防爆技術在氣動葫蘆產品上的應用

王方利，張玉大

(1 佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005;2 中海油安全技術服務有限公司，天津300456)

0 引言

煤礦、石油、化工等爆炸危險場所會使用到諸如氣動馬達、氣動葫蘆等非電氣設備及防爆起重機的卷筒、減速器等機械零部件，這些設備或部件因相互摩擦、撞擊會產生機械火花、危險溫度或靜電放電等點燃源，如果不對其采取限制和保護措施，就會引起周圍爆炸性環境的引燃。

2011 年國家質量監督檢驗檢疫總局頒布并實施了GB 25286《爆炸性環境用非電氣設備》系列標準，該標準等效采用EN 13463 系列標準，包括基本方法和要求及限流外殼型“fr”、隔爆外殼型“d”、結構安全型“c”、控制點燃源型“b”、液浸型“k”等五種防燃型式，對非電氣設備的設計、結構、試驗提出了詳細要求。

本文對環鏈式氣動葫蘆的工作原理及結構、潛在點燃源的分析、應采取的防燃措施等方面作一定的闡述，供有關人員參考。

1 非電氣設備防爆基本要求

設備暴露在潛在爆炸性環境中或者能形成粉塵層的任何部分的最高表面溫度應低于爆炸性氣體混合物的點燃溫度。

非金屬部件在最高環境溫度下，塑料材料的局部最高表面溫度至少應比對應20 000h 點的溫度指數TI 低20K。在溫度為(23±2)℃，相對濕度為(50±5)%的條件下測得的表面電阻不得超過1GΩ。

制造Ⅰ類設備外殼部件的材料，對于Ma 和Mb 級，按質量百分比，鋁、鈦、鎂和鋯的總含量不允許大于15%，并且鈦、鎂和鋯的總含量不允許大于7.5%。制造II 類或III 類設備外殼部件的材料按質量百分比，對于Ga、Da 級:鋁、鈦、鎂和鋯的總含量不允許大于10%，其中鈦、鎂和鋯的總含量不允許大于7.5%;對于Gb、Db 級:鎂含量不允許大于7.5%;對于Gc、Dc 級:無特別要求。

設備使用過程中會受到外部沖擊的部件需進行沖擊試驗，沖擊點應為最薄弱部位。不同部位應承受的沖擊能量見表1。

表1 沖擊試驗能量表

保持防燃型式必需的部件應確保不會因疏忽而被移除。為此，采用的緊固件只能用工具或鑰匙幫助拆卸。

無潤滑的襯墊、密封、套筒、風箱和隔板，在正常工作中或在預期故障條件下如果有滑動摩擦，不應使用輕金屬。但是由彈性材料、PTFE 或類似材料、石墨和陶瓷制成的套筒適用。非金屬材料應耐變形和抗老化，并且不會降低防爆性能。

圓周速度小于1m/s 的緩慢旋轉部件，通常不需要保護防止由摩擦產生的熱量和機械火花。對于有高速旋轉部件的設備，應考慮采用隔爆外殼型“d”防燃措施。

制動器的結構應使其允許耗散的最大動能既不會超過最高表面溫度，也不會在任何暴露于爆炸性環境的部件處產生易燃火花。

2 環鏈式氣動葫蘆工作原理及結構特點

環鏈式氣動葫蘆以0.4 ～0.6MPa 的壓縮空氣作為動力源，壓縮空氣驅動氣動馬達旋轉帶動其他相應機構的運行從而實現對物體的搬運。

氣動葫蘆總共由三部分組成:起吊機構、行走機構、配氣系統。起吊機構包括氣動馬達、行星減速器、吊掛總成、制動器、起重鏈條、吊鉤總成和主控閥。起吊機構通過控制主控閥，來實現起吊重物的升、降，通過開閉制動器達到起升、下降定位制動。氣動葫蘆行走機構采用氣動行走小車，由主動車輪、被動車輪、墻板組成，通過主控閥控制氣動馬達、行星減速器驅動主動車輪行走，實現起吊重物的水平移動。配氣系統是以壓縮空氣作為動力源，控制氣路操縱葫蘆的起升和行走。

