防爆起重机轮轨机械摩擦危险工况分析

Analysis on W heel-rail M echanical Friction Dangerous W orkingConditions of Explosion.proof CraneZhang Yingxin Wang Xinhua Gu Xiwen。 Xie Xiaopeng Wu Zengbin(1.Guangzhou Special Mechanical and Electrical Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou Guangdong 510180，China；2.Automobile Tribology and Fault Diagnosis Institute，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 5 10640，China；3.China Petroleum&Chemical Corporation Guangzhou Branch，Guangzhou Guangdong 5101 10，China)Abstract：The whee1.rail friction explosion ignition sources of explosion-proof cranes were discussed.and the factorscausing explosion ign ition sources were analyzed based on wheel-rail friction contact theory.It is shown that the hot sur-faces or friction spark caused by the relative motion of wheel-rail contact is a potential explosion ignition source，and thegeneration of friction wheel and rail explosion ignition source has a relation with the wheel-rail contact conditions，load，speed，friction coeficient and SO on.The existing seven kinds of working conditions of explosion-proof cranes were ana-lyzed，four kinds of working conditions which was easy to produce an explosion were determined，they were when explosion-proof cranes running in skidding，in rail gnawing，in brakes locking and passing rail joint。

Keywords：explosion-proof cranes；ignition source；dangerous working conditions；wheel：rail friction防爆起重机除了具有-般起重机的全部功能外，还具有防爆性能 ，主要应用于石化、制药、煤矿等行业中存在易燃易爆气体的工作环境。防爆起重机在轨道上运动 ，轮轨和环境是直接接触的，因此需要针对防爆起重机轮轨研究其防爆性能，防爆性能的研究可涉及易产生爆炸的危险工况的分析、爆炸产生的条件讨论、防爆性能的评价以及提高防爆性能的措施等，本文作者重点讨论了防爆起重机轮轨机械摩擦危基金项目：国家质检总局科技计划项目 (2011QK322)。

收稿 日期：2013-03-04作者简介：张迎新 (1971-)，男，博士，高级工程师，研究方向为电气防爆与非电气防爆技术研究.E-mail：2806543057###qq·corn·险工况分析。

1 轮轨摩擦爆炸引燃源基础理论1.1 轮轨摩擦引燃源爆炸是指在极短时间内迅速燃烧，释放出大量能量，产生高温，并放出大量气体，在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化。因此-般而言爆炸需要具备3个要素：可燃物、助燃剂和引燃源∩燃物是指可以燃烧的物质；助燃剂是指与可燃物质相结合能导致燃烧的物质；引燃源，顾名思义，就是引燃爆炸的源头。在这3个要素中，导致爆炸的产生往往是引燃源的突然出现。

防爆起重机在轨道上运动，轮轨接触相对运动会产生高温表面或者摩擦火花，这是潜在的爆炸引燃源。起重机在不同工况下运行，载荷、运行速度以及润滑与密封 第38卷轮轨接触情况不同，产生爆炸的可能性也不同，因此在分析何种运行工况是危险工况时，先研究-下轮轨摩擦接触方面的问题。

1.2 轮轨摩擦接触相关理论轮轨接触运动具有很复杂的机制，它们之间的相互作用近似符合赫兹理论，以下处理轮轨接触时，都将其简化成赫兹接触模型进行处理。

1.2.1 轮轨接触赫兹模 型防爆起重机可采用圆锥、鼓形、圆柱形3种车轮踏面形状，这里主要针对圆柱形踏面进行研究。起重机-般载重都较大，车轮和钢轨相对运动-段时候后，钢轨的顶部被磨平，轮轨之间的接触斑变成细长形，类似于平面接触的形式，在恒定的载荷作用下，可以利用赫兹接触理论来计算接触斑的大邪其载荷的分布形式。据赫兹接触理论可知，接触斑可认为是近似椭圆形，接触斑压力的分布形式为厂- -p( ：) p。√ -( )( X2) (1)Po：旦 (2)2 -v-ab Lz J式中：F为起重机轮载；a为接触斑椭圆的长半轴，b为接触斑椭圆的短半轴，a在车轮前进的方向；P 为接触斑中心位置的压力大小，该值也是接触斑最大接触压力值。 。

其中a，b由以下式计算得到n m[者 ][者(3)(4)式中：A，B由车轮和轨道面的主曲率大邪平面间的夹角来决定；系数 m、n与A， 有关。这4个参数根据文献 [2]可查得。同时：G 百1-t，]百1-t，2： (5)式中：E 、E 、 、 ：分别为钢轨和轮子的弹性模量及泊松比 。

更-般的情况，车轮在轨道上运动，可以近似看作是圆柱在无限半空间弹性体上滚动，细长的椭圆接触斑可用具有相等载荷的矩形接触斑代替，通过这样的化简，不但可以把复杂的问题简单化，同时也能保证-定的精确性 。

