關于玻璃透明件抗沖擊試驗方法及影響因素

外殼抗沖擊試驗是GB3836.1-2010《爆炸性環境第1部分:設備通用要求》中規定進行的型式試驗,屬于專用防爆型式相關的試驗,其結果的好壞直接影響到防爆性能的好壞。
1 外殼抗沖擊試驗方法研究
1.1 外殼抗沖擊試驗裝置
抗沖擊試驗是指設備應承受直徑為25mm的半球形且質量為1kg的淬火鋼制沖頭從指定高度h落下所產生的沖擊能量。沖擊試驗點選擇通常被認為樣品受沖擊最薄弱的點,且處于承受沖擊部位的外側。被試電氣設備或部件固定在最少20kg的鋼制基座上,沖擊方向應垂直于被試設備平面或沖擊點所接觸的切面。

1.2 試驗要求
試驗前應檢查沖頭端部的表面,不得有任何損傷。試驗時,將沖頭從按嚴酷等級要求的高度沿法線方向自由落至被試件的最薄弱處。試驗應在裝配完好和準備投入使用的電氣設備上使用,若無法直接試驗,可將其部件裝于本身或類似的支架上進行試驗,例如透明件部件。如提供文件有適當理由,可允許試驗在空外殼上進行。
對于金屬外殼、輕金屬外殼和透明件等的抗沖擊試驗一般應在環境溫度為(20±5)℃條件下進行,但根據材料特性其在指定環境溫度范圍內下限溫度下可使抗沖擊性能降低時,應選擇在下限溫度進行試驗。對于非金屬外殼或外殼的非金屬部件(包括I類、II類和III類電氣設備),試驗應在上限溫度和下限溫度條件下進行。
對于玻璃透明件的抗沖擊試驗,應選擇三只樣品,每只樣品分別進行一次試驗。對于其他樣品,應采用至少兩只樣品進行試驗,且每只樣品分別在兩個不同部位各進行一次試驗。其中非金屬外殼的抗沖擊試驗,應選擇兩只樣品,分別放入高于標準規定高溫10~15℃,低于標準規定低溫5~10℃的高低溫試驗箱中,等待試驗溫度達到穩定后,取出樣品并立即進行抗沖擊試驗。
1.3 合格判據
外殼抗沖擊試驗完成后,判斷試品是否合格,合格判據如下:
(1)外殼沖擊試驗產生的損傷不應使設備的電氣防爆型式失效,但設備外殼輕微的損壞、表面涂漆的脫落、散熱片或其他類似元件的破裂和輕微凹陷可忽略;
(2)鋼化玻璃及網罩在試驗后不應有破裂,變形等現象的發生;
(3)外風扇的保護罩、通風孔擋板和電纜引入裝置經過抗沖擊試驗后,不得出現位移或變形,不應與活動部件相互碰撞或摩擦。
2 外殼抗沖擊影響因素分析
2.1 設備材料類別
對于外殼、外殼的金屬和非金屬部件,按照防爆型式試驗的要求,首先應進行抗沖擊試驗,且抗沖擊試驗產生的損傷不應使電氣設備防爆型式失效。對于不同的設備材料類別,對材料特性的要求也不同。以下對每種不同材料的外殼進行抗沖擊試驗結果的影響分析如下:
1)金屬外殼
防爆電氣設備的金屬外殼材料主要有鑄鐵、輕合金,以及其他金屬。對于金屬外殼,對抗沖擊試驗結果因素的影響,主要涉及金屬外殼材料、厚度、外殼結構和加強筋等。
輕合金、鑄鐵外殼的鈦、鎂含量和抗拉強度應首先符合GB3836.1-2010中第8章的規定,輕合金材質的含鎂量需不大于0.5%(重量比),且輕合金外殼按GB/T13813-2008規定的磨擦火花試驗方法考核合格。如I類手持式或支架式電鉆(及其附帶的插接裝置)、攜帶式儀器儀表、燈具的外殼等,均采用抗拉強度不低于120MPa的輕合金制成。其他金屬制成的外殼,其厚度Ⅰ類不大于3mm,Ⅱ類不大于1mm。如不銹鋼外殼等。
通常金屬外殼結構分為三種:外殼外側為矩形或圓筒形;外殼外側為矩形或圓筒形,內側有加強筋;外殼外側有凸起的筋或緩沖結構。外殼外側的加強筯或緩沖結構高度通常不小于2mm,間距不超過25mm。
2)非金屬外殼及部件
外殼容積小于2000cm2時,其材料可選擇采用非金屬材料,但禁止直接在非金屬外殼上采用緊固用螺紋(出線口除外)。電氣設備的外殼或外殼部件為非金屬材料時,沖擊點應選擇在外露的外殼部位,如果非金屬外殼有保護外殼,只對保護外殼做抗沖擊試驗。并規定試驗應在上限溫度和下限溫度下進行,如塑料外殼、旋轉電機的塑料風罩和通風孔擋板等。現有的其他非金屬材料有D545不飽和聚酯玻璃纖維增強模塑料和4330酚醛玻璃纖維模塑料等。
3)透明件
透明件可采用玻璃或其他物理化學特性穩定,并且能夠有效承受電氣設備額定條件下最高溫度的材質制成。例如:鋼化玻璃、聚碳酸脂。透明件包括無保護網的透明件和由網孔為625mm2~2500mm2的保護網保護的透明件,如觀察窗、燈具的透明罩和塑料透明件等。另外,玻璃透明件必須達到10mm的厚度。
4)保護網罩及電纜引入裝置等
保護網或保護罩由鋼板(鑄鋼)制成的保護罩,其網孔應小于2500mm2,以保證其質量的可靠安全性。風扇、風扇罩和通風孔擋板應有足夠的機械強度,并保證可靠固定。另外,引入裝置采用鑄鐵或高強度的塑料材料制成,均需通過抗沖擊試驗。如隔爆外殼的電纜引入裝置、防爆燈具保護罩及電纜引入裝置、防爆攝像儀保護罩和風扇保護罩等。另外,隔爆外殼用呼吸裝置和排水裝置及其護罩也應通過抗沖擊試驗。
2.2試驗溫度
對于金屬外殼、輕金屬外殼和透明件材料等的沖擊試驗應在環境溫度(20±5)℃下進行。對于非金屬外殼試品,外殼抗沖擊試驗應分別在上限和下限溫度下進行。電氣設備在額定條件下測定的溫度即工作溫度,對于上限溫度,最高工作溫度提高10K~15K;對于下限溫度,最低工作溫度降低5K~10K。
2.3嚴酷等級
針對不同的設備類型和機械危險程度,對試驗嚴酷等級的要求也不同。外殼抗沖擊試驗的嚴酷等級是按照沖擊高度劃分

