防爆起重机轮轨摩擦防爆性能研究试验装置设计与开发

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防爆起重机作为特种设备，已被广泛应用于石油、化工等燃爆性混合物场所。防爆起重机轮轨裸露在空气中，其在轨道上往复运动非常频繁，易产生摩擦热源，在充满危险性气体的环境中，这种热源可能会产生爆炸 ，给企业生产安全带来潜在的危险。研制-台防爆起重机轮轨摩擦防爆性能试验装置，模拟防爆起重机运行过程中的摩擦火花，高温表面的产生以及这些高温热源引燃爆炸的情况，研究防爆起重机轮轨摩擦防爆性能。本文首先分析了轮轨摩擦热源产生的工况，然后对试验装置总体功能和主体结构进行设计，同时，试验装置对密封性及爆炸试验安全性的要求也较高，因此，最后还对试验装置密封结构、泄爆面积进行设计I”。

国家质检总局科技计划项目 (编号：收稿日期：2013-04～26图l 防爆起重机轮轨1防爆起重机轮轨摩擦热源防爆起重机在轨道上反复运行，轮轨踏面之间将不断累积热量，当热量累计到-定程度后，这个热源将成为潜在的危险性。图2所示为轮轨踏面摩擦热源。

201 1QK322)立项匿 丑张迎新 等：防爆起重机轮轨摩擦防爆性能研究试验 装置设计与开发 研究与q∽ / - -、 /。 1 r 1 1 1 1 1。L ： ，I图2 轮轨踏面热源大小由摩擦生热公式得：q(x) ) ，其中是摩擦系数，p∽ 是压力大小 ， 是运行速度。因此，不难得出影响防爆起重机轮轨摩擦爆炸热源的因素有：防爆起重机的载重、轮轨运行速度 、轮轨摩擦系数 、轮轨踏面材料性质及轮轨往复运行工况等 。

l- 图3 轮轨踏面接触大小2轮轨摩擦防爆性能试验装置总体分析防爆起重机轮轨摩擦防爆性能试验装置主要是模拟起重机轮轨运行产生的热源，以及爆炸的情况。根据以上分析，热源产生的影响因素有 ：车轮载荷 、运行速度 、运行工况及轮轨踏面的材料 ，因此，在进行试验装置研发的过程中，需要控制这些因素。

对防爆起重机轮轨摩擦防爆性能试验装置进行总体分析：(1)轮轨摩擦防爆性能试验装置主体设计：主要设计控制影响热源的因素，需要有加载机构、驱动机构及易于更换轮轨踏面材料的的轮轨结构形式。

(2)密封结构的设计及计算：防爆试验装置箱体中充满气体后，箱体内存在压力，保证试验装置的密封性 ，需要对试验装置的密封结构进行设计及计算。

(3)爆炸泄压设计 ：试验装置需要进行爆炸试验，爆炸试验-般存在较大的爆炸冲击及压力，需要对箱体进行爆炸泄压设计，保证试验箱体不受爆炸的破坏。

3轮轨摩擦防爆性能试验装置主体结构设计防爆起重机轮轨摩擦防爆性能试验装置需要模拟防爆起重机轮轨在轨道上运动的各种工况 ，控制车轮载荷、运行速度及更换轮轨踏面材料。

同时还需要模拟多种工况 ：啃轨、原地打滑 、抱死滑动、运行冲击模拟等⌒轨工况是指车轮侧缘和轨道侧面生产摩擦的工况，该工况需要试验装置能提供-个横向推力。

如图4所示是轮轨摩擦防爆性能试验装置示意图，1是啃轨缸 ，2是轨道轮液压马达 ，3是箱盖密封装置 1，4是车轮液压马达 ，5是车轮加载缸，6是观测窗，7是箱盖，8是爆炸泄压口，9是箱盖密封装置 2⌒轨缸给轨道轮提供侧 向推力，模拟车轮啃轨工况。

