一定的压力下容器不会发生破裂或过量的塑性变形。

常用防爆壳体外径为600mm左右，壁厚为36mm，在工业设计计算压力容器中属于薄壁容器。

2.1 容器在内压下的受力分析

如图1中所示:σ_m—轴向应力;σ_Q—切向应力;σ_r—径向应力。

因为在薄壁容器中σ_r相对于σ_m、σ_Q较小，故可忽略。

轴向应力（σ_m）计算：π（Dn+Dw）/2×tσ_rm=(πD²_m)/4×P

式中Dn—容器内径;Dw—容器外径;P—容器所承受的内压力;t—容器壁厚。因为薄壁容器中Dn、Dw相差不大，可用平均值D代替，所以上式简化为

πDtσ_m=(πD²)/4×P得σ_m=PD/4t             (1)

切向应力(σ_Q)计算：

如图1中所示：PsinQdQ·D/2·L=σ_Q2Lt

σ_Q=(PDL·4σ_QL)∫^π₀sinQdQ

得：σ_Q=PD/2t                             (2)

图1 圆筒形容器受力分析

2.2 强度计算

强度理论又称为“失效准则”或“失效判据”。

由式 ( 2) 再考虑焊缝减弱及附加量等因素，可

得:

圆柱壳体   t≥(PDm/2[σ]φ－p)+C          (3)

椭球封头   t≥(PDm/2[σ]φ－p)·K+C       (4)

式中:P—设计压力，kg/cm²;[σ]—材料在设计温度下的许用应力;φ—焊缝系数或应力折减系数（＜1）;C—壁厚附加量cm;K—椭球封头形状系数，见图(2)

K=1/6[2+(D_m/2h_m)²]

图2 椭球封头

2.3 安全系数与许用应力的确定

2.3.1 安全系数

对于炭钢:材料断裂安全系数nb=3.0 ;材料屈服极限的安全系数nb=1. 65

2.3.2 许用应力的确定:

基本许用应力: [σ]_g=σ_b/n_b、或[σ]_g=σ_b/n_b

设计许用应力: [σ]=Y[σ]g，其中y为毛坯质量系数，钢板的毛坯质量系数为1。

2.4 强度设计中的相关问题

2.4. 1 最高工作压力与设计压力。设计压力应为最高工作压力的1.1-1.25倍。作为防爆开关外壳，防爆规程规定设计压力为1.5倍工作压力。

2.4.2 焊缝系数。焊缝系数φ是考虑焊接对容器强度的削弱，用以降低设计许用应力的一个系数，φ的

大小取决于焊缝坡口形式，焊接方法，焊接工艺及焊

接检验探伤严格性，对于双面焊的对接焊缝，又经水

压试验φ=O.8。

2.4.3 壁厚附加量。壁厚附加量C=C₁+C₂+C₃

C₁为钢板的负公差，依据板厚、取值在0.2-0.5mm;C₂为加工中的工艺减薄量，因为防焊壳体

为冷卷，冷校，故C_l=O;C₃为腐蚀裕量，因为壳体不装腐蚀物体，故C₃=0。

3 防爆开关壳体设计归纳

如前所述，薄壁容器的壁厚可由(3).(4)式得出:

因为一般壳体封头中Dn/2hn接近于2,K 接近1，所以(3),(4)式可归纳为一式

t≥[PDn/(2[σ]φ－P)]+C

根据防爆壳体的基本特点(φ=0.8—0.9,C可取0.2—0.5mm，这样得:

t≥[PDn/(1．6[σ]－P)]+0．4

又对A3钢板[σ]可取1450kg/cm²;对矿用防爆开关P=1.5×力，即P=12kg/cm².

则t≥(12Dn/2308)+0．4=(Dn/192)+0．4          (5)

因此可将(5)式做为设计防爆壳体壁厚的参考公式，该式已在多项设计中得到了验证。