“透視”高爐液壓煤氣放散閥

煤氣放散閥是為了在高爐休風時，能迅速地將煤氣排入大氣中而設置的。為了安全，煤氣放散閥都設置在煤氣上升管的頂部、重力除塵器的上部及頂部等，當高爐休風、復風或開爐時，打開放散閥并通入蒸汽可將煤氣驅入大氣中。這樣可以確保高爐煤氣區域的人員與設備安全。當然，高爐爐頂放散閥還承擔了高爐緊急休風或爐內壓力急劇增加時，迅速將高爐煤氣排入大氣的任務。對煤氣放散閥的要求是操作可靠、密封性好，放散時產生的噪音小。

　　常見的煤氣放散閥按開閉形式可分為垂直開啟式、外開式、內開式等，按驅動方式可分為電機驅動與液壓驅動等，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動式煤氣放散閥，在保持了放散閥的性能要求下，還克服了過去電動式放散閥在布置與占地方面的缺點。目前，該類放散閥在國內高爐上的應用有逐漸成為主流的趨勢，有必要探討一下這種閥的結構與運動特征。

　　液壓放散閥的結構特征

　　閥的組成。彈簧壓力密封液壓煤氣放散閥的結構如圖1所示，主要由液壓缸1、彈簧倉2、連桿3、轉臂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實現的，液壓缸1工作時，液壓缸1的無桿腔進油，使活塞桿做外伸推動，從而實現與彈簧倉2相連的擺桿的逆時針轉動，彈簧倉2通過連桿3帶動轉臂4做逆時針轉動，使閥蓋5開啟；液壓缸1逆運動時實現閥蓋5關閉，閥門關閉時，液壓缸1的有桿腔進油，使液壓活塞桿做內收運動，通過與之相連的活塞桿內收，使與彈簧倉2相連的擺桿做順時針轉動，彈簧倉2通過連桿3帶動轉臂4做順時針轉動，使閥蓋5關閉。當閥蓋5關閉時，液壓缸1鎖定，此時活塞桿與彈簧倉筒也同時被鎖住，閥蓋5通過彈簧倉芯的彈簧壓力緊緊壓在閥座6上，實現壓力密封。當高爐爐內壓力大于彈簧力時，閥蓋5帶動轉臂4壓縮彈簧倉芯的彈簧，使閥蓋5微開，從而達到放散減壓的目的。

　　機構自由度。將圖1彈簧壓力密封液壓煤氣放散閥的結構進行機構簡化，得到如圖2所示的機構簡圖。其主要由液壓缸1、液壓桿2、擺桿3、彈簧倉4、彈簧桿6、連桿7、轉臂8和閥蓋9等組成，共有6個活動構件。其低副為：液壓缸1與支座間的轉動副、液壓缸1與液壓桿2間的移動副、液壓桿2與擺桿3間的轉動副、擺桿3與支座間的轉動副、彈簧倉4與彈簧桿6間的移動副，彈簧桿6與連桿7間的轉動副、連桿7與轉臂8間的轉動副、轉臂8與支座的轉動副，共計8個低副；高副沒有。因而，該機構自由度F為：F=3n－2pl－ph=3×6－2×8=2（式中：n為活動構件數，pl為低副數，ph為高副數）。

　　該機構兩個自由度中的一個自由度被彈簧約束，這時機構就呈現為一個擺動導桿機構串聯一個雙擺桿機構，機構在運動時只有一個自由度，液壓缸驅動時，機構有確定的運動，這樣機構滿足閥的運動功能。而當閥關閉時，液壓缸鎖定，即鎖住了一個自由度；若爐內壓力大于彈簧力時，機構的第二個自由度被釋放，這時機構滿足閥的安全功能。

　　結構特征。這種放散閥的傳動機構是一個平面復合鉸鏈機構，它可以分解為一個擺動導桿四桿機構和一個擺動導桿五桿機構，使這種煤氣放散閥具有6個特征。一是驅動方式為液壓傳動，可克服鋼繩牽引布置的局限性。二是密封方式為彈簧壓力，可大幅度減小設備的重量。三是如圖3所示，在關閉時，由彈簧倉4、連桿7、轉臂8組成的擺動導桿五桿機構相對于轉臂8具有自鎖能力，這樣就提高了關閉的可靠性。四是閥蓋與轉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，使閥蓋在關閉時具備一定自調能力。五是密封形式采用軟硬雙重密封，外軟內硬，使硬密封減壓、軟密封密封，這樣既實現了可靠的密封，又延長了軟密封的使用壽命。六是在開啟時，閥蓋處于放散氣流之外，既實現了順暢放散，又避免損傷設備。