2.4 試件的安裝
對于金屬與非金屬外殼,應固定在鋼制基座上,盡量使被試表面保持水平。
對于透明件,應在一個安全裝配好的并可投入使用的電氣設備上進行試驗,如有保護網的透明件可以去掉保護網。當樣品整體沖擊有難度時,可將透明件裝在類似樣品底座的部件上進行。透明件的安裝應采取預防措施不會產生不適當的內部機械應力,如在透明件和工裝之間加裝紫銅墊,或者采用框架式結構。
對于保護網罩、電纜引入裝置,應在裝配完好的電氣設備上進行試驗。電纜引入裝置安裝規定的最小直徑電纜,試驗時電纜引入裝置安裝固定在硬鋼板或按制造廠規定卡牢,每個密封圈安裝在一個清潔、干燥、且制造廠規定允許的最小直徑的樣品上,電纜引入裝置與電纜共同安裝在密封的外殼上。對于螺紋固定的電纜引入裝置采用1.5倍拉力試驗的壓緊力矩擰緊螺母。
2.5 沖擊點的選取
沖擊點應選擇在樣品最薄弱的部位,樣品安裝在鋼制基座上,如被試樣品表面為平面時,沖擊方向采用垂直于平面,如被試樣品表面非平面時,沖擊方向采用垂直于沖擊點的切平面。以下為薄弱點的選取方法:
對于透明件:(1)檢查透明件外觀質量,若表面有劃痕、炸口、深爆邊等缺陷,則該處為應力集中點,即為最薄弱點;(2)檢查透明件內部質量,若內部存在雜質,氣泡等,則該處為應力集中點,即為最薄弱點;(3)若透明件外觀平整無破損,內部無雜質存在,則選擇透明件四周及邊角處為薄弱點。
對于塑料外殼:(1)檢查塑料外殼外觀質量,若表面存在裂紋,劃痕,則選擇該點為最薄弱點;(2)若表面完好,對于平面材料則選擇塑料外殼中心,無支撐梁處為最薄弱點進行試驗;對于彎曲材料,選擇外殼的四周作為薄弱點進行試驗。
對于輕金屬、鑄鐵外殼:(1)檢查輕金屬、鑄鐵外殼外觀質量,若表面存在裂紋、劃痕,則選擇該點為最薄弱點;(2)選擇外殼焊接處為最薄弱點進行試驗;(3)若外殼表面完好且無焊接處,則根據外殼結構不同分別選取最薄弱點,對于矩形隔爆外殼,選擇輕合金、鑄鐵外殼的中心無加強筋處,加強筋所圍區域的中間或加強筋相交的節點為最薄弱點進行試驗;對于圓筒形隔爆外殼,選擇接近法蘭面處作為薄弱點進行試驗;對于有凸起的筋或緩沖結構的外殼,選擇凸起的筋或緩沖結構高度相對比較矮的部位作為薄弱點進行試驗。
對于保護網罩及引入裝置:
保護網罩選擇外側,距離活動部件最近的部位作為沖擊點進行試驗;引入裝置可選取壓盤、壓緊螺母、聯通節或喇叭嘴最頂端處作為沖擊點進行試驗。
3 試驗案例分析
由于玻璃透明件在防爆電氣設備中應用范圍較廣,本文選用玻璃透明件做抗沖擊試驗具有代表性,其中采用內部和外部無瑕疵的鋼化玻璃和普通玻璃做對比,考慮不同試驗因素對試驗結果的影響。

造成玻璃透明件損壞的因素有以下幾點:
1、沖擊點的選取影響試驗結果,如選取透明件的四周及邊角處為最薄弱點;
2、玻璃透明件的材質影響試驗結果,如玻璃透明件的材質配方不當、鋼化玻璃處理工藝不高、玻璃透明件厚度不夠等;
3、透明件的固定方式影響試驗結果,如透明件未按實際應用的安裝方式固定、選用的膠粘或襯墊選材不當,沒有彈性等。
4 結論
通過以上對防爆電氣設備外殼抗沖擊試驗方法的研究,以及對試驗影響因素的分析,有助于檢驗人員對標準的理解,提升檢驗效率,提高試驗結果的準確度。同時有助于生產企業對防爆標準的理解,只有嚴格按照標準生產和試驗,才能保證試驗結果的準確和產品質量的完好。

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