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防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能研究試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

文檔作者：張迎新，王新華，蔣漳河，柯研，常鎮(zhèn)江，劉云鶴，李世光文檔來源：廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年12月09日
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與開發(fā)
DOh 10．3969，j．issn．1009-9492．2013．08．022
防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能研究試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)水
張迎新，王新華，蔣漳河，柯研，常鎮(zhèn)江，劉云鶴，李世光
(廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院， 廣東廣州 510180)
摘要：為研究防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能的機(jī)理，提出防爆起重機(jī)輪軌防爆措施等問題，研制了一臺防爆起重機(jī)輪軌摩擦防
爆性能試驗(yàn)裝置。通過對裝置的需求分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、裝置密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及防爆學(xué)設(shè)計(jì)，研制了一臺試驗(yàn)裝置。結(jié)果表
明：該試驗(yàn)裝置能真實(shí)模擬防爆起重機(jī)運(yùn)行工況，滿足爆炸試驗(yàn)要求，為防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能機(jī)理研究打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：防爆起重機(jī)；輪軌摩擦；防爆性能研究；試驗(yàn)裝置
中圖分類號：TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009—9492(2013)08—0086—04
Expl0si0n—Pr00f Crane W heel-Rail Friction Expl0si0n—Pr00f Research
and Test Device Design and Development
ZHANG Ying-xin， WANG Xin—hua， JIANG Zhang—he， KE Yan， CHANG Zhen-jiang，
LIU Yun—he． LI Shi—guang
(Guangzhou Special Mechanical and Electrical Equipment Inspection Institute， Guangzhou510l8O，China)
Abstract： Wheel—rail friction explosion-proof performance study of explosion—proof crane mechanism， explosion—proof cranes
wheel—rail explosion-proof measures need to develop a proof crane wheel—rail friction explosion—。proof perform ance testing apparatus．
Through the device needs analysis， structural strength design， device sealing structure design and explosion design， a test device is
developed．The results show that the test device gives a true simulation of explosion—proof cranes operating conditions to meet the explosion
test requirements， and lay the foundation for the explosion-proof cranes wheel—rail friction mechanism of explosion—proof perform ance．
Key words：explosion-proof cranes；wheel—rail friction；explosion—proof perform ance；test device
0引言
防爆起重機(jī)作為特種設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于
石油、化工等燃爆性混合物場所。防爆起重機(jī)輪
軌裸露在空氣中，其在軌道上往復(fù)運(yùn)動非常頻
繁，易產(chǎn)生摩擦熱源，在充滿危險(xiǎn)性氣體的環(huán)境
中，這種熱源可能會產(chǎn)生爆炸，給企業(yè)生產(chǎn)安全
帶來潛在的危險(xiǎn)。研制一臺防爆起重機(jī)輪軌摩擦
防爆性能試驗(yàn)裝置，模擬防爆起重機(jī)運(yùn)行過程中
的摩擦火花，高溫表面的產(chǎn)生以及這些高溫?zé)嵩?
引燃爆炸的情況，研究防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆
性能。本文首先分析了輪軌摩擦熱源產(chǎn)生的工