9图4 轮轨摩擦防爆性能试验装置由图5所示，1是锥齿轮传动，2是液压加载结构 ，3是轨道轮结构。车轮液压马达驱动车轮运动 ，同时，车轮驱动马达需要随着液压缸同步运动，因此，需要和液压缸安装在同-侧，所以选择锥齿轮传动，锥齿轮的传动比是1：l，轮轨相对运行速度的控制通过调节车轮液压马达及轨道轮液压马达转速来实现；液压缸加载缸加载车轮 与开发3 2图5 防爆性能试验装置内部结构图基座上模拟轮载，车轮基座有滑轨能随液压推杆前后移动。图6、图7是易于更换轮轨踏面材料的轨道轮结构形式结构图。轨道轮是防爆起重机轮轨摩擦防爆性能试验装置的核心部件之- ，轨道轮的结构设计需要考虑到对轨道表面材料进行更换、模拟车轮在轨道运动等情况。轨道轮由轨道轮主体和轨道轮外包块构成，轨道轮外包块由三分块拼接组成，易于更换其表面材料- 。

A-A1.轨道轮外包块 2.螺栓 3鼽 道轮基体图6 轨道轮主体结构示意图4轮轨摩擦防爆性能试验装置密封结构设计由于试验装置需要充满可燃性气体，因此，对试验装置的密封性要求较高，对于试验装置，存在密封问题主要是箱体和箱盖之间的密封，对其进行密封结构设计，以此保证试验装置的密封性。

图7 轮轨外包块结构图箱体和箱盖之前主要是通过密封圈的形式进行密封的，由于密封圈过长，需要在箱体外侧施加压力，保证密封圈的密封性。0性密封圈的直径为10 mm，需要较大的预压力保证密封。箱体外侧的施加下压力的大小通过机械密封机构提供，密封机构 1及密封机构2均是使用液压来实现的，最大提供压力能达到3 t，该力能使得密封圈产生足够的变形，满足箱体和箱盖之间的密封要求l ，如图8和图9所示。

图8 箱侧密封机构15轮轨摩擦防爆性能试验装置爆炸泄压设计爆炸泄压是指可燃气体/空气混合物发生爆炸的初始及发展阶段，通过在包围体上人为开设泄压口的方法，将高温、高压燃烧产物和未燃物料朝安全方向泄放出去，使包围体本身及周围环境免遭破坏的-种爆炸防护措施。爆炸泄压技术措施因成本低和易于实现等显著优点而得到广泛应用 。本试验装置涉及到爆炸 ，为节约成本，便于操作，该试验装置采用泄爆的方式来释放爆炸压力。

5.1泄爆设计基础泄爆设计最重要的是泄爆面积的计算，泄爆张迎新 等：防爆起重机轮轨摩擦防爆性能研究试验装置设计与开发 研究与面积的大小与混合物爆炸指数 - 泄爆压力 、泄压口开启压力三个参数有关。爆炸指数 是表征可燃气体混合物爆炸猛烈程度的重要参数，瓦. 值越大，表明爆炸越猛烈 ，泄爆面积要求越大。泄爆压力是指在泄爆过程中，包围体内能承受的爆炸压力的大小 。泄压 口开启压力越低，泄爆装置动作越早。因此 ，当泄压面积-定时，低开启压力下泄爆压力相对较小 ；当泄爆压力-定时 ，则低开启压力下所需泄压面积较校图9 箱侧密封机构25.2轮轨摩擦防爆性能试验装置爆炸泄压设计试验装置的爆炸试验属于气体爆炸试验，因此，选择开启压力诺模图作为设计计算参考依据。该诺模图适合甲烷、丙烷、焦炉煤气、氢气等气体的泄爆口设计。在爆炸试验中，选择使用丙烷气体，因此以下针对丙烷气体进行泄爆口设计。

试验装置箱体的容积： 2 m ，试验装置采 用 高强 度钢 ，其最 大泄 爆压 力 可达 到P 0.20MPa，泄爆口开启压力存在三种情况：P 1O.O1 MPa ， P 2O.02MPa ， P 30.05 MPa。据此根据甲烷泄爆诺模图嘲，可以查得 ：P 0.O1 MPa， S 1：O.1 m ；P 20.02MPa， S 2O.14m ；尸 30.05MPa， S 30.18m 。

为保证泄爆安全，试验装置选择泄爆面积大小为S 0.18m 。

6结论研制了-台防爆起重机轮轨摩擦防爆性能试验装置 ，设计结果表明：该试验装置驱动方式 、加载机构设计合理 ，能满足模拟防爆起重机轮轨运行各种工况的要求；试验装置的密封结构设计满足试验装置对密封性能的要求；该试验装置通过泄爆的方式排放压力，成本低，易于实现。