防爆場車離合器點燃危險辨識及防爆性能評定*

蔣漳河，梁峻，湯鵬，王新華

(1廣州特種機電設備檢測研究院，廣東廣州 510760；2國家防爆設備質量監(jiān)督檢驗中心，廣東廣州 510760)

0 引言

離合器作為防爆內燃叉車動力傳遞功能實現(xiàn)的重要組成部分，也是防爆場車典型的非電氣類部件。在其工作過程中由于各部件高速旋轉相互摩擦會產生機械火花、高溫熱表面及熾熱顆粒物等危險點燃源。離合器的防爆性能主要涉及非電氣防爆技術，2001年歐洲就已經開展非電氣防爆安全相關的檢測認證工作。基于EN 13463: 2009 標準制訂的國際標準 ISO 80079—36: 2016和ISO80079—37: 2016也于2016年實施，這標志著非電氣/機械防爆安全在世界范圍內受到重視[1]。而國內關于非電氣防爆安全的標準化工作起步較晚，GB 25286非電氣防爆系統(tǒng)標準在2010年才發(fā)布實施。溫度對離合器性能與使用效果具有重要影響，很多學者對離合器作業(yè)過程中的溫度分布、溫升過程以及溫度對離合器扭矩、彈簧載荷的影響規(guī)律等進行了實驗、仿真研究[2]。離合器的防爆性能不僅要考慮溫度的影響，還需要分析產生的機械火花、熾熱粒子、靜電等點燃危險。文獻[3]對防爆離合器的點燃源進行了辨識和預防措施分析，現(xiàn)有防爆廠車相關GB/T 19854—2018、GB/T 26950.1—2011和GB/T 26950.2—2015國標和防場車型式試驗關于離合器防爆性能的要求僅規(guī)定使用無火花材料或隔爆型、液浸型，而對于防爆離合器壓盤、摩擦片、飛輪、軸承等部件非電氣防爆的危險辨識與防爆性能認證尚未進行系統(tǒng)的分析和要求[4，5]。因此，為確保防爆場車在爆炸性環(huán)境中的安全使用，有必要對防爆場車用離合器的點燃危險和防爆性能評定進行系統(tǒng)性的研究分析。通過離合器點燃危險評定能確定其非電氣防爆的保護級別和溫度組別，可為防爆場車離合器的設計、制造和檢測認證提供參考依據(jù)。

1 防爆離合器點燃源辨識

離合器一般位于發(fā)動機和變速箱之間，起到將傳動系統(tǒng)隨時分離和接合的作用，其組成一般包括主動部分、從動部分、壓緊機構和操縱機構四部分[3]。離合器在正常運行下主要包括車輛起步及檔位切換；預期故障包括離合器分離緩慢或分離不徹底、離合器超載、離合器接合時發(fā)抖或打滑、離合器異響、摩擦片燒蝕磨損嚴重、彈簧彈力變弱等；罕見故障包括離合器部件損壞，例如從動盤扭轉或減震彈簧折斷、從動軸花鍵磨損、軸承損壞等。

點燃危險辨識是點燃危險評定的基礎，根據(jù)GB 25285.1—2010，非電氣部件存在的點燃源主要是機械火花、熱表面、火焰和熱氣體(包括熾熱粒子)和靜電[6]。與防爆場車離合器相關的潛在點燃源則主要是機械火花、熱表面、熾熱粒子和靜電4類：(1)摩擦片與壓盤、飛輪及軸承在運動過程中產生的高溫熱表面。(2)摩擦片與飛輪兩者在相互運動中產生的機械火花。(3)離合器非金屬部件摩擦碰撞時產生的靜電電荷。(4)摩擦片由于磨損嚴重而產生的熾熱顆粒物。(5)離合器各部件因故障而引起的碰撞火花[3]。防爆離合器工作過程中非電氣點燃源出現(xiàn)的部位、原因和工況分析見表1。

表1 離合器點燃危險源辨識

2 防爆離合器點燃危險評定方法

根據(jù)ISO 80079—36:2016、EN 13463—1—2009和EN 15198—2007非電氣防爆標準，防爆場車離合器非電氣點燃危險評定分為四步[1，7～9]：(1)點燃源辨識；(2)初始點燃危險評定；(3)對采取的防爆保護措施進行分析和確認；(4)采取防爆保護措施后的危險評定/確定防爆保護級別。其具體的辨識和評定過程如圖1所示。

圖1 防爆場車離合器點燃危險辨識及防爆性能評定流程

2.1 點燃危險辨識

防爆場車離合器點燃危險辨識詳見表1，該部分的關鍵在于對離合器運行的正常工況、預期故障和罕見故障進行細致分析，辨識出各部位可能存在的熱表面、機械火花、熾熱粒子和靜電。

2.2 防爆保護措施分析

進行點燃危險辨識后，離合器制造廠家和防爆檢測認證機構會制定每個部件預防點燃源的保護措施，歸納起來為以下四類。[3～5]

(1)保證不形成點燃源：①不采用輕金屬作為摩擦材料，同時限制離合器摩擦片中金屬絲的含量或采用無金屬絲的摩擦片。②離合器的旋轉件與其它部件的間隙應至少為運動部件最大直徑的1%(但最少不得低于1mm)。③安裝磨損探測器，探測離合器摩擦片的磨損量。當磨損量超過設定值時，對磨損情況進行實時監(jiān)測和預警保護。④為避免靜電的產生與積聚，摩擦片材料的表面電阻值不應高于109Ω，同時其它金屬部件與場車金屬結構做好等電位連接。

