高爐放散閥的結構特點及受力分析

蓋曉明 頃永宏 黎 勤

(1：秦皇島秦冶重工有限公司 河北秦皇島 066004 ；2：渤海鉆探工程技術研究院 天津 300000)

1 前言

高爐爐頂煤氣放散閥用于高爐緊急休風或者爐內產生爆炸氣體壓力急劇增加時，迅速將高爐煤氣排入大氣中，它要求操作可靠、密封性好，并在開啟閥門時產生的噪音較小。爐容在3000m3及以上容積的高爐，因為其爐頂壓力(以下簡稱頂壓)高、整體框架高的特點不再采用配重式放散閥，轉而采用帶彈簧倉的新型煤氣放散閥，其結構見圖1。其主要特點是無配重，可以有效降低爐頂框架結構高度，自帶特殊安全彈簧倉，可以在頂壓失控時自動打開放散閥，有效保護爐頂設備及管道。大高爐頂壓較高、并且其頂壓控制要求較高，一旦出現緊急狀況將會對沿線設備造成災難性的后果；所以爐頂放散閥必須具有安全閥的功能，一旦高爐爐頂頂壓失控都將會通過放散閥自動打開從而減少故障損失[1]。本文將對該帶彈簧倉的新型煤氣放散閥結構及受力狀況進行分析。

2 結構特點

該放散閥正常啟閉采用液壓驅動, 靠彈簧倉內碟簧加壓壓緊密封并保證爐內系統壓力正常。密封副為彈性對中機構。閥蓋與閥座之間采用了雙重密封。軟密封為橡膠密封圈，設在閥體的外側。硬密封是在閥蓋與閥座的密封表面上堆焊硬質合金，密封面為球面,與對中機構的球面互相配合,保證工作位置正確。閥門完全打開時,閥蓋處在管道氣流之外,不受介質沖刷。閥門安全放散時油缸并不動作而是由于高爐內壓力升高到大于閥門密封比壓時，閥板帶動轉臂壓縮彈簧倉的彈簧，使閥蓋微量開啟，從而達到放散減壓的目的。閥門關閉快到位時，閥蓋的運動軌跡近似于直線，沖擊少，密封合理。[2] [3]

圖1 帶彈簧倉型煤氣放散閥結構圖

3 工作原理

閥門的開啟與關閉均由液壓缸驅動實現。油缸工作時,首先帶動搖桿(彈簧倉) ,再帶動連桿,連桿帶動轉臂轉動,將閥門打開與關閉。閥門采用了擺動油缸和平面連桿機構保證閥門的運動軌跡。

如圖2所示，閥門開啟時油缸推動桿3(彈簧倉)順時針方向轉動,彈簧被壓縮,桿3伸長,轉臂不動。油缸繼續工作,當桿3轉過α1角,即G0、J1、A2三點成一線時,桿3最長,桿3繼續轉動,彈簧伸長,桿3縮短。又轉過α1角,桿3恢復閥蓋關閉時長度,此時彈簧仍處于被壓縮狀態,且橫梁有下行空間，在彈簧回復力作用下,桿3在轉動過程中繼續縮短。當桿3又轉過α3角后，橫梁被彈簧倉頂柱頂死,此時彈簧仍有一定的壓縮量,油缸推動桿3繼續轉動時,轉臂帶動閥蓋將閥門打開。

閥門關閉時,各桿件動作相反。油缸推動桿3由G0A5位置轉到G0A4，此時閥門關閉。然后油缸繼續工作,桿3逆時針轉動,桿3伸長,彈簧被壓縮,彈簧回復力使閥蓋加壓。桿3轉到G0A3時, 彈簧加壓可以達到密封要求, 但此位置不能實現放散時的自鎖，所以油缸需繼續工作,使桿3轉過G0A2。然后在不計摩擦等阻力時不需油缸驅動,桿3就可在彈簧回復力作用下繼續轉過α1角。此時油缸到位,桿3不再轉動,彈簧預緊力壓緊閥蓋,起到密封作用。閥蓋與閥座之間的密封比壓靠調整彈簧預緊力實現。擰緊彈簧倉內的調節螺母時,彈簧倉主軸上移,與主軸相連的活塞壓緊彈簧,使彈簧受一定的預緊力。調節螺母擰的越緊,彈簧初始變形越大,彈簧的預緊力越大,閥蓋與閥座之間的密封比壓也就越大。預緊力的大小可根據不同的密封要求調節，方便快捷。

圖2 傳動系統運動簡圖

4 液壓放散閥的機構分析

圖2為傳動系統運動簡圖，放散閥傳動機構為平面連桿機構，液壓油缸提供驅動力。當橫梁與頂柱處于分離狀態且閥蓋與閥體也處于分離狀態時，由彈簧倉、橫梁、連桿、轉臂、閥體組成的五桿機構的自由度為W=3n-2P5-P4，其中n=4、P5=5、P4=0，所以,W=3×4-2×5-0=2，機構的自由度數不等于原動件數，故運動不確定。

