艦用飛機牽引車防爆設計

陳宇 陳文科 溫琦 劉艷陽 田甜 劉學文

北京金輪坤天特種機械有限公司 北京市 100083

1 引言

飛機牽引車是艦載機調(diào)運系統(tǒng)中的重要設備，主要用于機庫及飛行甲板上多種飛機的水平調(diào)運。當在船機庫等狹小、封閉空間內(nèi)使用時，不僅要求牽引車具有速度平穩(wěn)、加速及制動柔和、轉(zhuǎn)向靈活等特性，同時還要求牽引車具備防爆性能。其主要原因是在比較密閉機庫內(nèi)，放置飛機等許多以燃油為動力設備，這些油料揮發(fā)的油氣達到一定濃度就很容易被引燃甚至發(fā)生爆炸。因而要求牽引車必須具有防爆性能。

以某型艦用防爆牽引車為例，闡述艦用飛機牽引車防爆設計。該型牽引車是以防爆柴油發(fā)動機為動力源，采用液壓傳動方式，實現(xiàn)對飛機無桿牽引[1]。艦用牽引車防爆設計不僅考慮各個零部件需符合相應防爆要求，各個系統(tǒng)、各個零部件之間的匹配也需有相應的防爆措施及要求。并且各個防爆元件應適應海洋環(huán)境使用，具備耐鹽霧、耐腐蝕能力。牽引車防爆設計關鍵和難點是柴油發(fā)動機動力系統(tǒng)及電氣設備的防爆設計。

2 爆炸性環(huán)境介紹及確定牽引車防爆等級

易燃易爆危險區(qū)域按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻繁程度、持續(xù)時間和危險程度分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)：

0區(qū)：爆炸性氣體混合物連續(xù)出現(xiàn)或長時間存在的場所；

1區(qū)：在正常作業(yè)中可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的場所；

2區(qū)：在正常作業(yè)中不大可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物，即使出現(xiàn)也偶爾的短時存在的場所。

爆炸性氣體混合物的爆炸級別分為IIA、IIB、IIC三級。IIC級的傳爆能力最大，IIB級次之，傳爆能力最小的為IIA級。

設備引爆可燃性氣體混合物有兩方面原因：一個是設備產(chǎn)生的火花、電弧，另一個是設備表面發(fā)熱。設備的防爆性能也都是通過切斷這兩個引燃源來實現(xiàn)的。爆炸性氣體的溫度組別見表1，按其引燃溫度可分為T1～T6共6組，其對應的引燃溫度和允許的最高表面溫度如下表1。

按《GB 19854-2005爆炸性氣體環(huán)境用工業(yè)車輛防爆技術(shù)通則》，及牽引車使用環(huán)境，確定該型艦用防爆牽引車是用于潛在爆炸性氣體環(huán)境中1區(qū)使用車輛，場所內(nèi)存有ⅡA或ⅡB級、T1～T4溫度組別的可燃性氣體，其防爆標志為Ex d e mbⅡBT4Gb。防爆主要形式為隔爆[2]。

3 牽引車關鍵部件的防爆設計

3.1 柴油發(fā)動機防爆設計

柴油發(fā)動機的防爆改裝是無桿牽引車各項防爆措施的重點也是難點。如圖1，柴油發(fā)動機防爆系統(tǒng)由進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和啟動/緊急熄火裝置組成。防爆改裝的發(fā)動機采用抗靜電皮帶及抗靜電風扇，防止牽引車運行時產(chǎn)生靜電或電火花；進氣截止閥和排氣阻焰器內(nèi)的芯片，用以阻止柴油機正常燃燒或意外爆炸時的火焰?zhèn)魅胫車h(huán)境；主冷卻器裝在柴油機排氣系統(tǒng)和缸蓋排氣口一側(cè)與氣缸蓋相連，用以將400℃以上的柴油機排氣冷卻到防爆規(guī)定值以下；火星消除器消除柴油機排氣火花。

表1 爆炸性氣體的溫度組別

防爆發(fā)動機的控制系統(tǒng)對發(fā)動機正常工作及安全起關鍵作用。如圖2，在防爆發(fā)動機控制系統(tǒng)中，當發(fā)動機排氣溫度和冷卻溫度正常時，5排溫傳感器和6水溫傳感器處于常閉狀態(tài)。一旦排溫超過135℃或水溫超過超過100℃時，5和6會自動打開其內(nèi)油道，使壓力油通過泄壓管路流回到發(fā)動機。因在控制油路的供油口處有一個節(jié)流閥2，所以當油路泄油時，系統(tǒng)中的壓力油不能馬上補充上來，從而使系統(tǒng)油壓迅速降低到接近零值。系統(tǒng)油壓的降低使得圖2中序號1進氣截止閥控制油缸內(nèi)的油壓相應降低，從而引起活塞桿縮回。這時進氣截止閥會自動關閉，切斷發(fā)動機進氣，迫使發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)。

圖1 柴油發(fā)動機防爆系統(tǒng)

圖2 防爆發(fā)動機控制系統(tǒng)

起動馬達的防爆設計采用隔爆原理，即把能夠產(chǎn)生火花、電弧和危險溫度的零部件都放在隔爆機殼內(nèi)，使機殼內(nèi)腔與外部隔開。當隔爆機殼內(nèi)腔產(chǎn)生爆炸時，不能夠引起機殼外部爆炸性氣體混合物的爆炸。此外，隔爆機殼表面的最高溫度不超過周圍爆炸性氣體混合物的引燃溫度T4，即135℃。從而有效避免因表面溫度過高引燃爆炸性氣體混合物。

