防爆场车离合器点燃危险辨识及防爆性能评定*

蒋漳河，梁峻，汤鹏，王新华

(1广州特种机电设备检测研究院，广东广州 510760；2国家防爆设备质量监督检验中心，广东广州 510760)

0 引言

离合器作为防爆内燃叉车动力传递功能实现的重要组成部分，也是防爆场车典型的非电气类部件。在其工作过程中由于各部件高速旋转相互摩擦会产生机械火花、高温热表面及炽热颗粒物等危险点燃源。离合器的防爆性能主要涉及非电气防爆技术，2001年欧洲就已经开展非电气防爆安全相关的检测认证工作。基于EN 13463: 2009 标准制订的国际标准 ISO 80079—36: 2016和ISO80079—37: 2016也于2016年实施，这标志着非电气/机械防爆安全在世界范围内受到重视[1]。而国内关于非电气防爆安全的标准化工作起步较晚，GB 25286非电气防爆系统标准在2010年才发布实施。温度对离合器性能与使用效果具有重要影响，很多学者对离合器作业过程中的温度分布、温升过程以及温度对离合器扭矩、弹簧载荷的影响规律等进行了实验、仿真研究[2]。离合器的防爆性能不仅要考虑温度的影响，还需要分析产生的机械火花、炽热粒子、静电等点燃危险。文献[3]对防爆离合器的点燃源进行了辨识和预防措施分析，现有防爆厂车相关GB/T 19854—2018、GB/T 26950.1—2011和GB/T 26950.2—2015国标和防场车型式试验关于离合器防爆性能的要求仅规定使用无火花材料或隔爆型、液浸型，而对于防爆离合器压盘、摩擦片、飞轮、轴承等部件非电气防爆的危险辨识与防爆性能认证尚未进行系统的分析和要求[4，5]。因此，为确保防爆场车在爆炸性环境中的安全使用，有必要对防爆场车用离合器的点燃危险和防爆性能评定进行系统性的研究分析。通过离合器点燃危险评定能确定其非电气防爆的保护级别和温度组别，可为防爆场车离合器的设计、制造和检测认证提供参考依据。

1 防爆离合器点燃源辨识

离合器一般位于发动机和变速箱之间，起到将传动系统随时分离和接合的作用，其组成一般包括主动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分[3]。离合器在正常运行下主要包括车辆起步及档位切换；预期故障包括离合器分离缓慢或分离不彻底、离合器超载、离合器接合时发抖或打滑、离合器异响、摩擦片烧蚀磨损严重、弹簧弹力变弱等；罕见故障包括离合器部件损坏，例如从动盘扭转或减震弹簧折断、从动轴花键磨损、轴承损坏等。

点燃危险辨识是点燃危险评定的基础，根据GB 25285.1—2010，非电气部件存在的点燃源主要是机械火花、热表面、火焰和热气体(包括炽热粒子)和静电[6]。与防爆场车离合器相关的潜在点燃源则主要是机械火花、热表面、炽热粒子和静电4类：(1)摩擦片与压盘、飞轮及轴承在运动过程中产生的高温热表面。(2)摩擦片与飞轮两者在相互运动中产生的机械火花。(3)离合器非金属部件摩擦碰撞时产生的静电电荷。(4)摩擦片由于磨损严重而产生的炽热颗粒物。(5)离合器各部件因故障而引起的碰撞火花[3]。防爆离合器工作过程中非电气点燃源出现的部位、原因和工况分析见表1。

表1 离合器点燃危险源辨识

2 防爆离合器点燃危险评定方法

根据ISO 80079—36:2016、EN 13463—1—2009和EN 15198—2007非电气防爆标准，防爆场车离合器非电气点燃危险评定分为四步[1，7～9]：(1)点燃源辨识；(2)初始点燃危险评定；(3)对采取的防爆保护措施进行分析和确认；(4)采取防爆保护措施后的危险评定/确定防爆保护级别。其具体的辨识和评定过程如图1所示。

图1 防爆场车离合器点燃危险辨识及防爆性能评定流程

2.1 点燃危险辨识

防爆场车离合器点燃危险辨识详见表1，该部分的关键在于对离合器运行的正常工况、预期故障和罕见故障进行细致分析，辨识出各部位可能存在的热表面、机械火花、炽热粒子和静电。

2.2 防爆保护措施分析

进行点燃危险辨识后，离合器制造厂家和防爆检测认证机构会制定每个部件预防点燃源的保护措施，归纳起来为以下四类。[3～5]

(1)保证不形成点燃源：①不采用轻金属作为摩擦材料，同时限制离合器摩擦片中金属丝的含量或采用无金属丝的摩擦片。②离合器的旋转件与其它部件的间隙应至少为运动部件最大直径的1%(但最少不得低于1mm)。③安装磨损探测器，探测离合器摩擦片的磨损量。当磨损量超过设定值时，对磨损情况进行实时监测和预警保护。④为避免静电的产生与积聚，摩擦片材料的表面电阻值不应高于109Ω，同时其它金属部件与场车金属结构做好等电位连接。

