李根義，張曉東，楊子江

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

船用防爆升降機(jī)安全鉗防爆論證分析

李根義，張曉東，楊子江

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

在易燃、易爆氣體的危險(xiǎn)工作場所使用的防爆升降機(jī)，安全鉗鉗塊與剎車導(dǎo)軌之間的摩擦溫升應(yīng)當(dāng)被限定在安全的范圍之內(nèi)，文章利用有限元軟件對防爆升降機(jī)安全鉗鉗塊和剎車導(dǎo)軌之間的摩擦生熱問題進(jìn)行了模擬仿真分析，得出了安全鉗鉗塊的最高表面溫度，并在此基礎(chǔ)上對其機(jī)械防爆特性展開了論證分析。

防爆升降機(jī)；安全鉗；機(jī)械防爆；論證

0 引言

防爆升降機(jī)常用于存在易燃、易爆氣體的工作場所或者用于提升輸送危險(xiǎn)貨物的場合，由于其工作環(huán)境的特殊性，對升降機(jī)提出了防爆技術(shù)要求，尤其是機(jī)械防爆特性方面的要求；安全鉗是升降機(jī)中平臺裝置發(fā)生墜落的最后一道安全措施，作為升降機(jī)的關(guān)鍵安全部件，安全鉗的機(jī)械防爆特性對整機(jī)的機(jī)械防爆特性尤為關(guān)鍵，其與剎車導(dǎo)軌之間的摩擦制停溫升應(yīng)當(dāng)被限定在安全的范圍之內(nèi)[1]。本文利用ABAQUS軟件對升降機(jī)安全鉗制停平臺裝置時(shí)安全鉗與剎車導(dǎo)軌之間的摩擦溫升通過有限元進(jìn)行了仿真分析，并根據(jù)使用環(huán)境的要求對安全鉗的機(jī)械防爆特性展開了論證分析。

1 工況分析

本文研究的升降機(jī)安全鉗技術(shù)指標(biāo)見表1，其實(shí)際應(yīng)用工況如圖1所示。

由于圍井結(jié)構(gòu)的限制，本升降機(jī)采用“L”型布置型式，剎車導(dǎo)軌為單邊單根式，安全鉗安裝于平臺結(jié)構(gòu)底部一側(cè)的中間位置。

表1 安全鉗總體技術(shù)指標(biāo)

圖1 安全鉗安裝位置示意圖

安全鉗的制停原理是通過安全鉗鉗塊和剎車導(dǎo)軌間的自鎖作用產(chǎn)生的巨大摩擦力來制停升降平臺[2]，通過摩擦功來消耗下行升降平臺的動(dòng)能，以下主要通過二者之間熱機(jī)耦合接觸來分析摩擦能量和鉗塊的溫升。

2 安全鉗摩擦制停的熱機(jī)耦合接觸分析

2.1 有限元建模

平臺制停時(shí)導(dǎo)軌固定，安全鉗鉗塊在導(dǎo)軌上摩擦滑動(dòng)?？紤]到完全制停以前接觸面一直有摩擦熱生成，所以安全鉗的鉗塊部分最有可能出現(xiàn)最大瞬時(shí)溫度。因此本文取鉗塊為分析對象。根據(jù)對安全鉗制停過程的分析，得知安全鉗恰好動(dòng)作到升降機(jī)完全駐停約需滑行數(shù)厘米，因此可以只取部分導(dǎo)軌（文中取為40cm）建立有限元模型，如圖2所示。同時(shí)根據(jù)幾何實(shí)體和邊界條件的特點(diǎn)，利用對稱性只選取實(shí)體的一半?yún)⑴c建模計(jì)算。假定導(dǎo)軌與安全鉗皆為各向同性的勻質(zhì)材料，考慮到緊急制停過程的時(shí)間很短，認(rèn)為材料物性參數(shù)不隨溫度變化。導(dǎo)軌、鉗塊的材料參數(shù)如表2所示。

表2 鉗塊基本參數(shù)

