船用防爆升降机安全钳防爆论证分析

李根义，张晓东，杨子江

（中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

船用防爆升降机安全钳防爆论证分析

李根义，张晓东，杨子江

（中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

在易燃、易爆气体的危险工作场所使用的防爆升降机，安全钳钳块与刹车导轨之间的摩擦温升应当被限定在安全的范围之内，文章利用有限元软件对防爆升降机安全钳钳块和刹车导轨之间的摩擦生热问题进行了模拟仿真分析，得出了安全钳钳块的最高表面温度，并在此基础上对其机械防爆特性展开了论证分析。

防爆升降机；安全钳；机械防爆；论证

0 引言

防爆升降机常用于存在易燃、易爆气体的工作场所或者用于提升输送危险货物的场合，由于其工作环境的特殊性，对升降机提出了防爆技术要求，尤其是机械防爆特性方面的要求；安全钳是升降机中平台装置发生坠落的最后一道安全措施，作为升降机的关键安全部件，安全钳的机械防爆特性对整机的机械防爆特性尤为关键，其与刹车导轨之间的摩擦制停温升应当被限定在安全的范围之内[1]。本文利用ABAQUS软件对升降机安全钳制停平台装置时安全钳与刹车导轨之间的摩擦温升通过有限元进行了仿真分析，并根据使用环境的要求对安全钳的机械防爆特性展开了论证分析。

1 工况分析

本文研究的升降机安全钳技术指标见表1，其实际应用工况如图1所示。

由于围井结构的限制，本升降机采用“L”型布置型式，刹车导轨为单边单根式，安全钳安装于平台结构底部一侧的中间位置。

表1 安全钳总体技术指标

图1 安全钳安装位置示意图

安全钳的制停原理是通过安全钳钳块和刹车导轨间的自锁作用产生的巨大摩擦力来制停升降平台[2]，通过摩擦功来消耗下行升降平台的动能，以下主要通过二者之间热机耦合接触来分析摩擦能量和钳块的温升。

2 安全钳摩擦制停的热机耦合接触分析

2.1 有限元建模

平台制停时导轨固定，安全钳钳块在导轨上摩擦滑动。考虑到完全制停以前接触面一直有摩擦热生成，所以安全钳的钳块部分最有可能出现最大瞬时温度。因此本文取钳块为分析对象。根据对安全钳制停过程的分析，得知安全钳恰好动作到升降机完全驻停约需滑行数厘米，因此可以只取部分导轨（文中取为40cm）建立有限元模型，如图2所示。同时根据几何实体和边界条件的特点，利用对称性只选取实体的一半参与建模计算。假定导轨与安全钳皆为各向同性的匀质材料，考虑到紧急制停过程的时间很短，认为材料物性参数不随温度变化。导轨、钳块的材料参数如表2所示。

表2 钳块基本参数

在平台运行速度为0.02m/s，平台自重为5000kg，载荷重量为7500kg的情况下，安全钳制动距离为0.07m。根据运动学及动力学公式，得出安全钳钳块与导轨之间的摩擦系数为0.242；升降机实际的触发速度为0.63m/s。考虑到其它影响因素及安全设计余度，分别针对摩擦系数为0.25和0.28（对应触发速度为0.63m/s、最高环境温度为45℃），情况下进行安全钳钳块表面温度计算。特别指出，为了真实反映平台及载重的巨大惯性对安全钳制停过程的影响，模拟中考虑了沿z方向的重力作用，将平台的质量M等效到物块上。

基于通用有限元软件ABAQUS对安全钳制停系统进行数值研究。采用六面体8节点温度位移耦合单元（型号C3D8RT）对整个几何实体进行有限元离散[3]，如图2所示。因为滑行过程中摩擦表面不断地有热生成，对钳块的接触表面划分更为精细的网格予以重点考察。整个模型共计400000个单元，400000个节点，最小单元的尺寸为1mm×2mm×2mm。