目前常用的馬達為葉片式氣動馬達，主要由定子、轉子、葉片、制動器及殼體構成。在定子上有進、排氣用的配氣槽孔，轉子上銑有長槽，槽內裝有葉片，轉子與定子偏心安裝使沿徑向滑動的葉片與殼體內腔構成氣動馬達工作腔室。壓縮空氣從輸入口進入，作用在工作室兩側的葉片上，由于轉子偏心安裝，氣壓作用在兩側葉片上產生的轉矩差，使轉子按逆時針方向旋轉。當偏心轉子轉動時，工作室容積發生變化，在相鄰工作室的葉片上產生壓力差，利用該壓力差推動轉子轉動。做功后的氣體從輸出口排出。若改變壓縮空氣輸入方向，即可改變轉子的轉向。制動器位于轉子兩側，供氣時磨擦片脫開，馬達運轉;停氣時磨擦片靠彈簧壓力與轉子緊密接觸實現制動，馬達停止運轉。

由于氣動馬達體積小，配套用的減速器目前主要采用一級行星齒輪減速器。減速器由行星輪、太陽輪和外齒圈構成，具有體積小、承載力大、工作平穩的優點。動力由太陽輪輸入，通過與行星輪嚙合傳動至外齒圈帶動棘輪旋轉，環鏈通過外殼十字槽口定位與棘輪嚙合，帶動吊鉤運動。葫蘆行走機構懸掛在工字鋼上，一般為雙側車輪行走。

3 潛在點燃源的分析及防爆措施

根據非電氣設備防爆基本要求及環鏈式氣動葫蘆的結構特點，外殼因有壓縮空氣流動，自然冷卻，不會產生危險溫度。其潛在點燃源產生的原因主要為機械摩擦和碰撞。具體部件包括:外殼、馬達葉片、制動器、減速器、行走車輪、吊鉤。防爆措施如下。

3.1 外殼采用HT250 鑄鐵或ZL104 鋁合金(I 類除外)鑄造，滿足材料元素含量要求。外殼設計為圓筒形結構，提高外殼抗沖擊能力。

一般消聲器為塑料材質，但很難達到表面電阻要求，應采用銅或不銹鋼材料制造。

3.2 馬達工作時作為動力源的壓縮空氣應取自安全場所的潔凈空氣或惰性氣體，這樣可保證馬達腔內為非爆炸性環境。但排氣口在爆炸性環境，如果內部摩擦產生火花會從出口被帶到爆炸性環境，形成引燃危險。鑒于此情況，馬達葉片及制動摩擦片均應采用布膠板、合成樹脂等耐磨無火花材料制成，并設置甩油潤滑器對其進行潤滑，同時應在設備說明書中對油脂填充時間進行規定。

3.3 行星齒輪減速器的太陽輪轉速很高，其圓周線速度大于1m/s，可采用鈹青銅或鋁青銅等高強度無火花材料制造。但考慮到銅合金成本較高，也可用鋼材制造。整個減速器箱內應填滿潤滑油脂并在設備說明書中對油脂更換時間進行規定。

3.4 行走車輪通過與工字鋼表面產生的摩擦力實現葫蘆的行走動作，其輪轂摩擦為快速接觸摩擦，圓周線速度限制在1m/s 即可滿足要求。其輪緣不應與工字鋼有滑動摩擦，設計及安裝時應保證輪緣與工字鋼有一定的間隙。

3.5 吊鉤作為起重的重要部件，會經常與物體接觸，故障狀態下可能與物體發生機械碰撞，產生機械火花形成爆炸危險。可采取表面鍍銅，包覆不銹鋼或橡膠材料等措施。

4 結語

氣動葫蘆等非電氣設備具有無電火花，高頻率，無級變速的特點，深受石油、化工、礦山等行業青睞。隨著非電氣設備被廣泛地應用在易燃、易爆、高粉塵的作業場所，在爆炸性危險環境中，除了電氣設備產生的火花、高溫等危險點燃源外，由非電氣設備產生的熱表面、明火、灼熱氣體/液體、機械火花、絕熱壓縮、振動波、化學反應放熱、鋁熱反應、粉塵自燃、電弧和靜電放電等同樣是不可忽視的點燃源。所以，在爆炸性危險環境中使用的非電氣設備或電氣設備的機械部件的設計、制造、安裝、使用過程中應與電氣設備一樣引起足夠的重視，這樣才能保證工業現場的安全運行。

［1］ GB 25285.1—2010 爆炸性環境爆炸預防和防護第1 部分:基本原則和方法.

［2］ GB 25286.1—2010 爆炸性環境用非電氣設備 第1部分:基本方法和要求.

［3］ 蔣建.工業防爆實用技術手冊.遼寧:科學技術出版社，1996.7.