　　機構的型數分析

　　如前所述，該機構工作過程就是液壓缸帶動閥蓋開關的過程，經過分析，可將這一過程細分為5個階段，即閥的啟動關或開到位階段、閥的開關階段、閥蓋與閥座接觸階段、液壓缸鎖住階段和爐內壓力將閥蓋頂開階段。下面具體分析這5個階段機構的型數變化。

　　閥的啟動關或開到位階段。當閥啟動關或開到位時，由于慣性力的作用，彈簧倉的自由度被彈簧釋放，彈簧起緩沖作用，此時機構就轉化為一個七連桿機構，其運動鏈如圖4所示。該運動鏈為雙回路，一個回路為四桿鏈，一個回路為五桿鏈，圖中構件數為7，其中支座為機架，是固定構件，因此，活動構件數為6，低副數為8，高副數為0。其機構自由度：F=3n－2pl－ph=3×6－2×8=2。

　　從圖4的雙回路來看，四桿鏈有確定的運動，而五桿鏈多一個自由度為彈簧的局部自由度，它只起緩沖作用，故也具有確定的運動。因此，該串聯雙回路七桿機構是具有緩沖功能的一個運動自由度機構。

　　閥的開關階段。圖2所示的閥開關過程中，由于彈簧倉4的自由度被彈簧約束，此時機構中彈簧倉4與彈簧桿6間的移動副喪失，彈簧倉4與彈簧桿6形成為一個構件，圖4雙回路中的五桿鏈轉變為四桿鏈，其機構就轉化為一個六連桿機構，如圖5所示。此時機構為一個瓦特鏈，該鏈活動構件數為5，低副數為7，高副數為0。其機構自由度：F=3n－2pl－ph=3×5－2×7=1。

　　從圖5的雙回路來看，其為四桿鏈串聯雙回路六桿機構，具有唯一確定的運動，故通過一個液壓缸驅動能實現閥蓋的開關功能。

　　閥蓋與閥座接觸階段。如圖3所示，當閥蓋9與閥座10接觸時，閥蓋9與閥座10間的擠壓使彈簧倉4的自由度被釋放，同時，該機構又增加了一個構件——閥蓋9，此時機構轉化為一個八連桿機構，其運動鏈如圖6所示。該運動鏈為三回路，1個回路為四桿鏈，1個回路為五桿鏈，增加了1個三桿鏈。該鏈活動構件數為7，低副數為10，高副數為0。其機構自由度：F=3n－2pl－ph=3×7－2×10=1。

　　從圖6的三回路來看，其為串聯三回路八桿機構，一個四桿鏈串聯一個五桿鏈再串聯一個三桿鏈，實際運動實現在四桿鏈串聯五桿鏈的兩個回路中，該階段為瞬間過程。

　　液壓缸鎖住階段。如圖3所示，當閥蓋9到位后，液壓缸1鎖住，此時液壓缸1與液壓桿2為一個構件，機構轉化為一個七連桿機構，其運動鏈如圖7所示。該運動鏈為三回路，2個回路為三桿鏈，1個回路為五桿鏈。該鏈活動構件數為6，低副數為9，高副數為0。其機構自由度：F=3n－2pl－ph=3×6－2×9=0。

　　從圖7的三回路來看，其為串聯三回路七桿機構，由于2個三桿鏈分置兩側，形成固定構架，從而實現閥的長時間可靠關閉功能。

　　爐內壓力將閥蓋頂開階段。如圖3所示，當爐內壓力大于彈簧力，將閥蓋9頂開時，閥蓋9脫離與閥座10接觸，機構減少1個三桿鏈回路，此時機構轉化為1個六連桿機構，其運動鏈如圖8所示。其機構自由度：F=3n－2pl－ph=3×5－2×7=1。

　　從圖8的兩回路來看，其為1個三桿鏈串聯1個五桿鏈的六桿機構，其五桿鏈回路實現閥的卸壓功能。

　　綜上所述，該機構是一個復雜的組合連桿鉸鏈機構，它在整個開關過程中，通過機構的變型來實現不同階段的功能需求，其對應的5個階段是啟動關（開到位←）→關過程（開過程←）→剛關上（將打開←）→關到位（啟動開←）→閥頂開（閥復位←）。相應地，這5個階段機構轉變的型為七連桿機構→六連桿機構→八連桿機構→七連桿機構→六連桿機構，因此，該機構是一個以七連桿機構為基礎的變型機構。同時，該機構是一個變自由度機構，其中，最多有2個自由度。這2個自由度分別滿足不同的功能需求——一個滿足運動的功能需求，另一個滿足放散與緩沖的功能需求。而在關閉時，自由度為零，這能使機構長時間穩定可靠地實現關閉功能。