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防爆起重機輪軌摩擦防爆性能研究試驗裝置設計與開發(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：廣州市特種機電設備檢測研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月09日
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與開發(fā)
DOh 10．3969，j．issn．1009-9492．2013．08．022
防爆起重機輪軌摩擦防爆性能研究試驗裝置設計與開發(fā)水
張迎新，王新華，蔣漳河，柯研，常鎮(zhèn)江，劉云鶴，李世光
(廣州市特種機電設備檢測研究院， 廣東廣州 510180)
摘要：為研究防爆起重機輪軌摩擦防爆性能的機理，提出防爆起重機輪軌防爆措施等問題，研制了一臺防爆起重機輪軌摩擦防
爆性能試驗裝置。通過對裝置的需求分析、結構強度設計、裝置密封結構設計及防爆學設計，研制了一臺試驗裝置。結果表
明：該試驗裝置能真實模擬防爆起重機運行工況，滿足爆炸試驗要求，為防爆起重機輪軌摩擦防爆性能機理研究打下基礎。
關鍵詞：防爆起重機；輪軌摩擦；防爆性能研究；試驗裝置
中圖分類號：TH218 文獻標識碼：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
防爆起重機作為特種設備，已被廣泛應用于
石油、化工等燃爆性混合物場所。防爆起重機輪
軌裸露在空氣中，其在軌道上往復運動非常頻
繁，易產(chǎn)生摩擦熱源，在充滿危險性氣體的環(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。研制一臺防爆起重機輪軌摩擦
防爆性能試驗裝置，模擬防爆起重機運行過程中
的摩擦火花，高溫表面的產(chǎn)生以及這些高溫熱源
引燃爆炸的情況，研究防爆起重機輪軌摩擦防爆
性能。本文首先分析了輪軌摩擦熱源產(chǎn)生的工
況，然后對試驗裝置總體功能和主體結構進行設
計，同時，試驗裝置對密封性及爆炸試驗安全性
的要求也較高，因此，最后還對試驗裝置密封結
構、泄爆面積進行設計I”。
國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(編號：
收稿日期：2013—04～26
圖l 防爆起重機輪軌
1防爆起重機輪軌摩擦熱源
防爆起重機在軌道上反復運行，輪軌踏面之
間將不斷累積熱量，當熱量累計到一定程度后，
這個熱源將成為潛在的危險性。圖2所示為輪軌
踏面摩擦熱源。
201 1QK322)立項
匿 丑
張迎新等：防爆起重機輪軌摩擦防爆性能研究試驗裝置設計與開發(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， 是運行速度。因
此，不難得出影響防爆起重機輪軌摩擦爆炸熱源
的因素有：防爆起重機的載重、輪軌運行速度、
輪軌摩擦系數(shù)、輪軌踏面材料性質(zhì)及輪軌往復運
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裝置總體分析
防爆起重機輪軌摩擦防爆性能試驗裝置主要
是模擬起重機輪軌運行產(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、運行速度、運行工況及輪軌踏面的材
料，因此，在進行試驗裝置研發(fā)的過程中，需要
控制這些因素。
對防爆起重機輪軌摩擦防爆性能試驗裝置進
行總體分析：
(1)輪軌摩擦防爆性能試驗裝置主體設計：
主要設計控制影響熱源的因素，需要有加載機
構、驅動機構及易于更換輪軌踏面材料的的輪軌
結構形式。
(2)密封結構的設計及計算：防爆試驗裝置
箱體中充滿氣體后，箱體內(nèi)存在壓力，保證試驗
裝置的密封性，需要對試驗裝置的密封結構進行
設計及計算。
(3)爆炸泄壓設計：試驗裝置需要進行爆炸
試驗，爆炸試驗一般存在較大的爆炸沖擊及壓
力，需要對箱體進行爆炸泄壓設計，保證試驗箱
體不受爆炸的破壞。
3輪軌摩擦防爆性能試驗裝置主體結構設計
防爆起重機輪軌摩擦防爆性能試驗裝置需要
模擬防爆起重機輪軌在軌道上運動的各種工況，
控制車輪載荷、運行速度及更換輪軌踏面材料。
同時還需要模擬多種工況：啃軌、原地打滑、抱
死滑動、運行沖擊模擬等?？熊壒r是指車輪側
緣和軌道側面生產(chǎn)摩擦的工況，該工況需要試驗
裝置能提供一個橫向推力。
如圖4所示是輪軌摩擦防爆性能試驗裝置示
意圖，1是啃軌缸，2是軌道輪液壓馬達，3是箱
蓋密封裝置1，4是車輪液壓馬達，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軌道輪提供側向推