3.2 牽引車防爆電氣系統(tǒng)設計

除牽引車發(fā)動機等關鍵元部件要求防爆外，整車電氣系統(tǒng)也要求具備防爆性能。該型艦用牽引車電氣系統(tǒng)主要包括燈具（包括前照燈、后照燈、警燈等，防爆等級ExdeⅡCT6）、防爆按鈕箱（E x d eⅡC T 6）、防爆動力控制箱（ExdⅡBT6）、防爆發(fā)電機、防爆起動馬達、防爆蓄電池、防爆儀表以及防爆電磁鐵等電氣元器件。這些電氣元件不僅要具有相應防爆等級，同時因在船上使用，應適應海洋環(huán)境，達到船用標準。此外電纜也要選擇低煙、無鹵、低毒成束阻燃的艦用軟電纜。

牽引車電氣系統(tǒng)采用雙極式布線方式，見圖3。即電氣連接必須單獨形成回路，不能用車體作為負極使用，電氣回路與車體絕緣。并且，牽引車的電氣連接點都必須在防爆箱內(nèi)和防爆控制盒中[3]。牽引車上所配置的防爆電氣設備均固定于車架上，且連接可靠。各電氣設備使用的電纜芯線的截面積均能滿足設備本身電路載流量要求。電纜在引入設備時能被可靠壓緊。

牽引車防爆蓄電池是由免維護鉛酸蓄電池防爆改裝而成。蓄電池制成雙極柱，即兩個正極柱和兩個負極柱。蓄電池的正極板采用耐酸絕緣材料進行膠封。蓄電池箱的箱體和箱蓋由金屬材料制成，能耐受沖擊，具有足夠的機械強度。在箱體內(nèi)表面覆蓋耐酸絕緣材料，并保證在規(guī)定使用年限內(nèi)不會脫落、損壞。箱體外表面進行三防漆處理，以增加抗腐蝕抗鹽霧能力。此外，蓄電池箱體開設通風孔，避免氫氣積聚。

圖3 牽引車電氣系統(tǒng)局部圖

3.3 牽引車其他部件防爆設計

該艦用牽引車除了對電氣元件進行防爆處理外，其它非電氣系統(tǒng)部件也做了防爆處理。因為牽引車在行駛當中，由于金屬部件摩擦或碰撞很容易產(chǎn)生火花。比如，車輛制動方式如果采用鼓式或盤式制動，為避免制動過程中金屬摩擦產(chǎn)生火花，制動片材料應為非金屬或鑄鐵，不應使用輕金屬合金。非金屬化合物包含的金屬重量不應超過40%，這些金屬應為顆?；蚣毥z。摩擦片應鉚接或粘接到摩擦片底板上，摩擦片的摩擦面上不應有小孔或接點[4]。

牽引車發(fā)動機風扇由于高速旋轉(zhuǎn)，與空氣摩擦容易產(chǎn)生靜電，并形成靜電電弧，因而也需要做防爆處理，設計成防爆風扇。

牽引車輪胎采用抗靜電輪胎，表面電阻，在相對濕度為50%時不大于1GΩ；車輛上所有大于100cm2的金屬部件都應連接到車架上，以保持電位平衡；驅(qū)動皮帶應采用表面電阻小于1GΩ的橡膠材料制成；車輛上的塑料材料的表面電阻，在相對濕度為50%時不應大于1GΩ；車輛上所有的金屬部件對地電阻不應大于106Ω。

4 牽引車整車防爆安全保護措施

該艦用牽引車安裝有排氣溫度閥和冷卻水溫度閥，實現(xiàn)超溫保護。

當冷卻水溫超過100度或排氣溫度超過135度，發(fā)動機機油壓力通過水溫閥或排溫閥泄壓，控制小油缸關閉進氣截止閥，使發(fā)動機停機。

牽引車上配有機油壓力表，正常工作壓力為2-5kg/cm2，即柴油發(fā)動機的潤滑機油壓力。當發(fā)動機機油壓力過低，低于2kg/cm^2時，發(fā)動機自動停機。

發(fā)動機超速失控（飛車）時，牽引車自動停機。

此外，該艦用牽引車具備兩種熄火方式，配有兩套熄火手柄。通常情況下采用熄火拉線手柄斷油的方式熄火。緊急情況下采用起動/緊急熄火手柄斷氣的方式熄火，該裝置與進氣截止閥相連，將起動-熄火手柄拉至熄火位置并保持，發(fā)動機即熄火。

在牽引車車身上安裝醒目的銅質(zhì)防爆標牌、警示標志和使用須知等，提醒操作人員在使用牽引車時須注意的事項。

5 結(jié)語

艦用防爆牽引車的設計性能要求應高于普通飛機牽引車，尤其對整機絕緣性、導電性、溫度、電路短路、電流等方面應提高技術(shù)標準要求。牽引車諸如電機、電器元件都在隔爆體內(nèi)，散熱性差造成溫升高；當電路設計不合理時也容易造成電路短路；如果整機的負荷電流大，會產(chǎn)生過流、溫升高、電線易老化、絕緣性下降等問題，造成防爆牽引車的防爆性能差。即使有保護手段，但也會造成整機運行時間短、維護時間長、使用壽命短的缺陷。因此，該型艦用牽引車在設計初始，考慮了余量設計，考慮因防爆改裝可能帶來整機技術(shù)性能降低因素。此外，防爆牽引車在總體設計上也考慮人性化需求。如該型艦用牽引車，原駕駛員鐵皮座椅在甲板上因惡劣氣候無法入座，包覆真皮后，既符合防爆要求，又增加美觀和舒適感。該型艦用牽引車通過在船上多年服役，充分證實牽引車防爆設計合理，滿足現(xiàn)實牽引作業(yè)要求。未來，我們對飛機牽引車也將不斷改進，以適應新船提出的新作業(yè)要求。