防爆場(chǎng)車(chē)離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)及防爆性能評(píng)定*

蔣漳河，梁峻，湯鵬，王新華

(1廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510760；2國(guó)家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東廣州 510760)

0 引言

離合器作為防爆內(nèi)燃叉車(chē)動(dòng)力傳遞功能實(shí)現(xiàn)的重要組成部分，也是防爆場(chǎng)車(chē)典型的非電氣類(lèi)部件。在其工作過(guò)程中由于各部件高速旋轉(zhuǎn)相互摩擦?xí)a(chǎn)生機(jī)械火花、高溫?zé)岜砻婕盁霟犷w粒物等危險(xiǎn)點(diǎn)燃源。離合器的防爆性能主要涉及非電氣防爆技術(shù)，2001年歐洲就已經(jīng)開(kāi)展非電氣防爆安全相關(guān)的檢測(cè)認(rèn)證工作。基于EN 13463: 2009 標(biāo)準(zhǔn)制訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 80079—36: 2016和ISO80079—37: 2016也于2016年實(shí)施，這標(biāo)志著非電氣/機(jī)械防爆安全在世界范圍內(nèi)受到重視[1]。而國(guó)內(nèi)關(guān)于非電氣防爆安全的標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較晚，GB 25286非電氣防爆系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)在2010年才發(fā)布實(shí)施。溫度對(duì)離合器性能與使用效果具有重要影響，很多學(xué)者對(duì)離合器作業(yè)過(guò)程中的溫度分布、溫升過(guò)程以及溫度對(duì)離合器扭矩、彈簧載荷的影響規(guī)律等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、仿真研究[2]。離合器的防爆性能不僅要考慮溫度的影響，還需要分析產(chǎn)生的機(jī)械火花、熾熱粒子、靜電等點(diǎn)燃危險(xiǎn)。文獻(xiàn)[3]對(duì)防爆離合器的點(diǎn)燃源進(jìn)行了辨識(shí)和預(yù)防措施分析，現(xiàn)有防爆廠車(chē)相關(guān)GB/T 19854—2018、GB/T 26950.1—2011和GB/T 26950.2—2015國(guó)標(biāo)和防場(chǎng)車(chē)型式試驗(yàn)關(guān)于離合器防爆性能的要求僅規(guī)定使用無(wú)火花材料或隔爆型、液浸型，而對(duì)于防爆離合器壓盤(pán)、摩擦片、飛輪、軸承等部件非電氣防爆的危險(xiǎn)辨識(shí)與防爆性能認(rèn)證尚未進(jìn)行系統(tǒng)的分析和要求[4，5]。因此，為確保防爆場(chǎng)車(chē)在爆炸性環(huán)境中的安全使用，有必要對(duì)防爆場(chǎng)車(chē)用離合器的點(diǎn)燃危險(xiǎn)和防爆性能評(píng)定進(jìn)行系統(tǒng)性的研究分析。通過(guò)離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定能確定其非電氣防爆的保護(hù)級(jí)別和溫度組別，可為防爆場(chǎng)車(chē)離合器的設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)認(rèn)證提供參考依據(jù)。

1 防爆離合器點(diǎn)燃源辨識(shí)

離合器一般位于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間，起到將傳動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)分離和接合的作用，其組成一般包括主動(dòng)部分、從動(dòng)部分、壓緊機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)四部分[3]。離合器在正常運(yùn)行下主要包括車(chē)輛起步及檔位切換；預(yù)期故障包括離合器分離緩慢或分離不徹底、離合器超載、離合器接合時(shí)發(fā)抖或打滑、離合器異響、摩擦片燒蝕磨損嚴(yán)重、彈簧彈力變?nèi)醯龋缓币?jiàn)故障包括離合器部件損壞，例如從動(dòng)盤(pán)扭轉(zhuǎn)或減震彈簧折斷、從動(dòng)軸花鍵磨損、軸承損壞等。

點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)是點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定的基礎(chǔ)，根據(jù)GB 25285.1—2010，非電氣部件存在的點(diǎn)燃源主要是機(jī)械火花、熱表面、火焰和熱氣體(包括熾熱粒子)和靜電[6]。與防爆場(chǎng)車(chē)離合器相關(guān)的潛在點(diǎn)燃源則主要是機(jī)械火花、熱表面、熾熱粒子和靜電4類(lèi)：(1)摩擦片與壓盤(pán)、飛輪及軸承在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)岜砻妗?2)摩擦片與飛輪兩者在相互運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的機(jī)械火花。(3)離合器非金屬部件摩擦碰撞時(shí)產(chǎn)生的靜電電荷。(4)摩擦片由于磨損嚴(yán)重而產(chǎn)生的熾熱顆粒物。(5)離合器各部件因故障而引起的碰撞火花[3]。防爆離合器工作過(guò)程中非電氣點(diǎn)燃源出現(xiàn)的部位、原因和工況分析見(jiàn)表1。

表1 離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)源辨識(shí)