(2)保证不成为有效的点燃源：①选用导热系数较高的压盘材料，加大摩擦片面积，降低单位质量内的能量。②温度监测保护措施。在飞轮及压盘的摩擦热表面位置预埋温度传感器，对离合器进行实时监测和预警保护，即设计成控制点燃源型“b”部件。③对离合器的运行参数进行控制，如设定离合器的运行速度、转矩等参数的上限值。

(3)阻止爆炸型环境接触点燃源：离合器整体设计成液浸型“k”。

(4)隔离阻止部件内部的火焰向外传播：离合器整体设计成隔爆外壳型“d”。

2.3 点燃危险评定

点燃危险评定是对点燃源按在正常运行、预期故障和罕见故障条件下可能出现的频率进行定性分析。正常运行是指设备在其设计参数范围内的正常运行状况；预期故障是指实际运行中预期可能出现的干扰或设备故障；罕见故障是指在罕见情况下才可能出现的故障。两个独立的预期故障可视为一个罕见故障[1]。防爆场车离合器点燃危险评定按照初始危险评定、采取保护措施后的点燃危险评定(必要的试验和制造商设计资料)和确定防爆保护级别三个步骤进行。

(1)行初始危险评定，初始危险评定可按照表1的危险辨识表进行。初始危险评定后进一步确定和分析各部位需采取的保护措施。

(2)采取保护措施后的点燃危险评定，这时需要借助相关的专项试验和离合器设计者或制造商提供的资料等对采取的防爆保护措施进行综合分析和评定。例如离合器摩擦温升试验和机械火花试验可以借助图2所示的测试装置，在不同转速、扭矩工况下对离合器摩擦片产生的高温热表面和机械火花进行测试[10]。

图2 离合器防爆性能试验装置

(3)确定设备保护级别，按照表2所示的防爆保护级别判定准则逐一对每一类点燃源进行分析评定。每一类点燃源的保护级别确定后，再按照保护级别中最低的级别确定离合器的整体防爆保护级别。设备或部件在正常工况下不存在点燃危险，则设备或部件的保护级别定为Gc/Dc级；如果设备或部件在预期故障下不存在点燃危险，则设备或部件的保护级别定为Gb/Db/Mb级；如果设备或部件在罕见故障下不存在点燃危险，则设备或部件的保护级别定为Ga/Da/Ma级。

表2 设备保护级别评定准则及对应关系

3 实例分析

某型号用于1区爆炸性气体环境的防爆离合器，φ275mm、摩擦片材料为石棉材料，其余部件为钛基金属材料，最大转速为1000r/min、最大扭矩为200 N·m。离合器防爆性能测试数据见表3。

表3 离合器防爆性能测试数据

(1)点燃危险辨识和初始危险评定。该离合器为1区爆炸性环境使用，因此按照表1仅对正常运行和预期故障的危险源进行分析和初始危险评定。评定内容见表4所示第1列、第2列。

(2)采取的防爆保护措施。根据设计制造商设计资料，评定内容见表4所示第3列a：①采用导热系数较高的压盘材料；②合理设定轴承润滑保养周期；③设定离合器的转速、转矩上限值；④合理设定摩擦片的更换周期；⑤限制摩擦片材料的表面电阻。

(3)试验测试。在实验室对该型号防爆离合器进行摩擦温升、机械火花和炽热粒子测试。按照额定载荷和运行上限速度1.5的安全系数进行轮轨摩擦试验，试验数据见表3所示。其中，炽热颗粒在离合器摩擦片与飞轮、压盘长时间高速摩擦磨损，摩擦片出现一定程度磨损后才会产生。评定内容见表4所示第3列b、c。

(4)采取措施后的点燃危险评定/确定保护级别。依据以上信息和试验结果，依据图1点燃危险辨识及防爆性能评定流程，对该防爆离合器点燃危险评定的过程和结果如表4所示。评定内容见表4所示第4列。根据评定结果，该防爆离合器在采取表4中的防爆保护措施后，其防爆保护级别为Gb IIT2。

表4 防爆离合器点燃危险评定表

4 结语

(1)防爆离合器是场车传动的重要组成部件，其防爆性能与运行过程中产生的高温热表面、机械火花、炽热粒子和静电等非电气防爆点燃源相关。结合离合器的结构特征，分别分析了在正常运行、预期故障和罕见故障等工况下点燃源可能出现的部位、类型和出现的原因。

(2)目前，国内对防爆场车离合器的防爆性能检测认证，仅在GB/T 19854—2018、GB/T 26950.1—2011和GB/T 26950.2—2015中要求使用无火花材料或设计成整体隔爆型/液浸型，而对于防爆离合器压盘、摩擦片、飞轮、轴承等部件非电气防爆的点燃危险辨识与评定尚未进行系统、深入的分析。

(3)本文依据ISO 80079—36:2016、EN 13463—1—2009和EN 15198—2007制定了防爆场车离合器防爆性能评定程序，主要包括点燃源危险辨识，未采取保护措施的点燃危险评定，对采取的防爆保护措施进行分析和确认和采取防爆保护措施后的危险评定/确定防爆保护级别四个步骤。该评定方法能为防爆场车离合器的非电气防爆设计和防爆性能检测认证提供参考和指导。