舰用飞机牵引车防爆设计

陈宇 陈文科 温琦 刘艳阳 田甜 刘学文

北京金轮坤天特种机械有限公司 北京市 100083

1 引言

飞机牵引车是舰载机调运系统中的重要设备，主要用于机库及飞行甲板上多种飞机的水平调运。当在船机库等狭小、封闭空间内使用时，不仅要求牵引车具有速度平稳、加速及制动柔和、转向灵活等特性，同时还要求牵引车具备防爆性能。其主要原因是在比较密闭机库内，放置飞机等许多以燃油为动力设备，这些油料挥发的油气达到一定浓度就很容易被引燃甚至发生爆炸。因而要求牵引车必须具有防爆性能。

以某型舰用防爆牵引车为例，阐述舰用飞机牵引车防爆设计。该型牵引车是以防爆柴油发动机为动力源，采用液压传动方式，实现对飞机无杆牵引[1]。舰用牵引车防爆设计不仅考虑各个零部件需符合相应防爆要求，各个系统、各个零部件之间的匹配也需有相应的防爆措施及要求。并且各个防爆元件应适应海洋环境使用，具备耐盐雾、耐腐蚀能力。牵引车防爆设计关键和难点是柴油发动机动力系统及电气设备的防爆设计。

2 爆炸性环境介绍及确定牵引车防爆等级

易燃易爆危险区域按爆炸性混合物出现的频繁程度、持续时间和危险程度分为0区、1区和2区：

0区：爆炸性气体混合物连续出现或长时间存在的场所；

1区：在正常作业中可能出现爆炸性气体混合物的场所；

2区：在正常作业中不大可能出现爆炸性气体混合物，即使出现也偶尔的短时存在的场所。

爆炸性气体混合物的爆炸级别分为IIA、IIB、IIC三级。IIC级的传爆能力最大，IIB级次之，传爆能力最小的为IIA级。

设备引爆可燃性气体混合物有两方面原因：一个是设备产生的火花、电弧，另一个是设备表面发热。设备的防爆性能也都是通过切断这两个引燃源来实现的。爆炸性气体的温度组别见表1，按其引燃温度可分为T1～T6共6组，其对应的引燃温度和允许的最高表面温度如下表1。

按《GB 19854-2005爆炸性气体环境用工业车辆防爆技术通则》，及牵引车使用环境，确定该型舰用防爆牵引车是用于潜在爆炸性气体环境中1区使用车辆，场所内存有ⅡA或ⅡB级、T1～T4温度组别的可燃性气体，其防爆标志为Ex d e mbⅡBT4Gb。防爆主要形式为隔爆[2]。

3 牵引车关键部件的防爆设计

3.1 柴油发动机防爆设计

柴油发动机的防爆改装是无杆牵引车各项防爆措施的重点也是难点。如图1，柴油发动机防爆系统由进气系统、排气系统、冷却系统、控制系统和启动/紧急熄火装置组成。防爆改装的发动机采用抗静电皮带及抗静电风扇，防止牵引车运行时产生静电或电火花；进气截止阀和排气阻焰器内的芯片，用以阻止柴油机正常燃烧或意外爆炸时的火焰传入周围环境；主冷却器装在柴油机排气系统和缸盖排气口一侧与气缸盖相连，用以将400℃以上的柴油机排气冷却到防爆规定值以下；火星消除器消除柴油机排气火花。

表1 爆炸性气体的温度组别

防爆发动机的控制系统对发动机正常工作及安全起关键作用。如图2，在防爆发动机控制系统中，当发动机排气温度和冷却温度正常时，5排温传感器和6水温传感器处于常闭状态。一旦排温超过135℃或水温超过超过100℃时，5和6会自动打开其内油道，使压力油通过泄压管路流回到发动机。因在控制油路的供油口处有一个节流阀2，所以当油路泄油时，系统中的压力油不能马上补充上来，从而使系统油压迅速降低到接近零值。系统油压的降低使得图2中序号1进气截止阀控制油缸内的油压相应降低，从而引起活塞杆缩回。这时进气截止阀会自动关闭，切断发动机进气，迫使发动机停止运转。

图1 柴油发动机防爆系统

图2 防爆发动机控制系统

起动马达的防爆设计采用隔爆原理，即把能够产生火花、电弧和危险温度的零部件都放在隔爆机壳内，使机壳内腔与外部隔开。当隔爆机壳内腔产生爆炸时，不能够引起机壳外部爆炸性气体混合物的爆炸。此外，隔爆机壳表面的最高温度不超过周围爆炸性气体混合物的引燃温度T4，即135℃。从而有效避免因表面温度过高引燃爆炸性气体混合物。