2 防爆離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定方法

根據(jù)ISO 80079—36:2016、EN 13463—1—2009和EN 15198—2007非電氣防爆標(biāo)準(zhǔn)，防爆場(chǎng)車(chē)離合器非電氣點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定分為四步[1，7～9]：(1)點(diǎn)燃源辨識(shí)；(2)初始點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定；(3)對(duì)采取的防爆保護(hù)措施進(jìn)行分析和確認(rèn)；(4)采取防爆保護(hù)措施后的危險(xiǎn)評(píng)定/確定防爆保護(hù)級(jí)別。其具體的辨識(shí)和評(píng)定過(guò)程如圖1所示。

圖1 防爆場(chǎng)車(chē)離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)及防爆性能評(píng)定流程

2.1 點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)

防爆場(chǎng)車(chē)離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)詳見(jiàn)表1，該部分的關(guān)鍵在于對(duì)離合器運(yùn)行的正常工況、預(yù)期故障和罕見(jiàn)故障進(jìn)行細(xì)致分析，辨識(shí)出各部位可能存在的熱表面、機(jī)械火花、熾熱粒子和靜電。

2.2 防爆保護(hù)措施分析

進(jìn)行點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)后，離合器制造廠家和防爆檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)會(huì)制定每個(gè)部件預(yù)防點(diǎn)燃源的保護(hù)措施，歸納起來(lái)為以下四類(lèi)。[3～5]

(1)保證不形成點(diǎn)燃源：①不采用輕金屬作為摩擦材料，同時(shí)限制離合器摩擦片中金屬絲的含量或采用無(wú)金屬絲的摩擦片。②離合器的旋轉(zhuǎn)件與其它部件的間隙應(yīng)至少為運(yùn)動(dòng)部件最大直徑的1%(但最少不得低于1mm)。③安裝磨損探測(cè)器，探測(cè)離合器摩擦片的磨損量。當(dāng)磨損量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，對(duì)磨損情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警保護(hù)。④為避免靜電的產(chǎn)生與積聚，摩擦片材料的表面電阻值不應(yīng)高于109Ω，同時(shí)其它金屬部件與場(chǎng)車(chē)金屬結(jié)構(gòu)做好等電位連接。

(2)保證不成為有效的點(diǎn)燃源：①選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的壓盤(pán)材料，加大摩擦片面積，降低單位質(zhì)量?jī)?nèi)的能量。②溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)措施。在飛輪及壓盤(pán)的摩擦熱表面位置預(yù)埋溫度傳感器，對(duì)離合器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警保護(hù)，即設(shè)計(jì)成控制點(diǎn)燃源型“b”部件。③對(duì)離合器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制，如設(shè)定離合器的運(yùn)行速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的上限值。

(3)阻止爆炸型環(huán)境接觸點(diǎn)燃源：離合器整體設(shè)計(jì)成液浸型“k”。

(4)隔離阻止部件內(nèi)部的火焰向外傳播：離合器整體設(shè)計(jì)成隔爆外殼型“d”。

2.3 點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定

點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定是對(duì)點(diǎn)燃源按在正常運(yùn)行、預(yù)期故障和罕見(jiàn)故障條件下可能出現(xiàn)的頻率進(jìn)行定性分析。正常運(yùn)行是指設(shè)備在其設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)的正常運(yùn)行狀況；預(yù)期故障是指實(shí)際運(yùn)行中預(yù)期可能出現(xiàn)的干擾或設(shè)備故障；罕見(jiàn)故障是指在罕見(jiàn)情況下才可能出現(xiàn)的故障。兩個(gè)獨(dú)立的預(yù)期故障可視為一個(gè)罕見(jiàn)故障[1]。防爆場(chǎng)車(chē)離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定按照初始危險(xiǎn)評(píng)定、采取保護(hù)措施后的點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定(必要的試驗(yàn)和制造商設(shè)計(jì)資料)和確定防爆保護(hù)級(jí)別三個(gè)步驟進(jìn)行。

(1)行初始危險(xiǎn)評(píng)定，初始危險(xiǎn)評(píng)定可按照表1的危險(xiǎn)辨識(shí)表進(jìn)行。初始危險(xiǎn)評(píng)定后進(jìn)一步確定和分析各部位需采取的保護(hù)措施。

(2)采取保護(hù)措施后的點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定，這時(shí)需要借助相關(guān)的專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)和離合器設(shè)計(jì)者或制造商提供的資料等對(duì)采取的防爆保護(hù)措施進(jìn)行綜合分析和評(píng)定。例如離合器摩擦溫升試驗(yàn)和機(jī)械火花試驗(yàn)可以借助圖2所示的測(cè)試裝置，在不同轉(zhuǎn)速、扭矩工況下對(duì)離合器摩擦片產(chǎn)生的高溫?zé)岜砻婧蜋C(jī)械火花進(jìn)行測(cè)試[10]。

