“透视”高炉液压煤气放散阀

煤气放散阀是为了在高炉休风时，能迅速地将煤气排入大气中而设置的。为了安全，煤气放散阀都设置在煤气上升管的顶部、重力除尘器的上部及顶部等，当高炉休风、复风或开炉时，打开放散阀并通入蒸汽可将煤气驱入大气中。这样可以确保高炉煤气区域的人员与设备安全。当然，高炉炉顶放散阀还承担了高炉紧急休风或炉内压力急剧增加时，迅速将高炉煤气排入大气的任务。对煤气放散阀的要求是操作可靠、密封性好，放散时产生的噪音小。

　　常见的煤气放散阀按开闭形式可分为垂直开启式、外开式、内开式等，按驱动方式可分为电机驱动与液压驱动等，按密封方式可分为重锤重力密封与弹簧压力密封等。而弹簧压力密封液压驱动式煤气放散阀，在保持了放散阀的性能要求下，还克服了过去电动式放散阀在布置与占地方面的缺点。目前，该类放散阀在国内高炉上的应用有逐渐成为主流的趋势，有必要探讨一下这种阀的结构与运动特征。

　　液压放散阀的结构特征

　　阀的组成。弹簧压力密封液压煤气放散阀的结构如图1所示，主要由液压缸1、弹簧仓2、连杆3、转臂4、阀盖5、阀座6和阀体7组成。其工作原理为：阀门的正常开启是靠液压缸1实现的，液压缸1工作时，液压缸1的无杆腔进油，使活塞杆做外伸推动，从而实现与弹簧仓2相连的摆杆的逆时针转动，弹簧仓2通过连杆3带动转臂4做逆时针转动，使阀盖5开启；液压缸1逆运动时实现阀盖5关闭，阀门关闭时，液压缸1的有杆腔进油，使液压活塞杆做内收运动，通过与之相连的活塞杆内收，使与弹簧仓2相连的摆杆做顺时针转动，弹簧仓2通过连杆3带动转臂4做顺时针转动，使阀盖5关闭。当阀盖5关闭时，液压缸1锁定，此时活塞杆与弹簧仓筒也同时被锁住，阀盖5通过弹簧仓芯的弹簧压力紧紧压在阀座6上，实现压力密封。当高炉炉内压力大于弹簧力时，阀盖5带动转臂4压缩弹簧仓芯的弹簧，使阀盖5微开，从而达到放散减压的目的。

　　机构自由度。将图1弹簧压力密封液压煤气放散阀的结构进行机构简化，得到如图2所示的机构简图。其主要由液压缸1、液压杆2、摆杆3、弹簧仓4、弹簧杆6、连杆7、转臂8和阀盖9等组成，共有6个活动构件。其低副为：液压缸1与支座间的转动副、液压缸1与液压杆2间的移动副、液压杆2与摆杆3间的转动副、摆杆3与支座间的转动副、弹簧仓4与弹簧杆6间的移动副，弹簧杆6与连杆7间的转动副、连杆7与转臂8间的转动副、转臂8与支座的转动副，共计8个低副；高副没有。因而，该机构自由度F为：F=3n－2pl－ph=3×6－2×8=2（式中：n为活动构件数，pl为低副数，ph为高副数）。

　　该机构两个自由度中的一个自由度被弹簧约束，这时机构就呈现为一个摆动导杆机构串联一个双摆杆机构，机构在运动时只有一个自由度，液压缸驱动时，机构有确定的运动，这样机构满足阀的运动功能。而当阀关闭时，液压缸锁定，即锁住了一个自由度；若炉内压力大于弹簧力时，机构的第二个自由度被释放，这时机构满足阀的安全功能。

　　结构特征。这种放散阀的传动机构是一个平面复合铰链机构，它可以分解为一个摆动导杆四杆机构和一个摆动导杆五杆机构，使这种煤气放散阀具有6个特征。一是驱动方式为液压传动，可克服钢绳牵引布置的局限性。二是密封方式为弹簧压力，可大幅度减小设备的重量。三是如图3所示，在关闭时，由弹簧仓4、连杆7、转臂8组成的摆动导杆五杆机构相对于转臂8具有自锁能力，这样就提高了关闭的可靠性。四是阀盖与转臂连接采用双组球面连接，配合阀盖与阀座的硬密封面为球面与锥面的情况，使阀盖在关闭时具备一定自调能力。五是密封形式采用软硬双重密封，外软内硬，使硬密封减压、软密封密封，这样既实现了可靠的密封，又延长了软密封的使用寿命。六是在开启时，阀盖处于放散气流之外，既实现了顺畅放散，又避免损伤设备。

