“透視”高爐液壓煤氣放散閥

煤氣放散閥是為了在高爐休風(fēng)時(shí)，能迅速地將煤氣排入大氣中而設(shè)置的。為了安全，煤氣放散閥都設(shè)置在煤氣上升管的頂部、重力除塵器的上部及頂部等，當(dāng)高爐休風(fēng)、復(fù)風(fēng)或開爐時(shí)，打開放散閥并通入蒸汽可將煤氣驅(qū)入大氣中。這樣可以確保高爐煤氣區(qū)域的人員與設(shè)備安全。當(dāng)然，高爐爐頂放散閥還承擔(dān)了高爐緊急休風(fēng)或爐內(nèi)壓力急劇增加時(shí)，迅速將高爐煤氣排入大氣的任務(wù)。對(duì)煤氣放散閥的要求是操作可靠、密封性好，放散時(shí)產(chǎn)生的噪音小。

　　常見的煤氣放散閥按開閉形式可分為垂直開啟式、外開式、內(nèi)開式等，按驅(qū)動(dòng)方式可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)等，按密封方式可分為重錘重力密封與彈簧壓力密封等。而彈簧壓力密封液壓驅(qū)動(dòng)式煤氣放散閥，在保持了放散閥的性能要求下，還克服了過去電動(dòng)式放散閥在布置與占地方面的缺點(diǎn)。目前，該類放散閥在國(guó)內(nèi)高爐上的應(yīng)用有逐漸成為主流的趨勢(shì)，有必要探討一下這種閥的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特征。

　　液壓放散閥的結(jié)構(gòu)特征

　　閥的組成。彈簧壓力密封液壓煤氣放散閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由液壓缸1、彈簧倉(cāng)2、連桿3、轉(zhuǎn)臂4、閥蓋5、閥座6和閥體7組成。其工作原理為：閥門的正常開啟是靠液壓缸1實(shí)現(xiàn)的，液壓缸1工作時(shí)，液壓缸1的無(wú)桿腔進(jìn)油，使活塞桿做外伸推動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與彈簧倉(cāng)2相連的擺桿的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧倉(cāng)2通過連桿3帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂4做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使閥蓋5開啟；液壓缸1逆運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)閥蓋5關(guān)閉，閥門關(guān)閉時(shí)，液壓缸1的有桿腔進(jìn)油，使液壓活塞桿做內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，通過與之相連的活塞桿內(nèi)收，使與彈簧倉(cāng)2相連的擺桿做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧倉(cāng)2通過連桿3帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂4做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使閥蓋5關(guān)閉。當(dāng)閥蓋5關(guān)閉時(shí)，液壓缸1鎖定，此時(shí)活塞桿與彈簧倉(cāng)筒也同時(shí)被鎖住，閥蓋5通過彈簧倉(cāng)芯的彈簧壓力緊緊壓在閥座6上，實(shí)現(xiàn)壓力密封。當(dāng)高爐爐內(nèi)壓力大于彈簧力時(shí)，閥蓋5帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂4壓縮彈簧倉(cāng)芯的彈簧，使閥蓋5微開，從而達(dá)到放散減壓的目的。

　　機(jī)構(gòu)自由度。將圖1彈簧壓力密封液壓煤氣放散閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，得到如圖2所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其主要由液壓缸1、液壓桿2、擺桿3、彈簧倉(cāng)4、彈簧桿6、連桿7、轉(zhuǎn)臂8和閥蓋9等組成，共有6個(gè)活動(dòng)構(gòu)件。其低副為：液壓缸1與支座間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、液壓缸1與液壓桿2間的移動(dòng)副、液壓桿2與擺桿3間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、擺桿3與支座間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、彈簧倉(cāng)4與彈簧桿6間的移動(dòng)副，彈簧桿6與連桿7間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、連桿7與轉(zhuǎn)臂8間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、轉(zhuǎn)臂8與支座的轉(zhuǎn)動(dòng)副，共計(jì)8個(gè)低副；高副沒有。因而，該機(jī)構(gòu)自由度F為：F=3n－2pl－ph=3×6－2×8=2（式中：n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，pl為低副數(shù)，ph為高副數(shù)）。

