船用防爆升降機安全鉗防爆論證分析

李根義，張曉東，楊子江

（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

船用防爆升降機安全鉗防爆論證分析

李根義，張曉東，楊子江

（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

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

防爆升降機；安全鉗；機械防爆；論證

0 引言

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

1 工況分析

本文研究的升降機安全鉗技術指標見表1，其實際應用工況如圖1所示。

由于圍井結構的限制，本升降機采用“L”型布置型式，剎車導軌為單邊單根式，安全鉗安裝于平臺結構底部一側的中間位置。

表1 安全鉗總體技術指標

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軌間的自鎖作用產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能，以下主要通過二者之間熱機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耦合接觸分析

2.1 有限元建模

平臺制停時導軌固定，安全鉗鉗塊在導軌上摩擦滑動。考慮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最大瞬時溫度。因此本文取鉗塊為分析對象。根據對安全鉗制停過程的分析，得知安全鉗恰好動作到升降機完全駐停約需滑行數厘米，因此可以只取部分導軌（文中取為40cm）建立有限元模型，如圖2所示。同時根據幾何實體和邊界條件的特點，利用對稱性只選取實體的一半參與建模計算。假定導軌與安全鉗皆為各向同性的勻質材料，考慮到緊急制停過程的時間很短，認為材料物性參數不隨溫度變化。導軌、鉗塊的材料參數如表2所示。

表2 鉗塊基本參數

在平臺運行速度為0.02m/s，平臺自重為5000kg，載荷重量為7500kg的情況下，安全鉗制動距離為0.07m。根據運動學及動力學公式，得出安全鉗鉗塊與導軌之間的摩擦系數為0.242；升降機實際的觸發速度為0.63m/s。考慮到其它影響因素及安全設計余度，分別針對摩擦系數為0.25和0.28（對應觸發速度為0.63m/s、最高環境溫度為45℃），情況下進行安全鉗鉗塊表面溫度計算。特別指出，為了真實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對安全鉗制停系統進行數值研究。采用六面體8節點溫度位移耦合單元（型號C3D8RT）對整個幾何實體進行有限元離散[3]，如圖2所示。因為滑行過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的網格予以重點考察。整個模型共計400000個單元，400000個節點，最小單元的尺寸為1mm×2mm×2mm。

假定制停過程中鉗塊與導軌之間的摩擦作用符合庫倫定律，且摩擦系數保持不變；認為所有的摩擦功全部轉化為摩擦熱，并將產生的熱流均等地分配到導軌及鉗塊的接觸表面。整個系統的初始溫度設為45℃，系統內的傳熱行為包括導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：將導軌的底面完全約束，yz面上所有節點被施加對稱約束，即Ux=URy=URz=0。安全鉗制動初期具有和平臺相同的沿z方向的初速度，沿x負方向對楔塊的外表面施加壓力以后，摩擦力作用使安全鉗減速運動直至靜止。采用ABAQUS/explicit計算程序對安全鉗制停過程的熱機耦合行為進行瞬態分析，輸出整個模型的溫度場。

圖2 摩擦制停的熱機耦合接觸分析模型

2.2 接觸表面的溫度分布

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

圖3 摩擦系數為0.25下接觸表面閃溫時刻鉗塊溫度分布

圖4 摩擦系數為0.28下接觸表面閃溫時刻鉗塊溫度分布

圖5 摩擦系數為0.25下導軌閃溫時刻鉗塊溫度分布

圖6 摩擦系數為0.28下導軌閃溫時刻鉗塊溫度分布

3 有關安全鉗防爆性能分析論證

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

安全鉗屬于緊急停止制動器類，根據標準要求，安全鉗在摩擦制停過程中一是不能產生火花，二是制停過程中鉗塊和導軌的摩擦表面溫度不能超過升降機圍井內爆炸性氣體的最低點燃溫度。