假定制停过程中钳块与导轨之间的摩擦作用符合库伦定律，且摩擦系数保持不变；认为所有的摩擦功全部转化为摩擦热，并将产生的热流均等地分配到导轨及钳块的接触表面。整个系统的初始温度设为45℃，系统内的传热行为包括导轨与钳块之间的接触传热、非接触表面与空气的对流换热以及热辐射作用。位移边界条件方面：将导轨的底面完全约束，yz面上所有节点被施加对称约束，即Ux=URy=URz=0。安全钳制动初期具有和平台相同的沿z方向的初速度，沿x负方向对楔块的外表面施加压力以后，摩擦力作用使安全钳减速运动直至静止。采用ABAQUS/explicit计算程序对安全钳制停过程的热机耦合行为进行瞬态分析，输出整个模型的温度场。

图2 摩擦制停的热机耦合接触分析模型

2.2 接触表面的温度分布

不同摩擦系数下接触表面闪温时刻钳块温度分布图如图3、图4所示；不同摩擦系数下导轨闪温时刻钳块温度分布图如图5、图6所示。

图3 摩擦系数为0.25下接触表面闪温时刻钳块温度分布

图4 摩擦系数为0.28下接触表面闪温时刻钳块温度分布

图5 摩擦系数为0.25下导轨闪温时刻钳块温度分布

图6 摩擦系数为0.28下导轨闪温时刻钳块温度分布

3 有关安全钳防爆性能分析论证

根据爆炸性环境使用非电气设备紧急停止用制动器规定：仅在紧急状况下停止设备的制动器，结构应使其允许耗散的最大动能既不会超过最高表面温度，也不会在任何暴露在爆炸环境的部位处产生易燃火花[4]。所谓易燃火花也称机械火花，机械火花是高温的金属粉末，摩擦力会做功，产生热量，而热量在一定时间内如果没有被散去，就会造成温度升高，达到燃点后就燃烧。最通俗的描述就是：当铁被锯开时，由于铁和刀具之间剧烈的摩擦，产生了极高的温度，铁碎都会被燃烧，所以会看到火花，其实就是燃烧的铁的粉末（即碳粉），而硬度小，极细的碎末也不容易形成，所以有色金属不容易产生火花的原因，如防爆工具的材质是铜，由于铜的良好的导热性能及几乎不含碳的特性，使工具和物体摩擦或撞击时短时间内产生的热量被吸收及传导，另一个原因由于铜本身相对比较软，摩擦和撞击时有良好的退让性，不易产生微小金属颗粒，于是几乎看不到火花。

安全钳属于紧急停止制动器类，根据标准要求，安全钳在摩擦制停过程中一是不能产生火花，二是制停过程中钳块和导轨的摩擦表面温度不能超过升降机围井内爆炸性气体的最低点燃温度。

以下就以上两个方面要求对安全钳的防爆性能进行分析论证。

3.1 安全钳的型式选择

安全钳分为瞬时式安全钳和渐进式安全钳，前者适用于额定速度≤0.63m/s的电梯，后者适用于额定速度＞0.63m/s的电梯[5]。瞬时式安全钳的特点是制动时间短、制动距离短、冲击大，瞬时式安全钳也可称刚性安全钳；渐进式安全钳是在瞬时式安全钳的制动元件和钳体之间加入金属弹簧，制动元件的行程被限定后弹簧的变形量也就被限定了，因而制动元件对导轨施加的压力和摩擦制动力也就基本确定[6]。该种安全钳在制动期间以有限的压力作用于导轨上，其制动距离与被制停的质量及安全钳开始动作时的速度有关。

升降机的额定速度低，只有0.5m/s，制停减速度小、制动距离较长、冲击较小，正常情况下应采用瞬时式安全钳，考虑到防爆性能方面的要求，防爆升降机采用了渐进式安全钳，其目的是通过减小制停减速度、延长冲击时间等措施来减小制停时的动能，从而避免火花的产生及降低短时间内由于摩擦热导致的摩擦表面的温度升高。

3.2 安全钳制动力的选型

安全钳总容许质量（P+Q）为17644kg，对应制停减速度为0.6g，最大容许质量（P+Q）为18968kg，对应的制停加速度为0.49g，而升降机实际需要容许质量（P+Q）为11000kg，对应制停减速度为0.28g（瞬时安全钳的制停减速度一般在5g～10g，通常将瞬时安全钳也称为刚性安全钳），制停减速度的降低，大大地减少了制动能量，其效果相当于延长冲击时间、增加钳块的接触面积、减少钳块的比压、增加钳块的热容量，可大大降低摩擦功产生的温升。