　　該機(jī)構(gòu)兩個(gè)自由度中的一個(gè)自由度被彈簧約束，這時(shí)機(jī)構(gòu)就呈現(xiàn)為一個(gè)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)一個(gè)雙擺桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)只有一個(gè)自由度，液壓缸驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)，這樣機(jī)構(gòu)滿足閥的運(yùn)動(dòng)功能。而當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，液壓缸鎖定，即鎖住了一個(gè)自由度；若爐內(nèi)壓力大于彈簧力時(shí)，機(jī)構(gòu)的第二個(gè)自由度被釋放，這時(shí)機(jī)構(gòu)滿足閥的安全功能。

　　結(jié)構(gòu)特征。這種放散閥的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)平面復(fù)合鉸鏈機(jī)構(gòu)，它可以分解為一個(gè)擺動(dòng)導(dǎo)桿四桿機(jī)構(gòu)和一個(gè)擺動(dòng)導(dǎo)桿五桿機(jī)構(gòu)，使這種煤氣放散閥具有6個(gè)特征。一是驅(qū)動(dòng)方式為液壓傳動(dòng)，可克服鋼繩牽引布置的局限性。二是密封方式為彈簧壓力，可大幅度減小設(shè)備的重量。三是如圖3所示，在關(guān)閉時(shí)，由彈簧倉(cāng)4、連桿7、轉(zhuǎn)臂8組成的擺動(dòng)導(dǎo)桿五桿機(jī)構(gòu)相對(duì)于轉(zhuǎn)臂8具有自鎖能力，這樣就提高了關(guān)閉的可靠性。四是閥蓋與轉(zhuǎn)臂連接采用雙組球面連接，配合閥蓋與閥座的硬密封面為球面與錐面的情況，使閥蓋在關(guān)閉時(shí)具備一定自調(diào)能力。五是密封形式采用軟硬雙重密封，外軟內(nèi)硬，使硬密封減壓、軟密封密封，這樣既實(shí)現(xiàn)了可靠的密封，又延長(zhǎng)了軟密封的使用壽命。六是在開啟時(shí)，閥蓋處于放散氣流之外，既實(shí)現(xiàn)了順暢放散，又避免損傷設(shè)備。

　　機(jī)構(gòu)的型數(shù)分析

　　如前所述，該機(jī)構(gòu)工作過程就是液壓缸帶動(dòng)閥蓋開關(guān)的過程，經(jīng)過分析，可將這一過程細(xì)分為5個(gè)階段，即閥的啟動(dòng)關(guān)或開到位階段、閥的開關(guān)階段、閥蓋與閥座接觸階段、液壓缸鎖住階段和爐內(nèi)壓力將閥蓋頂開階段。下面具體分析這5個(gè)階段機(jī)構(gòu)的型數(shù)變化。

　　閥的啟動(dòng)關(guān)或開到位階段。當(dāng)閥啟動(dòng)關(guān)或開到位時(shí)，由于慣性力的作用，彈簧倉(cāng)的自由度被彈簧釋放，彈簧起緩沖作用，此時(shí)機(jī)構(gòu)就轉(zhuǎn)化為一個(gè)七連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)鏈如圖4所示。該運(yùn)動(dòng)鏈為雙回路，一個(gè)回路為四桿鏈，一個(gè)回路為五桿鏈，圖中構(gòu)件數(shù)為7，其中支座為機(jī)架，是固定構(gòu)件，因此，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為6，低副數(shù)為8，高副數(shù)為0。其機(jī)構(gòu)自由度：F=3n－2pl－ph=3×6－2×8=2。

　　從圖4的雙回路來(lái)看，四桿鏈有確定的運(yùn)動(dòng)，而五桿鏈多一個(gè)自由度為彈簧的局部自由度，它只起緩沖作用，故也具有確定的運(yùn)動(dòng)。因此，該串聯(lián)雙回路七桿機(jī)構(gòu)是具有緩沖功能的一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度機(jī)構(gòu)。

　　閥的開關(guān)階段。圖2所示的閥開關(guān)過程中，由于彈簧倉(cāng)4的自由度被彈簧約束，此時(shí)機(jī)構(gòu)中彈簧倉(cāng)4與彈簧桿6間的移動(dòng)副喪失，彈簧倉(cāng)4與彈簧桿6形成為一個(gè)構(gòu)件，圖4雙回路中的五桿鏈轉(zhuǎn)變?yōu)樗臈U鏈，其機(jī)構(gòu)就轉(zhuǎn)化為一個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)，如圖5所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)為一個(gè)瓦特鏈，該鏈活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為5，低副數(shù)為7，高副數(shù)為0。其機(jī)構(gòu)自由度：F=3n－2pl－ph=3×5－2×7=1。