在橫梁與頂柱保持接觸的過程中(圖2從A4到A5的運動過程，橫梁和彈簧倉視為一個構件)，彈簧倉、連桿、轉臂、閥體組成雙搖桿機構，其中彈簧倉為主動件。自由度W=3n-2P5-P4，其中n=3、P5=4、P4=0，所以W=3×3-2×4-0=1。當閥蓋處于關閉狀態時(圖2從A1到A4的運動過程，閥蓋與閥體視為一個構件，為非活動件。)，彈簧倉、橫梁、連桿、閥體組成擺動導桿機構，其中彈簧倉為主動件。自由度W=3n-2P5-P4，其中n=3、P5=4、P4=0，所以W=3×3-2×4-0=1。由上述可知，在需要的工作區間機構的自由度均為1，與原動件數量一致，機構有確定的運動。[4]

5設計計算

5.1 密封力計算[5]

首先計算密封比壓qMF(按軟密封計算)

式中PN—介質壓力(MPa);

bM—密封面寬度(mm)。

計算密封力FMZ。

FMZ=FMJ+FMF

FMJ=π (DMN+bM)2PN/4

FMF=π (DMN+bM)bMqMF

式中FMJ—密封面處介質作用力(N)；

FMF—密封面上密封力(N)；

DMN—密封面內徑直徑(mm)。

5.2 鎖緊力計算

如圖3，先以橫梁為研究對象進行受力分析，然后以轉臂、連桿和橫梁為研究對象，對鎖緊力P1進行計算。根據力平衡原理各力對H點取矩。

圖3 閥蓋關閉位置時受力分析圖

P2LHK-N2LKA1=(FMJ+FMF)LHE1

(1)

由橫梁受力圖知：

FJ1cosα=P1

FJ1sinα=N2

N1=P1tgα

(2)

將式(2)代入式(1)得：

式中P1-在A1點彈簧鎖緊力(N)；

FJ1-在A1點連桿對橫梁的作用力(N)；

N1-在A1點碟簧倉對橫梁的支持力(N)。

5.3 驅動力計算

因為當閥蓋與閥體處于分離狀態時，外在阻力主要為各構件自重及摩擦力，這時的由缸出力較小，所以主要分析A1-A4區間油缸出力情況。如圖4，選擇豎直方向右側閥蓋處于關閉狀態時的任意位置A進行受力分析。先以橫梁為研究對象進行受力分析，然后以彈簧倉為研究對象，對驅動力F油進行計算。由橫梁受力分析圖可得：

FJcosα=P；FJsinα=N；N=Ptgα

圖4 位置A受力分析圖

由碟簧倉受力分析圖，根據力平衡原理各力對H點取矩可得：

N′=N

因此，F油L4cosβ=Ptgα

從圖4中各構件的幾何關系，由余弦定理可知：

(4)

式中P-彈簧鎖緊力(N)，P為關于彈簧壓縮量X的函數，對于壓縮量與力成正比關系的碟簧，P可表示為P=P1+KX,K為彈簧的剛度系數；

FJ-連桿對橫梁的作用力(N)；

N-碟簧倉對橫梁的支持力(N)；

N'-橫梁對碟簧倉的反作用力(N)；

F油-油缸作用力(N)；

L1-連桿長度(mm)；

L2-碟簧倉固定鉸鏈G到連桿鉸鏈J的距離(mm)，在A1-A4區間其為固定值；

L3-碟簧倉固定鉸鏈G到連桿鉸鏈A的距離(mm),為關于碟簧壓縮量X的函數，取關閉位置時該距離為L,則任意位置時L3=L+X；

L4-碟簧倉固定鉸鏈G到油缸力作用點距離(mm)，為固定值。

為了便于得到在A1-A4區間任意點對應的油缸力，需要找出(3)式中P、α、β與彈簧壓縮量X之間的關系，由碟簧的特性和(4)式可以得到P和α與X的關系式，β與X的關系式可以通過圖5對各邊角關系進行分析得到。

對于給定的結構，當閥蓋處于關閉位置，如圖5所示ΔJOG為固定三角形，因此角δ為定值；對于碟簧倉L3與L4的夾角η也為定值，并且由圖5可得各角關系式如下：

圖5 位置A各邊角關系圖

δ-γ+φ=η，即φ=γ+(η-δ)，從而得到φ與γ的關系式，(η-δ)為定值。

β=90°-(180°-θ)=θ-90°

由余弦定理可得：

(5)

由φ=γ+(η-δ)得

上式兩邊同時取余弦得：

(L42+L52+L油2)/(2L4L5)=

L油2=L42+L52-2L4L5

(6)

式中L5-連桿鉸鏈J到油缸鉸鏈O的距離(mm)，為定值；

L油-油缸鉸鏈O到碟簧倉鉸鏈B的距離(mm)。

由式(5)和(6)聯立可以得到β與X的關系。

由上述計算得到碟簧倉在豎直方向右側閥蓋處于關閉狀態時L油與X的關系式，同理可以解得碟簧倉在豎直方向左側L油與X的關系式，這樣就可以方便地求解A1-A4區間不同參數下所需要的油缸力，為放散閥的設計提供理論參考。

6 結束語

該放散閥操作可靠、使用壽命長，機構運轉靈活，密封性好，并在開啟閥門時產生的噪音較小，無配重，可以有效降低爐頂框架結構高度，是高爐爐頂中非常重要的一個設備，對其進行深入研究是有必要的。本文通過對高爐放散閥的結構特點和受力進行分析，得到的力學關系式為高爐放散閥的深入研究提供理論參考。