从以上渐进式安全钳的结构及工作原理可以看出，由于制动元件对导轨施加的压力和摩擦制动力是基本确定，相应制动所需的摩擦系数也是确定的，因此通过上述仿真计算安全钳制停时摩擦表面温度的计算结果能够比较真实的反映安全钳制停时的温度情况。

3.3 安全钳制停过程中的机械火花问题

对工业事故和调查结果的分析已经证实，在低速旋转时（速度≤1m/s），不存在粉尘/空气混合物被机械火花点燃的危险[7]。

安全钳的钳块材料为球墨铸铁QT700，导轨材料为碳素结构钢Q235-A，钳块与导轨在摩擦制停过程中产生的铁粉的引燃温度为430℃[8]，考虑到其它因素的影响及安全余度情况下安全钳制停时钳块的表面最高温度为225℃（实际工况下为206℃），远低于铁粉引燃温度，同时明确要求刹车导轨上应保持一薄层润滑油以保证润滑，在这种带润滑的制停及温度情况下，铁粉不会引燃，即安全钳摩擦制停过程基本上不会产生火花。

3.4 围井内爆炸性气体的最低点燃温度的确定

Ⅱ类设备或者，如果适用，限定使用的特定气体、蒸气或薄雾，对于这种情况，最高表面温度应不超过特定气体、蒸气或薄雾的引燃温度；Gb级：所有能够接触爆炸性环境的设备、防护系统和元件的表面温度，在正常运行过程中和在故障情况下均不能超过可燃气体或液体的最低点燃温度。然而，如果不能排除气体或蒸气能被加热到表面温度，则表面温度不应超过气体的最低点燃温度的80%。仅在罕见故障情况下才可能超过这些数值[9]。

围井内的爆炸性气体不会被加热，因此对于升降机安全钳防爆性能要求为：在安全钳摩擦制停过程中，摩擦表面的最高温度不能超过围井内爆炸性气体的最低点燃温度。

安全钳在摩擦制停过程中钳块表面的最高温度在摩擦系数为0.25时为206℃，摩擦系数为0.28时为225℃（计算中已经考虑的最高环境温度为45℃），围井内爆炸性气体的最高引燃温度高于225℃即能满足围井内防爆要求。

4 结论

本文针对防爆升降机安全钳钳块和刹车导轨之间在安全钳制停平台装置过程中钳块表面的温升展开了仿真分析，得到了钳块表面温升在实际工况下的最大值，并在此分析的基础上，从安全钳的型式选择、安全钳制动力的选型、安全钳制停过程中的机械火花问题、围井内爆炸性气体的最低点燃温度的确定四个方面对安全钳的机械防爆特性展开了论证分析，确定了升降机安全钳适用的爆炸性气体的最低点燃温度范围。

[1]倪正官,康虹桥.防爆电梯的机械防爆[J].中国电梯,2006(5):31-33.

[2]朱昌明,张惠侨,陈刚.电梯安全钳的制停性能分析[J].中国电梯,1990(2):16-20.

[3]庄茁,等译.有限元软件入门指南[M].北京:清华大学出版社,1998.

[4]GB25286.5-2013.爆炸性环境用非电气设备第5部分:结构安全型c[S].北京:中国标准出版社,2013.

[5]GB7588-2003.电梯制造与安装安全规范[S].北京:中国标准出版社,2003.

[6]海曼.电梯安全钳的结构及性能分析[J].大众标准化,2005(5):18-20.

[7]GB25285.1-2010.爆炸性环境 爆炸预防和防护第1部分:基本原则和方法[S].北京:中国标准出版社,2010.

[8]GB50058-1992.爆炸和火灾危害环境电力装置设计规范[S].北京:中国标准出版社,1992

[9]GB25286.1-2013.爆炸性环境用非电气设备[S].北京:中国标准出版社,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

李根义（1982-），男，工程师，主要从事防爆升降机等方面的研究工作。