以下就以上兩個方面要求對安全鉗的防爆性能進行分析論證。

3.1 安全鉗的型式選擇

安全鉗分為瞬時式安全鉗和漸進式安全鉗，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]。瞬時式安全鉗的特點是制動時間短、制動距離短、沖擊大，瞬時式安全鉗也可稱剛性安全鉗；漸進式安全鉗是在瞬時式安全鉗的制動元件和鉗體之間加入金屬彈簧，制動元件的行程被限定后彈簧的變形量也就被限定了，因而制動元件對導軌施加的壓力和摩擦制動力也就基本確定[6]。該種安全鉗在制動期間以有限的壓力作用于導軌上，其制動距離與被制停的質量及安全鉗開始動作時的速度有關。

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

3.2 安全鉗制動力的選型

安全鉗總容許質量（P+Q）為17644kg，對應制停減速度為0.6g，最大容許質量（P+Q）為18968kg，對應的制停加速度為0.49g，而升降機實際需要容許質量（P+Q）為11000kg，對應制停減速度為0.28g（瞬時安全鉗的制停減速度一般在5g～10g，通常將瞬時安全鉗也稱為剛性安全鉗），制停減速度的降低，大大地減少了制動能量，其效果相當于延長沖擊時間、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生的溫升。

從以上漸進式安全鉗的結構及工作原理可以看出，由于制動元件對導軌施加的壓力和摩擦制動力是基本確定，相應制動所需的摩擦系數也是確定的，因此通過上述仿真計算安全鉗制停時摩擦表面溫度的計算結果能夠比較真實的反映安全鉗制停時的溫度情況。

3.3 安全鉗制停過程中的機械火花問題

對工業事故和調查結果的分析已經證實，在低速旋轉時（速度≤1m/s），不存在粉塵/空氣混合物被機械火花點燃的危險[7]。

安全鉗的鉗塊材料為球墨鑄鐵QT700，導軌材料為碳素結構鋼Q235-A，鉗塊與導軌在摩擦制停過程中產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鉗塊的表面最高溫度為225℃（實際工況下為206℃），遠低于鐵粉引燃溫度，同時明確要求剎車導軌上應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生火花。

3.4 圍井內爆炸性氣體的最低點燃溫度的確定

Ⅱ類設備或者，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境的設備、防護系統和元件的表面溫度，在正常運行過程中和在故障情況下均不能超過可燃氣體或液體的最低點燃溫度。然而，如果不能排除氣體或蒸氣能被加熱到表面溫度，則表面溫度不應超過氣體的最低點燃溫度的80%。僅在罕見故障情況下才可能超過這些數值[9]。

圍井內的爆炸性氣體不會被加熱，因此對于升降機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爆炸性氣體的最低點燃溫度。

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為0.25時為206℃，摩擦系數為0.28時為225℃（計算中已經考慮的最高環境溫度為45℃），圍井內爆炸性氣體的最高引燃溫度高于225℃即能滿足圍井內防爆要求。

4 結論

本文針對防爆升降機安全鉗鉗塊和剎車導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際工況下的最大值，并在此分析的基礎上，從安全鉗的型式選擇、安全鉗制動力的選型、安全鉗制停過程中的機械火花問題、圍井內爆炸性氣體的最低點燃溫度的確定四個方面對安全鉗的機械防爆特性展開了論證分析，確定了升降機安全鉗適用的爆炸性氣體的最低點燃溫度范圍。

[1]倪正官,康虹橋.防爆電梯的機械防爆[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:清華大學出版社,1998.

[4]GB25286.5-2013.爆炸性環境用非電氣設備第5部分:結構安全型c[S].北京:中國標準出版社,2013.

[5]GB7588-2003.電梯制造與安裝安全規范[S].北京:中國標準出版社,2003.

[6]海曼.電梯安全鉗的結構及性能分析[J].大眾標準化,2005(5):18-20.

[7]GB25285.1-2010.爆炸性環境 爆炸預防和防護第1部分:基本原則和方法[S].北京:中國標準出版社,2010.

[8]GB50058-1992.爆炸和火災危害環境電力裝置設計規范[S].北京:中國標準出版社,1992

[9]GB25286.1-2013.爆炸性環境用非電氣設備[S].北京:中國標準出版社,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等方面的研究工作。