在平臺運(yùn)行速度為0.02m/s，平臺自重為5000kg，載荷重量為7500kg的情況下，安全鉗制動(dòng)距離為0.07m。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)公式，得出安全鉗鉗塊與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為0.242；升降機(jī)實(shí)際的觸發(fā)速度為0.63m/s?？紤]到其它影響因素及安全設(shè)計(jì)余度，分別針對摩擦系數(shù)為0.25和0.28（對應(yīng)觸發(fā)速度為0.63m/s、最高環(huán)境溫度為45℃），情況下進(jìn)行安全鉗鉗塊表面溫度計(jì)算。特別指出，為了真實(shí)反映平臺及載重的巨大慣性對安全鉗制停過程的影響，模擬中考慮了沿z方向的重力作用，將平臺的質(zhì)量M等效到物塊上。

基于通用有限元軟件ABAQUS對安全鉗制停系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值研究。采用六面體8節(jié)點(diǎn)溫度位移耦合單元（型號C3D8RT）對整個(gè)幾何實(shí)體進(jìn)行有限元離散[3]，如圖2所示。因?yàn)榛羞^程中摩擦表面不斷地有熱生成，對鉗塊的接觸表面劃分更為精細(xì)的網(wǎng)格予以重點(diǎn)考察。整個(gè)模型共計(jì)400000個(gè)單元，400000個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小單元的尺寸為1mm×2mm×2mm。

假定制停過程中鉗塊與導(dǎo)軌之間的摩擦作用符合庫倫定律，且摩擦系數(shù)保持不變；認(rèn)為所有的摩擦功全部轉(zhuǎn)化為摩擦熱，并將產(chǎn)生的熱流均等地分配到導(dǎo)軌及鉗塊的接觸表面。整個(gè)系統(tǒng)的初始溫度設(shè)為45℃，系統(tǒng)內(nèi)的傳熱行為包括導(dǎo)軌與鉗塊之間的接觸傳熱、非接觸表面與空氣的對流換熱以及熱輻射作用。位移邊界條件方面：將導(dǎo)軌的底面完全約束，yz面上所有節(jié)點(diǎn)被施加對稱約束，即Ux=URy=URz=0。安全鉗制動(dòng)初期具有和平臺相同的沿z方向的初速度，沿x負(fù)方向?qū)π▔K的外表面施加壓力以后，摩擦力作用使安全鉗減速運(yùn)動(dòng)直至靜止。采用ABAQUS/explicit計(jì)算程序?qū)Π踩Q制停過程的熱機(jī)耦合行為進(jìn)行瞬態(tài)分析，輸出整個(gè)模型的溫度場。

圖2 摩擦制停的熱機(jī)耦合接觸分析模型

2.2 接觸表面的溫度分布

不同摩擦系數(shù)下接觸表面閃溫時(shí)刻鉗塊溫度分布圖如圖3、圖4所示；不同摩擦系數(shù)下導(dǎo)軌閃溫時(shí)刻鉗塊溫度分布圖如圖5、圖6所示。

圖3 摩擦系數(shù)為0.25下接觸表面閃溫時(shí)刻鉗塊溫度分布

圖4 摩擦系數(shù)為0.28下接觸表面閃溫時(shí)刻鉗塊溫度分布

圖5 摩擦系數(shù)為0.25下導(dǎo)軌閃溫時(shí)刻鉗塊溫度分布

圖6 摩擦系數(shù)為0.28下導(dǎo)軌閃溫時(shí)刻鉗塊溫度分布

3 有關(guān)安全鉗防爆性能分析論證

根據(jù)爆炸性環(huán)境使用非電氣設(shè)備緊急停止用制動(dòng)器規(guī)定：僅在緊急狀況下停止設(shè)備的制動(dòng)器，結(jié)構(gòu)應(yīng)使其允許耗散的最大動(dòng)能既不會超過最高表面溫度，也不會在任何暴露在爆炸環(huán)境的部位處產(chǎn)生易燃火花[4]。所謂易燃火花也稱機(jī)械火花，機(jī)械火花是高溫的金屬粉末，摩擦力會做功，產(chǎn)生熱量，而熱量在一定時(shí)間內(nèi)如果沒有被散去，就會造成溫度升高，達(dá)到燃點(diǎn)后就燃燒。最通俗的描述就是：當(dāng)鐵被鋸開時(shí)，由于鐵和刀具之間劇烈的摩擦，產(chǎn)生了極高的溫度，鐵碎都會被燃燒，所以會看到火花，其實(shí)就是燃燒的鐵的粉末（即碳粉），而硬度小，極細(xì)的碎末也不容易形成，所以有色金屬不容易產(chǎn)生火花的原因，如防爆工具的材質(zhì)是銅，由于銅的良好的導(dǎo)熱性能及幾乎不含碳的特性，使工具和物體摩擦或撞擊時(shí)短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量被吸收及傳導(dǎo)，另一個(gè)原因由于銅本身相對比較軟，摩擦和撞擊時(shí)有良好的退讓性，不易產(chǎn)生微小金屬顆粒，于是幾乎看不到火花。