3.2 牵引车防爆电气系统设计

除牵引车发动机等关键元部件要求防爆外，整车电气系统也要求具备防爆性能。该型舰用牵引车电气系统主要包括灯具（包括前照灯、后照灯、警灯等，防爆等级ExdeⅡCT6）、防爆按钮箱（E x d eⅡC T 6）、防爆动力控制箱（ExdⅡBT6）、防爆发电机、防爆起动马达、防爆蓄电池、防爆仪表以及防爆电磁铁等电气元器件。这些电气元件不仅要具有相应防爆等级，同时因在船上使用，应适应海洋环境，达到船用标准。此外电缆也要选择低烟、无卤、低毒成束阻燃的舰用软电缆。

牵引车电气系统采用双极式布线方式，见图3。即电气连接必须单独形成回路，不能用车体作为负极使用，电气回路与车体绝缘。并且，牵引车的电气连接点都必须在防爆箱内和防爆控制盒中[3]。牵引车上所配置的防爆电气设备均固定于车架上，且连接可靠。各电气设备使用的电缆芯线的截面积均能满足设备本身电路载流量要求。电缆在引入设备时能被可靠压紧。

牵引车防爆蓄电池是由免维护铅酸蓄电池防爆改装而成。蓄电池制成双极柱，即两个正极柱和两个负极柱。蓄电池的正极板采用耐酸绝缘材料进行胶封。蓄电池箱的箱体和箱盖由金属材料制成，能耐受冲击，具有足够的机械强度。在箱体内表面覆盖耐酸绝缘材料，并保证在规定使用年限内不会脱落、损坏。箱体外表面进行三防漆处理，以增加抗腐蚀抗盐雾能力。此外，蓄电池箱体开设通风孔，避免氢气积聚。

图3 牵引车电气系统局部图

3.3 牵引车其他部件防爆设计

该舰用牵引车除了对电气元件进行防爆处理外，其它非电气系统部件也做了防爆处理。因为牵引车在行驶当中，由于金属部件摩擦或碰撞很容易产生火花。比如，车辆制动方式如果采用鼓式或盘式制动，为避免制动过程中金属摩擦产生火花，制动片材料应为非金属或铸铁，不应使用轻金属合金。非金属化合物包含的金属重量不应超过40%，这些金属应为颗粒或细丝。摩擦片应铆接或粘接到摩擦片底板上，摩擦片的摩擦面上不应有小孔或接点[4]。

牵引车发动机风扇由于高速旋转，与空气摩擦容易产生静电，并形成静电电弧，因而也需要做防爆处理，设计成防爆风扇。

牵引车轮胎采用抗静电轮胎，表面电阻，在相对湿度为50%时不大于1GΩ；车辆上所有大于100cm2的金属部件都应连接到车架上，以保持电位平衡；驱动皮带应采用表面电阻小于1GΩ的橡胶材料制成；车辆上的塑料材料的表面电阻，在相对湿度为50%时不应大于1GΩ；车辆上所有的金属部件对地电阻不应大于106Ω。

4 牵引车整车防爆安全保护措施

该舰用牵引车安装有排气温度阀和冷却水温度阀，实现超温保护。

当冷却水温超过100度或排气温度超过135度，发动机机油压力通过水温阀或排温阀泄压，控制小油缸关闭进气截止阀，使发动机停机。

牵引车上配有机油压力表，正常工作压力为2-5kg/cm2，即柴油发动机的润滑机油压力。当发动机机油压力过低，低于2kg/cm^2时，发动机自动停机。

发动机超速失控（飞车）时，牵引车自动停机。

此外，该舰用牵引车具备两种熄火方式，配有两套熄火手柄。通常情况下采用熄火拉线手柄断油的方式熄火。紧急情况下采用起动/紧急熄火手柄断气的方式熄火，该装置与进气截止阀相连，将起动-熄火手柄拉至熄火位置并保持，发动机即熄火。

在牵引车车身上安装醒目的铜质防爆标牌、警示标志和使用须知等，提醒操作人员在使用牵引车时须注意的事项。

5 结语

舰用防爆牵引车的设计性能要求应高于普通飞机牵引车，尤其对整机绝缘性、导电性、温度、电路短路、电流等方面应提高技术标准要求。牵引车诸如电机、电器元件都在隔爆体内，散热性差造成温升高；当电路设计不合理时也容易造成电路短路；如果整机的负荷电流大，会产生过流、温升高、电线易老化、绝缘性下降等问题，造成防爆牵引车的防爆性能差。即使有保护手段，但也会造成整机运行时间短、维护时间长、使用寿命短的缺陷。因此，该型舰用牵引车在设计初始，考虑了余量设计，考虑因防爆改装可能带来整机技术性能降低因素。此外，防爆牵引车在总体设计上也考虑人性化需求。如该型舰用牵引车，原驾驶员铁皮座椅在甲板上因恶劣气候无法入座，包覆真皮后，既符合防爆要求，又增加美观和舒适感。该型舰用牵引车通过在船上多年服役，充分证实牵引车防爆设计合理，满足现实牵引作业要求。未来，我们对飞机牵引车也将不断改进，以适应新船提出的新作业要求。