(2)保證不成為有效的點燃源：①選用導熱系數(shù)較高的壓盤材料，加大摩擦片面積，降低單位質量內的能量。②溫度監(jiān)測保護措施。在飛輪及壓盤的摩擦熱表面位置預埋溫度傳感器，對離合器進行實時監(jiān)測和預警保護，即設計成控制點燃源型“b”部件。③對離合器的運行參數(shù)進行控制，如設定離合器的運行速度、轉矩等參數(shù)的上限值。

(3)阻止爆炸型環(huán)境接觸點燃源：離合器整體設計成液浸型“k”。

(4)隔離阻止部件內部的火焰向外傳播：離合器整體設計成隔爆外殼型“d”。

2.3 點燃危險評定

點燃危險評定是對點燃源按在正常運行、預期故障和罕見故障條件下可能出現(xiàn)的頻率進行定性分析。正常運行是指設備在其設計參數(shù)范圍內的正常運行狀況；預期故障是指實際運行中預期可能出現(xiàn)的干擾或設備故障；罕見故障是指在罕見情況下才可能出現(xiàn)的故障。兩個獨立的預期故障可視為一個罕見故障[1]。防爆場車離合器點燃危險評定按照初始危險評定、采取保護措施后的點燃危險評定(必要的試驗和制造商設計資料)和確定防爆保護級別三個步驟進行。

(1)行初始危險評定，初始危險評定可按照表1的危險辨識表進行。初始危險評定后進一步確定和分析各部位需采取的保護措施。

(2)采取保護措施后的點燃危險評定，這時需要借助相關的專項試驗和離合器設計者或制造商提供的資料等對采取的防爆保護措施進行綜合分析和評定。例如離合器摩擦溫升試驗和機械火花試驗可以借助圖2所示的測試裝置，在不同轉速、扭矩工況下對離合器摩擦片產生的高溫熱表面和機械火花進行測試[10]。

圖2 離合器防爆性能試驗裝置

(3)確定設備保護級別，按照表2所示的防爆保護級別判定準則逐一對每一類點燃源進行分析評定。每一類點燃源的保護級別確定后，再按照保護級別中最低的級別確定離合器的整體防爆保護級別。設備或部件在正常工況下不存在點燃危險，則設備或部件的保護級別定為Gc/Dc級；如果設備或部件在預期故障下不存在點燃危險，則設備或部件的保護級別定為Gb/Db/Mb級；如果設備或部件在罕見故障下不存在點燃危險，則設備或部件的保護級別定為Ga/Da/Ma級。

表2 設備保護級別評定準則及對應關系

3 實例分析

某型號用于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，最大轉速為1000r/min、最大扭矩為200 N·m。離合器防爆性能測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 離合器防爆性能測試數(shù)據(jù)

(1)點燃危險辨識和初始危險評定。該離合器為1區(qū)爆炸性環(huán)境使用，因此按照表1僅對正常運行和預期故障的危險源進行分析和初始危險評定。評定內容見表4所示第1列、第2列。

(2)采取的防爆保護措施。根據(jù)設計制造商設計資料，評定內容見表4所示第3列a：①采用導熱系數(shù)較高的壓盤材料；②合理設定軸承潤滑保養(yǎng)周期；③設定離合器的轉速、轉矩上限值；④合理設定摩擦片的更換周期；⑤限制摩擦片材料的表面電阻。

(3)試驗測試。在實驗室對該型號防爆離合器進行摩擦溫升、機械火花和熾熱粒子測試。按照額定載荷和運行上限速度1.5的安全系數(shù)進行輪軌摩擦試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3所示。其中，熾熱顆粒在離合器摩擦片與飛輪、壓盤長時間高速摩擦磨損，摩擦片出現(xiàn)一定程度磨損后才會產生。評定內容見表4所示第3列b、c。

(4)采取措施后的點燃危險評定/確定保護級別。依據(jù)以上信息和試驗結果，依據(jù)圖1點燃危險辨識及防爆性能評定流程，對該防爆離合器點燃危險評定的過程和結果如表4所示。評定內容見表4所示第4列。根據(jù)評定結果，該防爆離合器在采取表4中的防爆保護措施后，其防爆保護級別為Gb IIT2。

表4 防爆離合器點燃危險評定表

4 結語

(1)防爆離合器是場車傳動的重要組成部件，其防爆性能與運行過程中產生的高溫熱表面、機械火花、熾熱粒子和靜電等非電氣防爆點燃源相關。結合離合器的結構特征，分別分析了在正常運行、預期故障和罕見故障等工況下點燃源可能出現(xiàn)的部位、類型和出現(xiàn)的原因。

(2)目前，國內對防爆場車離合器的防爆性能檢測認證，僅在GB/T 19854—2018、GB/T 26950.1—2011和GB/T 26950.2—2015中要求使用無火花材料或設計成整體隔爆型/液浸型，而對于防爆離合器壓盤、摩擦片、飛輪、軸承等部件非電氣防爆的點燃危險辨識與評定尚未進行系統(tǒng)、深入的分析。

(3)本文依據(jù)ISO 80079—36:2016、EN 13463—1—2009和EN 15198—2007制定了防爆場車離合器防爆性能評定程序，主要包括點燃源危險辨識，未采取保護措施的點燃危險評定，對采取的防爆保護措施進行分析和確認和采取防爆保護措施后的危險評定/確定防爆保護級別四個步驟。該評定方法能為防爆場車離合器的非電氣防爆設計和防爆性能檢測認證提供參考和指導。