安全鉗屬于緊急停止制動(dòng)器類，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，安全鉗在摩擦制停過程中一是不能產(chǎn)生火花，二是制停過程中鉗塊和導(dǎo)軌的摩擦表面溫度不能超過升降機(jī)圍井內(nèi)爆炸性氣體的最低點(diǎn)燃溫度。

以下就以上兩個(gè)方面要求對安全鉗的防爆性能進(jìn)行分析論證。

3.1 安全鉗的型式選擇

安全鉗分為瞬時(shí)式安全鉗和漸進(jìn)式安全鉗，前者適用于額定速度≤0.63m/s的電梯，后者適用于額定速度＞0.63m/s的電梯[5]。瞬時(shí)式安全鉗的特點(diǎn)是制動(dòng)時(shí)間短、制動(dòng)距離短、沖擊大，瞬時(shí)式安全鉗也可稱剛性安全鉗；漸進(jìn)式安全鉗是在瞬時(shí)式安全鉗的制動(dòng)元件和鉗體之間加入金屬彈簧，制動(dòng)元件的行程被限定后彈簧的變形量也就被限定了，因而制動(dòng)元件對導(dǎo)軌施加的壓力和摩擦制動(dòng)力也就基本確定[6]。該種安全鉗在制動(dòng)期間以有限的壓力作用于導(dǎo)軌上，其制動(dòng)距離與被制停的質(zhì)量及安全鉗開始動(dòng)作時(shí)的速度有關(guān)。

升降機(jī)的額定速度低，只有0.5m/s，制停減速度小、制動(dòng)距離較長、沖擊較小，正常情況下應(yīng)采用瞬時(shí)式安全鉗，考慮到防爆性能方面的要求，防爆升降機(jī)采用了漸進(jìn)式安全鉗，其目的是通過減小制停減速度、延長沖擊時(shí)間等措施來減小制停時(shí)的動(dòng)能，從而避免火花的產(chǎn)生及降低短時(shí)間內(nèi)由于摩擦熱導(dǎo)致的摩擦表面的溫度升高。

3.2 安全鉗制動(dòng)力的選型

安全鉗總?cè)菰S質(zhì)量（P+Q）為17644kg，對應(yīng)制停減速度為0.6g，最大容許質(zhì)量（P+Q）為18968kg，對應(yīng)的制停加速度為0.49g，而升降機(jī)實(shí)際需要容許質(zhì)量（P+Q）為11000kg，對應(yīng)制停減速度為0.28g（瞬時(shí)安全鉗的制停減速度一般在5g～10g，通常將瞬時(shí)安全鉗也稱為剛性安全鉗），制停減速度的降低，大大地減少了制動(dòng)能量，其效果相當(dāng)于延長沖擊時(shí)間、增加鉗塊的接觸面積、減少鉗塊的比壓、增加鉗塊的熱容量，可大大降低摩擦功產(chǎn)生的溫升。

從以上漸進(jìn)式安全鉗的結(jié)構(gòu)及工作原理可以看出，由于制動(dòng)元件對導(dǎo)軌施加的壓力和摩擦制動(dòng)力是基本確定，相應(yīng)制動(dòng)所需的摩擦系數(shù)也是確定的，因此通過上述仿真計(jì)算安全鉗制停時(shí)摩擦表面溫度的計(jì)算結(jié)果能夠比較真實(shí)的反映安全鉗制停時(shí)的溫度情況。

3.3 安全鉗制停過程中的機(jī)械火花問題

對工業(yè)事故和調(diào)查結(jié)果的分析已經(jīng)證實(shí)，在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)（速度≤1m/s），不存在粉塵/空氣混合物被機(jī)械火花點(diǎn)燃的危險(xiǎn)[7]。