　　從圖5的雙回路來(lái)看，其為四桿鏈串聯(lián)雙回路六桿機(jī)構(gòu)，具有唯一確定的運(yùn)動(dòng)，故通過一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)閥蓋的開關(guān)功能。

　　閥蓋與閥座接觸階段。如圖3所示，當(dāng)閥蓋9與閥座10接觸時(shí)，閥蓋9與閥座10間的擠壓使彈簧倉(cāng)4的自由度被釋放，同時(shí)，該機(jī)構(gòu)又增加了一個(gè)構(gòu)件——閥蓋9，此時(shí)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一個(gè)八連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)鏈如圖6所示。該運(yùn)動(dòng)鏈為三回路，1個(gè)回路為四桿鏈，1個(gè)回路為五桿鏈，增加了1個(gè)三桿鏈。該鏈活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為7，低副數(shù)為10，高副數(shù)為0。其機(jī)構(gòu)自由度：F=3n－2pl－ph=3×7－2×10=1。

　　從圖6的三回路來(lái)看，其為串聯(lián)三回路八桿機(jī)構(gòu)，一個(gè)四桿鏈串聯(lián)一個(gè)五桿鏈再串聯(lián)一個(gè)三桿鏈，實(shí)際運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在四桿鏈串聯(lián)五桿鏈的兩個(gè)回路中，該階段為瞬間過程。

　　液壓缸鎖住階段。如圖3所示，當(dāng)閥蓋9到位后，液壓缸1鎖住，此時(shí)液壓缸1與液壓桿2為一個(gè)構(gòu)件，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一個(gè)七連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)鏈如圖7所示。該運(yùn)動(dòng)鏈為三回路，2個(gè)回路為三桿鏈，1個(gè)回路為五桿鏈。該鏈活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為6，低副數(shù)為9，高副數(shù)為0。其機(jī)構(gòu)自由度：F=3n－2pl－ph=3×6－2×9=0。

　　從圖7的三回路來(lái)看，其為串聯(lián)三回路七桿機(jī)構(gòu)，由于2個(gè)三桿鏈分置兩側(cè)，形成固定構(gòu)架，從而實(shí)現(xiàn)閥的長(zhǎng)時(shí)間可靠關(guān)閉功能。

　　爐內(nèi)壓力將閥蓋頂開階段。如圖3所示，當(dāng)爐內(nèi)壓力大于彈簧力，將閥蓋9頂開時(shí)，閥蓋9脫離與閥座10接觸，機(jī)構(gòu)減少1個(gè)三桿鏈回路，此時(shí)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為1個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)鏈如圖8所示。其機(jī)構(gòu)自由度：F=3n－2pl－ph=3×5－2×7=1。

　　從圖8的兩回路來(lái)看，其為1個(gè)三桿鏈串聯(lián)1個(gè)五桿鏈的六桿機(jī)構(gòu)，其五桿鏈回路實(shí)現(xiàn)閥的卸壓功能。

　　綜上所述，該機(jī)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的組合連桿鉸鏈機(jī)構(gòu)，它在整個(gè)開關(guān)過程中，通過機(jī)構(gòu)的變型來(lái)實(shí)現(xiàn)不同階段的功能需求，其對(duì)應(yīng)的5個(gè)階段是啟動(dòng)關(guān)（開到位←）→關(guān)過程（開過程←）→剛關(guān)上（將打開←）→關(guān)到位（啟動(dòng)開←）→閥頂開（閥復(fù)位←）。相應(yīng)地，這5個(gè)階段機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變的型為七連桿機(jī)構(gòu)→六連桿機(jī)構(gòu)→八連桿機(jī)構(gòu)→七連桿機(jī)構(gòu)→六連桿機(jī)構(gòu)，因此，該機(jī)構(gòu)是一個(gè)以七連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的變型機(jī)構(gòu)。同時(shí)，該機(jī)構(gòu)是一個(gè)變自由度機(jī)構(gòu)，其中，最多有2個(gè)自由度。這2個(gè)自由度分別滿足不同的功能需求——一個(gè)滿足運(yùn)動(dòng)的功能需求，另一個(gè)滿足放散與緩沖的功能需求。而在關(guān)閉時(shí)，自由度為零，這能使機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)關(guān)閉功能。