況，然后對試驗(yàn)裝置總體功能和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)
計(jì)，同時(shí)，試驗(yàn)裝置對密封性及爆炸試驗(yàn)安全性
的要求也較高，因此，最后還對試驗(yàn)裝置密封結(jié)
構(gòu)、泄爆面積進(jìn)行設(shè)計(jì)I”。
國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號：
收稿日期：2013—04～26
圖l 防爆起重機(jī)輪軌
1防爆起重機(jī)輪軌摩擦熱源
防爆起重機(jī)在軌道上反復(fù)運(yùn)行，輪軌踏面之
間將不斷累積熱量，當(dāng)熱量累計(jì)到一定程度后，
這個(gè)熱源將成為潛在的危險(xiǎn)性。圖2所示為輪軌
踏面摩擦熱源。
201 1QK322)立項(xiàng)
匿 丑
張迎新等：防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能研究試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā) 研究與
q∽
／ 一 —、 ＼
／。 ＼
『 1『 1 『 1 r 1『 1 『 1
。L ： ，I
圖2 輪軌踏面熱源大小
由摩擦生熱公式得：q(x)= ) ，其中“是
摩擦系數(shù)，p∽ 是壓力大小， 是運(yùn)行速度。因
此，不難得出影響防爆起重機(jī)輪軌摩擦爆炸熱源
的因素有：防爆起重機(jī)的載重、輪軌運(yùn)行速度、
輪軌摩擦系數(shù)、輪軌踏面材料性質(zhì)及輪軌往復(fù)運(yùn)
行工況等 。
l
一
圖3 輪軌踏面接觸大小
2輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置總體分析
防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置主要
是模擬起重機(jī)輪軌運(yùn)行產(chǎn)生的熱源，以及爆炸的
情況。根據(jù)以上分析，熱源產(chǎn)生的影響因素有：
車輪載荷、運(yùn)行速度、運(yùn)行工況及輪軌踏面的材
料，因此，在進(jìn)行試驗(yàn)裝置研發(fā)的過程中，需要
控制這些因素。
對防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置進(jìn)
行總體分析：
(1)輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置主體設(shè)計(jì)：
主要設(shè)計(jì)控制影響熱源的因素，需要有加載機(jī)
構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)及易于更換輪軌踏面材料的的輪軌
結(jié)構(gòu)形式。
(2)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算：防爆試驗(yàn)裝置
箱體中充滿氣體后，箱體內(nèi)存在壓力，保證試驗(yàn)
裝置的密封性，需要對試驗(yàn)裝置的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行
設(shè)計(jì)及計(jì)算。
(3)爆炸泄壓設(shè)計(jì)：試驗(yàn)裝置需要進(jìn)行爆炸
試驗(yàn)，爆炸試驗(yàn)一般存在較大的爆炸沖擊及壓
力，需要對箱體進(jìn)行爆炸泄壓設(shè)計(jì)，保證試驗(yàn)箱
體不受爆炸的破壞。
3輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置需要
模擬防爆起重機(jī)輪軌在軌道上運(yùn)動的各種工況，
控制車輪載荷、運(yùn)行速度及更換輪軌踏面材料。
同時(shí)還需要模擬多種工況：啃軌、原地打滑、抱
死滑動、運(yùn)行沖擊模擬等?？熊壒r是指車輪側(cè)
緣和軌道側(cè)面生產(chǎn)摩擦的工況，該工況需要試驗(yàn)
裝置能提供一個(gè)橫向推力。
如圖4所示是輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置示
意圖，1是啃軌缸，2是軌道輪液壓馬達(dá)，3是箱
蓋密封裝置1，4是車輪液壓馬達(dá)，5是車輪加載
缸，6是觀測窗，7是箱蓋，8是爆炸泄壓口，9是
箱蓋密封裝置2?？熊壐捉o軌道輪提供側(cè)向推
力，模擬車輪啃軌工況。
9
圖4 輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置
由圖5所示，1是錐齒輪傳動，2是液壓加載
結(jié)構(gòu)，3是軌道輪結(jié)構(gòu)。車輪液壓馬達(dá)驅(qū)動車輪
運(yùn)動，同時(shí)，車輪驅(qū)動馬達(dá)需要隨著液壓缸同步
運(yùn)動，因此，需要和液壓缸安裝在同一側(cè)，所以
選擇錐齒輪傳動，錐齒輪的傳動比是1：l，輪軌相
對運(yùn)行速度的控制通過調(diào)節(jié)車輪液壓馬達(dá)及軌道
輪液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)；液壓缸加載缸加載車輪
與開發(fā)
3 2
圖5 防爆性能試驗(yàn)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
基座上模擬輪載，車輪基座有滑軌能隨液壓推桿
前后移動。圖6、圖7是易于更換輪軌踏面材料的
軌道輪結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)圖。軌道輪是防爆起重機(jī)輪
軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置的核心部件之一，軌道
輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到對軌道表面材料進(jìn)行更
換、模擬車輪在軌道運(yùn)動等情況。軌道輪由軌道
輪主體和軌道輪外包塊構(gòu)成，軌道輪外包塊由三
分塊拼接組成，易于更換其表面材料一 。
A-A
1．軌道輪外包塊2．螺栓3鼽道輪基體
圖6 軌道輪主體結(jié)構(gòu)示意圖
4輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于試驗(yàn)裝置需要充滿可燃性氣體，因此，
對試驗(yàn)裝置的密封性要求較高，對于試驗(yàn)裝置，
存在密封問題主要是箱體和箱蓋之間的密封，對
其進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此保證試驗(yàn)裝置的密封
性。
圖7 輪軌外包塊結(jié)構(gòu)圖
箱體和箱蓋之前主要是通過密封圈的形式進(jìn)
行密封的，由于密封圈過長，需要在箱體外側(cè)施
加壓力，保證密封圈的密封性。0性密封圈的直
徑為10 mm，需要較大的預(yù)壓力保證密封。箱體
外側(cè)的施加下壓力的大小通過機(jī)械密封機(jī)構(gòu)提
供，密封機(jī)構(gòu)1及密封機(jī)構(gòu)2均是使用液壓來實(shí)現(xiàn)
的，最大提供壓力能達(dá)到3 t，該力能使得密封圈
產(chǎn)生足夠的變形，滿足箱體和箱蓋之間的密封要
求l ，如圖8和圖9所示。
圖8 箱側(cè)密封機(jī)構(gòu)1
5輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置爆炸泄壓設(shè)計(jì)
爆炸泄壓是指可燃?xì)怏w／空氣混合物發(fā)生爆炸
的初始及發(fā)展階段，通過在包圍體上人為開設(shè)泄
壓口的方法，將高溫、高壓燃燒產(chǎn)物和未燃物料
朝安全方向泄放出去，使包圍體本身及周圍環(huán)境
免遭破壞的一種爆炸防護(hù)措施。爆炸泄壓技術(shù)
措施因成本低和易于實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)而得到廣
泛應(yīng)用。本試驗(yàn)裝置涉及到爆炸，為節(jié)約成
本，便于操作，該試驗(yàn)裝置采用泄爆的方式來
釋放爆炸壓力。
5．1泄爆設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
泄爆設(shè)計(jì)最重要的是泄爆面積的計(jì)算，泄爆
張迎新等：防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能研究試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā) 研究與
面積的大小與混合物爆炸指數(shù) 一泄爆壓力、
泄壓口開啟壓力三個(gè)參數(shù)有關(guān)。爆炸指數(shù) 是
表征可燃?xì)怏w混合物爆炸猛烈程度的重要參
數(shù)，瓦． 值越大，表明爆炸越猛烈，泄爆面積要
求越大。泄爆壓力是指在泄爆過程中，包圍體
內(nèi)能承受的爆炸壓力的大小。泄壓口開啟壓力
越低，泄爆裝置動作越早。因此，當(dāng)泄壓面
積一定時(shí)，低開啟壓力下泄爆壓力相對較?。?
當(dāng)泄爆壓力一定時(shí)，則低開啟壓力下所需泄壓
面積較小。
圖9 箱側(cè)密封機(jī)構(gòu)2
5．2輪軌摩擦防爆性能試驗(yàn)裝置爆炸泄壓設(shè)計(jì)
試驗(yàn)裝置的爆炸試驗(yàn)屬于氣體爆炸試驗(yàn)，因
此，選擇開啟壓力諾模圖作為設(shè)計(jì)計(jì)算參考依
據(jù)。該諾模圖適合甲烷、丙烷、焦?fàn)t煤氣、氫氣
等氣體的泄爆口設(shè)計(jì)。在爆炸試驗(yàn)中，選擇使用
丙烷氣體，因此以下針對丙烷氣體進(jìn)行泄爆口設(shè)
計(jì)。
試驗(yàn)裝置箱體的容積： =2 m ，試驗(yàn)裝置
采用高強(qiáng)度鋼， 其最大泄爆壓力可達(dá)到
P =0．20MPa，泄爆口開啟壓力存在三種情況：
P 1=O．O1 MPa ， P 2=O．02MPa ， P 3=
0．05 MPa。據(jù)此根據(jù)甲烷泄爆諾模圖嘲，可以查
得：
P =0．O1 MPa， S 1：O．1 m ；
P 2=0．02MPa， S 2=O．14m ；
尸 3=0．05MPa， S 3=0．18m 。
為保證泄爆安全，試驗(yàn)裝置選擇泄爆面積大
小為S =0．18m 。
6結(jié)論
研制了一臺防爆起重機(jī)輪軌摩擦防爆性能試
驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)結(jié)果表明：該試驗(yàn)裝置驅(qū)動方式、
加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能滿足模擬防爆起重機(jī)輪軌
運(yùn)行各種工況的要求；試驗(yàn)裝置的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
滿足試驗(yàn)裝置對密封性能的要求；該試驗(yàn)裝置通
過泄爆的方式排放壓力，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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[6]王麗瓊．防火防爆技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：北京理工大
學(xué)出版社，2009．
第一作者簡介：張迎新，男，1971年生，四川資中人，博
士，高級工程師。研究領(lǐng)域：電氣防爆與非電氣防爆技
術(shù)。
(編輯：向飛)

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