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防爆起重机轮轨摩擦防爆性能研究试验装置设计与开发

文档作者：张迎新，王新华，蒋漳河，柯研，常镇江，刘云鹤，李世光文档来源：广州市特种机电设备检测研究院		点击数：	更新时间： 2021年12月09日
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与开发
DOh 10．3969，j．issn．1009-9492．2013．08．022
防爆起重机轮轨摩擦防爆性能研究试验装置设计与开发水
张迎新，王新华，蒋漳河，柯研，常镇江，刘云鹤，李世光
(广州市特种机电设备检测研究院， 广东广州 510180)
摘要：为研究防爆起重机轮轨摩擦防爆性能的机理，提出防爆起重机轮轨防爆措施等问题，研制了一台防爆起重机轮轨摩擦防
爆性能试验装置。通过对装置的需求分析、结构强度设计、装置密封结构设计及防爆学设计，研制了一台试验装置。结果表
明：该试验装置能真实模拟防爆起重机运行工况，满足爆炸试验要求，为防爆起重机轮轨摩擦防爆性能机理研究打下基础。
关键词：防爆起重机；轮轨摩擦；防爆性能研究；试验装置
中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：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。研制一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，当热量累计到一定程度后，
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
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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
一
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，爆炸试验一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。啃轨工况是指车轮侧
缘和轨道侧面生产摩擦的工况，该工况需要试验
装置能提供一个横向推力。
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。啃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一侧，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一，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一 。
A-A
1．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1
5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
免遭破坏的一种爆炸防护措施。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 一泄爆压力、
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
积一定时，低开启压力下泄爆压力相对较小；
当泄爆压力一定时，则低开启压力下所需泄压
面积较小。
图9 箱侧密封机构2
5．2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 1=O．O1 MPa ， P 2=O．02MPa ， P 3=
0．05 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 2=0．02MPa， S 2=O．14m ；
尸 3=0．05MPa， S 3=0．18m 。
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
研制了一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。
参考文献：
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机械，2006 (11)：78—80．
[2]吴磊，温泽峰，金学松．轮轨摩擦温升有限元分析
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[6]王丽琼．防火防爆技术基础[M]．北京：北京理工大
学出版社，2009．
第一作者简介：张迎新，男，1971年生，四川资中人，博
士，高级工程师。研究领域：电气防爆与非电气防爆技
术。
(编辑：向飞)

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