力，模擬車輪啃軌工況。
9
圖4 輪軌摩擦防爆性能試驗裝置
由圖5所示，1是錐齒輪傳動，2是液壓加載
結構，3是軌道輪結構。車輪液壓馬達驅動車輪
運動，同時，車輪驅動馬達需要隨著液壓缸同步
運動，因此，需要和液壓缸安裝在同一側，所以
選擇錐齒輪傳動，錐齒輪的傳動比是1：l，輪軌相
對運行速度的控制通過調(diào)節(jié)車輪液壓馬達及軌道
輪液壓馬達轉速來實現(xiàn)；液壓缸加載缸加載車輪
與開發(fā)
3 2
圖5 防爆性能試驗裝置內(nèi)部結構圖
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
軌道輪結構形式結構圖。軌道輪是防爆起重機輪
軌摩擦防爆性能試驗裝置的核心部件之一，軌道
輪的結構設計需要考慮到對軌道表面材料進行更
換、模擬車輪在軌道運動等情況。軌道輪由軌道
輪主體和軌道輪外包塊構成，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 軌道輪主體結構示意圖
4輪軌摩擦防爆性能試驗裝置密封結構設計
由于試驗裝置需要充滿可燃性氣體，因此，
對試驗裝置的密封性要求較高，對于試驗裝置，
存在密封問題主要是箱體和箱蓋之間的密封，對
其進行密封結構設計，以此保證試驗裝置的密封
性。
圖7 輪軌外包塊結構圖
箱體和箱蓋之前主要是通過密封圈的形式進
行密封的，由于密封圈過長，需要在箱體外側施
加壓力，保證密封圈的密封性。0性密封圈的直
徑為10 mm，需要較大的預壓力保證密封。箱體
外側的施加下壓力的大小通過機械密封機構提
供，密封機構1及密封機構2均是使用液壓來實現(xiàn)
的，最大提供壓力能達到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 箱側密封機構1
5輪軌摩擦防爆性能試驗裝置爆炸泄壓設計
爆炸泄壓是指可燃氣體／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措施。爆炸泄壓技術
措施因成本低和易于實現(xiàn)等顯著優(yōu)點而得到廣
泛應用。本試驗裝置涉及到爆炸，為節(jié)約成
本，便于操作，該試驗裝置采用泄爆的方式來
釋放爆炸壓力。
5．1泄爆設計基礎
泄爆設計最重要的是泄爆面積的計算，泄爆
張迎新等：防爆起重機輪軌摩擦防爆性能研究試驗裝置設計與開發(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參數(shù)有關。爆炸指數(shù) 是
表征可燃氣體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，當泄壓面
積一定時，低開啟壓力下泄爆壓力相對較小；
當泄爆壓力一定時，則低開啟壓力下所需泄壓
面積較小。
圖9 箱側密封機構2
5．2輪軌摩擦防爆性能試驗裝置爆炸泄壓設計
試驗裝置的爆炸試驗屬于氣體爆炸試驗，因
此，選擇開啟壓力諾模圖作為設計計算參考依
據(jù)。該諾模圖適合甲烷、丙烷、焦爐煤氣、氫氣
等氣體的泄爆口設計。在爆炸試驗中，選擇使用
丙烷氣體，因此以下針對丙烷氣體進行泄爆口設
計。
試驗裝置箱體的容積： =2 m ，試驗裝置
采用高強度鋼， 其最大泄爆壓力可達到
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，試驗裝置選擇泄爆面積大
小為S =0．18m 。
6結論
研制了一臺防爆起重機輪軌摩擦防爆性能試
驗裝置，設計結果表明：該試驗裝置驅動方式、
加載機構設計合理，能滿足模擬防爆起重機輪軌
運行各種工況的要求；試驗裝置的密封結構設計
滿足試驗裝置對密封性能的要求；該試驗裝置通
過泄爆的方式排放壓力，成本低，易于實現(xiàn)。
參考文獻：
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機械，2006 (11)：78—80．
[2]吳磊，溫澤峰，金學松．輪軌摩擦溫升有限元分析
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值分析[J]．中國機械工程，2002， 13 (21)：
1880-1883．
[4]劉延柱，朱本華．理論力學[M]．北京：高等教育出
版社。2009．
[5]成大先．機械設計手冊[M]．北京：化學工業(yè)出版
社．2010．
[6]王麗瓊．防火防爆技術基礎[M]．北京：北京理工大
學出版社，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。研究領域：電氣防爆與非電氣防爆技
術。
(編輯：向飛)

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