圖2 離合器防爆性能試驗(yàn)裝置

(3)確定設(shè)備保護(hù)級(jí)別，按照表2所示的防爆保護(hù)級(jí)別判定準(zhǔn)則逐一對(duì)每一類(lèi)點(diǎn)燃源進(jìn)行分析評(píng)定。每一類(lèi)點(diǎn)燃源的保護(hù)級(jí)別確定后，再按照保護(hù)級(jí)別中最低的級(jí)別確定離合器的整體防爆保護(hù)級(jí)別。設(shè)備或部件在正常工況下不存在點(diǎn)燃危險(xiǎn)，則設(shè)備或部件的保護(hù)級(jí)別定為Gc/Dc級(jí)；如果設(shè)備或部件在預(yù)期故障下不存在點(diǎn)燃危險(xiǎn)，則設(shè)備或部件的保護(hù)級(jí)別定為Gb/Db/Mb級(jí)；如果設(shè)備或部件在罕見(jiàn)故障下不存在點(diǎn)燃危險(xiǎn)，則設(shè)備或部件的保護(hù)級(jí)別定為Ga/Da/Ma級(jí)。

表2 設(shè)備保護(hù)級(jí)別評(píng)定準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 實(shí)例分析

某型號(hào)用于1區(qū)爆炸性氣體環(huán)境的防爆離合器，φ275mm、摩擦片材料為石棉材料，其余部件為鈦基金屬材料，最大轉(zhuǎn)速為1000r/min、最大扭矩為200 N·m。離合器防爆性能測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 離合器防爆性能測(cè)試數(shù)據(jù)

(1)點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)和初始危險(xiǎn)評(píng)定。該離合器為1區(qū)爆炸性環(huán)境使用，因此按照表1僅對(duì)正常運(yùn)行和預(yù)期故障的危險(xiǎn)源進(jìn)行分析和初始危險(xiǎn)評(píng)定。評(píng)定內(nèi)容見(jiàn)表4所示第1列、第2列。

(2)采取的防爆保護(hù)措施。根據(jù)設(shè)計(jì)制造商設(shè)計(jì)資料，評(píng)定內(nèi)容見(jiàn)表4所示第3列a：①采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的壓盤(pán)材料；②合理設(shè)定軸承潤(rùn)滑保養(yǎng)周期；③設(shè)定離合器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩上限值；④合理設(shè)定摩擦片的更換周期；⑤限制摩擦片材料的表面電阻。

(3)試驗(yàn)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該型號(hào)防爆離合器進(jìn)行摩擦溫升、機(jī)械火花和熾熱粒子測(cè)試。按照額定載荷和運(yùn)行上限速度1.5的安全系數(shù)進(jìn)行輪軌摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所示。其中，熾熱顆粒在離合器摩擦片與飛輪、壓盤(pán)長(zhǎng)時(shí)間高速摩擦磨損，摩擦片出現(xiàn)一定程度磨損后才會(huì)產(chǎn)生。評(píng)定內(nèi)容見(jiàn)表4所示第3列b、c。

(4)采取措施后的點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定/確定保護(hù)級(jí)別。依據(jù)以上信息和試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)圖1點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)及防爆性能評(píng)定流程，對(duì)該防爆離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定的過(guò)程和結(jié)果如表4所示。評(píng)定內(nèi)容見(jiàn)表4所示第4列。根據(jù)評(píng)定結(jié)果，該防爆離合器在采取表4中的防爆保護(hù)措施后，其防爆保護(hù)級(jí)別為Gb IIT2。

表4 防爆離合器點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定表

4 結(jié)語(yǔ)

(1)防爆離合器是場(chǎng)車(chē)傳動(dòng)的重要組成部件，其防爆性能與運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)岜砻妗C(jī)械火花、熾熱粒子和靜電等非電氣防爆點(diǎn)燃源相關(guān)。結(jié)合離合器的結(jié)構(gòu)特征，分別分析了在正常運(yùn)行、預(yù)期故障和罕見(jiàn)故障等工況下點(diǎn)燃源可能出現(xiàn)的部位、類(lèi)型和出現(xiàn)的原因。

(2)目前，國(guó)內(nèi)對(duì)防爆場(chǎng)車(chē)離合器的防爆性能檢測(cè)認(rèn)證，僅在GB/T 19854—2018、GB/T 26950.1—2011和GB/T 26950.2—2015中要求使用無(wú)火花材料或設(shè)計(jì)成整體隔爆型/液浸型，而對(duì)于防爆離合器壓盤(pán)、摩擦片、飛輪、軸承等部件非電氣防爆的點(diǎn)燃危險(xiǎn)辨識(shí)與評(píng)定尚未進(jìn)行系統(tǒng)、深入的分析。

(3)本文依據(jù)ISO 80079—36:2016、EN 13463—1—2009和EN 15198—2007制定了防爆場(chǎng)車(chē)離合器防爆性能評(píng)定程序，主要包括點(diǎn)燃源危險(xiǎn)辨識(shí)，未采取保護(hù)措施的點(diǎn)燃危險(xiǎn)評(píng)定，對(duì)采取的防爆保護(hù)措施進(jìn)行分析和確認(rèn)和采取防爆保護(hù)措施后的危險(xiǎn)評(píng)定/確定防爆保護(hù)級(jí)別四個(gè)步驟。該評(píng)定方法能為防爆場(chǎng)車(chē)離合器的非電氣防爆設(shè)計(jì)和防爆性能檢測(cè)認(rèn)證提供參考和指導(dǎo)。