1.2.2 轮轨摩擦热效应起重机在轨道上运动，由于轮载、运行速度、摩擦等因素的存在必然导致轮轨接触斑处产生摩擦热效应，即产生摩擦热形成温度常由于运动机制的不同，温度场的大型分布与车轮运动状态有关，比如滚动运动和滑动运动、原地转动和运行前进中，它们产生的温度场是不同的，这里暂且不区分这些差异，仅就其都会产生摩擦热进行讨论。从机制上，轮轨接触区内存在摩擦切向力的作用，因此当轮轨间发生较大相对运动时，会产生很强的摩擦热源。由以上分析可知，轮轨体内的摩擦温升是由轮轨接触界面摩擦产生的热量引起的，摩擦形成的热源强度随载重、速度、摩擦因数等的不同而变化，并在接触界面处垂直向轮轨体内传递热量。假设忽略其他形式能量的损失，轮轨接触区内由摩擦导致的热源热流密度分布公式为：q(x1)up( I)加( 1) 0：up( 1)V (6)式中：M、q( )、P( )、” 、V0、W( )分别为生热系数、接触斑热流密度、接触压力分布、轮轨间相对滑动速度、车轮滚动速度和车轮的半径。

轮载、相对滑动速度和摩擦因数对轮轨摩擦接触温度场分布有直接的影响。轮重不仅影响轮轨表面最高摩擦温升，而且影响接触斑区域的大小；相对滑动速度越大，摩擦热效应将越大；轮轨之间摩擦因数越大，接触斑热流将越大。轮轨摩擦热高温区主要集中在接触区表层，该区域温度梯度、热应力也比较大。

轮轨热接触模型中还存在热交换、热对流、热辐射，这些都在某种程度上影响轮和轨之间温度分布，由于其复杂性这里暂且忽略其这些效应 。

2 防爆起重机轮轨机械摩擦危险工况分析2.1 轮轨接触运动常用工况分析由以上分析可知，防爆起重机轮轨机械摩擦危险工况的产生是由于在某些工况下轮轨机械摩擦产生危险引燃源，爆炸危险引燃源的产生和防爆起重机的运行工况有关，具体相关因素是运行速度、载荷压力、轮轨接触面积等。防爆起重机在轨道上运动、从启动到停止全过程，会存在多种运动工况，从车轮和轨道接触形式看，可分为滚动接触、滑动接触，同时就接触面相对运动方式看，存在正常运动，原地运动和啃轨情况，就起重机运动阶段分，可分为启动阶段、正常运动阶段、刹车停止阶段。各种工况形式的不同，轮轨接触情况也将存在差异，摩擦产生的热量也会有所不同，从而影响高温表面或摩擦火花的产生。总结起来，防爆起重机常见的7种工况为：(1)防爆起重机启动运行时；(2)防爆起重机车轮正常滚动行驶过程；(3)防爆起重机车轮原地打滑情况发生时；(4)防爆起重机车轮通过两个导轨接缝处时；(5)防爆起重机车轮发生啃轨时；(6)防爆起重机车轮刹车减速时；(7)防爆起重机车轮刹车 (抱死)后，在导轨2013年第9期 张迎新等：防爆起重机轮轨机械摩擦危险工况分析上滑动行驶时。

2.2 轮轨摩擦产生爆炸引燃源危险工况确定防爆起重机-般属于重载运载工具，其在轨道上运动，轮和轨彼此接触并产生变形 ，同时接触副相对运动产生摩擦。由公式(1)～(6)可知 ，摩擦接触面积越大，摩擦因数越大，产生的摩擦热量也越大，同时随着载重的增大，轮轨接触斑处的应力相应增大，轮轨之间的摩擦功也相应增加，轮轨之间产生的摩擦热量也将不断增加和积累，形成高温表面或者摩擦火花的可能性也将增大。

在正常运行过程中，防爆起重机轮轨滚动接触，摩擦产生的温度较小，同时车轮每滚动-周，都有散热的过程 ，-般而言，在正常运行过程中，起重机轮轨踏面摩擦表面的温度相对较低。同时由于接触面-直在变化，并且不存在冲击碰撞，其产生摩擦火花的可能性也相对较校因此相对而言，正常滚动的工况不属于危险工况。

车轮在加速牵引和紧急制动的情况下较易瞬时产生大量的摩擦热，并且摩擦热量集中于较小的接触斑附近，因此在此过程中，较易产生高温表面或者摩擦火花。车轮原地打滑的情况出现在启动运行阶段，属于启动运行的极端情况，车轮刹车抱死出现在制动阶段，属于减速刹车的极端情况，因此这两种极端工况可以代表启动和刹车这两个阶段的工况。

防爆起重机运行-段时间后，由于踏面磨损、轮子和轨道的变形、制造安装精度等问题，还存在啃轨和过导轨接缝处产生冲击这两种工况。防爆起重机啃轨情况，即是指起重机车轮缘和轨道边缘接触并产生摩擦，啃轨过程中接触应力增大，摩擦接触面也增大，这使得轮轨接触区将产生大量的热并形成高温表面，甚至摩擦火花，该工况也属危险工况；对于防爆起重机过接缝处的情况，由于轮轨运动-段时间后，导轨接缝处产生高低差，根据多年的经验，这个高低差能达到5-8 mm，防爆起重机以-定速度运行，又由于起重机吨位大，车轮冲击轨道时，产生的冲击力- 般较大，因此易产生冲击火花-o 。

由以上分析可知，防爆起重机从启动到停止的整个运动过程，有 4种工况属于危险工况 ，分别是 ：防爆起重机原地打滑情况；防爆起重机发生啃轨情况；防爆起重机过轨道接缝处的情况；防爆起重机刹车抱死向前全滑动情况。

3 结束语简要概述了防爆起重机的概念、特性，讨论了轮轨摩擦接触方面的相关理论，分析了从启动到停止整个过程防爆起重机轮轨机械摩擦各种工况形式 ，最后分析确定了产生危险爆炸引燃源的4种工况形式。