安全鉗的鉗塊材料為球墨鑄鐵QT700，導(dǎo)軌材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A，鉗塊與導(dǎo)軌在摩擦制停過程中產(chǎn)生的鐵粉的引燃溫度為430℃[8]，考慮到其它因素的影響及安全余度情況下安全鉗制停時(shí)鉗塊的表面最高溫度為225℃（實(shí)際工況下為206℃），遠(yuǎn)低于鐵粉引燃溫度，同時(shí)明確要求剎車導(dǎo)軌上應(yīng)保持一薄層潤滑油以保證潤滑，在這種帶潤滑的制停及溫度情況下，鐵粉不會引燃，即安全鉗摩擦制停過程基本上不會產(chǎn)生火花。

3.4 圍井內(nèi)爆炸性氣體的最低點(diǎn)燃溫度的確定

Ⅱ類設(shè)備或者，如果適用，限定使用的特定氣體、蒸氣或薄霧，對于這種情況，最高表面溫度應(yīng)不超過特定氣體、蒸氣或薄霧的引燃溫度；Gb級：所有能夠接觸爆炸性環(huán)境的設(shè)備、防護(hù)系統(tǒng)和元件的表面溫度，在正常運(yùn)行過程中和在故障情況下均不能超過可燃?xì)怏w或液體的最低點(diǎn)燃溫度。然而，如果不能排除氣體或蒸氣能被加熱到表面溫度，則表面溫度不應(yīng)超過氣體的最低點(diǎn)燃溫度的80%。僅在罕見故障情況下才可能超過這些數(shù)值[9]。

圍井內(nèi)的爆炸性氣體不會被加熱，因此對于升降機(jī)安全鉗防爆性能要求為：在安全鉗摩擦制停過程中，摩擦表面的最高溫度不能超過圍井內(nèi)爆炸性氣體的最低點(diǎn)燃溫度。

安全鉗在摩擦制停過程中鉗塊表面的最高溫度在摩擦系數(shù)為0.25時(shí)為206℃，摩擦系數(shù)為0.28時(shí)為225℃（計(jì)算中已經(jīng)考慮的最高環(huán)境溫度為45℃），圍井內(nèi)爆炸性氣體的最高引燃溫度高于225℃即能滿足圍井內(nèi)防爆要求。

4 結(jié)論

本文針對防爆升降機(jī)安全鉗鉗塊和剎車導(dǎo)軌之間在安全鉗制停平臺裝置過程中鉗塊表面的溫升展開了仿真分析，得到了鉗塊表面溫升在實(shí)際工況下的最大值，并在此分析的基礎(chǔ)上，從安全鉗的型式選擇、安全鉗制動(dòng)力的選型、安全鉗制停過程中的機(jī)械火花問題、圍井內(nèi)爆炸性氣體的最低點(diǎn)燃溫度的確定四個(gè)方面對安全鉗的機(jī)械防爆特性展開了論證分析，確定了升降機(jī)安全鉗適用的爆炸性氣體的最低點(diǎn)燃溫度范圍。

[1]倪正官,康虹橋.防爆電梯的機(jī)械防爆[J].中國電梯,2006(5):31-33.

[2]朱昌明,張惠僑,陳剛.電梯安全鉗的制停性能分析[J].中國電梯,1990(2):16-20.

[3]莊茁,等譯.有限元軟件入門指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[4]GB25286.5-2013.爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備第5部分:結(jié)構(gòu)安全型c[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[5]GB7588-2003.電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[6]海曼.電梯安全鉗的結(jié)構(gòu)及性能分析[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化,2005(5):18-20.

[7]GB25285.1-2010.爆炸性環(huán)境 爆炸預(yù)防和防護(hù)第1部分:基本原則和方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

[8]GB50058-1992.爆炸和火災(zāi)危害環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1992

[9]GB25286.1-2013.爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

Analysis of the Explosion-proof Characteristics of Marine Explosion-proof Cargo Elevator Safety Gear

LI Gen-yi,ZHANG Xiao-dong,YANG Zi-jiang
(No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

Generated heat by friction of explosion-proof elevator’s safety gear and guild rails which is used in the flammable explosive places must be limited in the scope of security.In this article,a finite element method is used to simulate and analyze the heat generated by the elevator’s safety gear and guild rails.The maximum temperature is obtained and on this basis,the characteristics about the mechanical explosion-proof are analyzed combined with the actual environment.

explosion-proof cargo elevator; safety gear; mechanical explosion-proof; discussion

TH115.25

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.006

李根義（1982-），男，工程師，主要從事防爆升降機(jī)等方面的研究工作。