　　机构的型数分析

　　如前所述，该机构工作过程就是液压缸带动阀盖开关的过程，经过分析，可将这一过程细分为5个阶段，即阀的启动关或开到位阶段、阀的开关阶段、阀盖与阀座接触阶段、液压缸锁住阶段和炉内压力将阀盖顶开阶段。下面具体分析这5个阶段机构的型数变化。

　　阀的启动关或开到位阶段。当阀启动关或开到位时，由于惯性力的作用，弹簧仓的自由度被弹簧释放，弹簧起缓冲作用，此时机构就转化为一个七连杆机构，其运动链如图4所示。该运动链为双回路，一个回路为四杆链，一个回路为五杆链，图中构件数为7，其中支座为机架，是固定构件，因此，活动构件数为6，低副数为8，高副数为0。其机构自由度：F=3n－2pl－ph=3×6－2×8=2。

　　从图4的双回路来看，四杆链有确定的运动，而五杆链多一个自由度为弹簧的局部自由度，它只起缓冲作用，故也具有确定的运动。因此，该串联双回路七杆机构是具有缓冲功能的一个运动自由度机构。

　　阀的开关阶段。图2所示的阀开关过程中，由于弹簧仓4的自由度被弹簧约束，此时机构中弹簧仓4与弹簧杆6间的移动副丧失，弹簧仓4与弹簧杆6形成为一个构件，图4双回路中的五杆链转变为四杆链，其机构就转化为一个六连杆机构，如图5所示。此时机构为一个瓦特链，该链活动构件数为5，低副数为7，高副数为0。其机构自由度：F=3n－2pl－ph=3×5－2×7=1。

　　从图5的双回路来看，其为四杆链串联双回路六杆机构，具有唯一确定的运动，故通过一个液压缸驱动能实现阀盖的开关功能。

　　阀盖与阀座接触阶段。如图3所示，当阀盖9与阀座10接触时，阀盖9与阀座10间的挤压使弹簧仓4的自由度被释放，同时，该机构又增加了一个构件——阀盖9，此时机构转化为一个八连杆机构，其运动链如图6所示。该运动链为三回路，1个回路为四杆链，1个回路为五杆链，增加了1个三杆链。该链活动构件数为7，低副数为10，高副数为0。其机构自由度：F=3n－2pl－ph=3×7－2×10=1。

　　从图6的三回路来看，其为串联三回路八杆机构，一个四杆链串联一个五杆链再串联一个三杆链，实际运动实现在四杆链串联五杆链的两个回路中，该阶段为瞬间过程。

　　液压缸锁住阶段。如图3所示，当阀盖9到位后，液压缸1锁住，此时液压缸1与液压杆2为一个构件，机构转化为一个七连杆机构，其运动链如图7所示。该运动链为三回路，2个回路为三杆链，1个回路为五杆链。该链活动构件数为6，低副数为9，高副数为0。其机构自由度：F=3n－2pl－ph=3×6－2×9=0。

　　从图7的三回路来看，其为串联三回路七杆机构，由于2个三杆链分置两侧，形成固定构架，从而实现阀的长时间可靠关闭功能。

　　炉内压力将阀盖顶开阶段。如图3所示，当炉内压力大于弹簧力，将阀盖9顶开时，阀盖9脱离与阀座10接触，机构减少1个三杆链回路，此时机构转化为1个六连杆机构，其运动链如图8所示。其机构自由度：F=3n－2pl－ph=3×5－2×7=1。

　　从图8的两回路来看，其为1个三杆链串联1个五杆链的六杆机构，其五杆链回路实现阀的卸压功能。

　　综上所述，该机构是一个复杂的组合连杆铰链机构，它在整个开关过程中，通过机构的变型来实现不同阶段的功能需求，其对应的5个阶段是启动关（开到位←）→关过程（开过程←）→刚关上（将打开←）→关到位（启动开←）→阀顶开（阀复位←）。相应地，这5个阶段机构转变的型为七连杆机构→六连杆机构→八连杆机构→七连杆机构→六连杆机构，因此，该机构是一个以七连杆机构为基础的变型机构。同时，该机构是一个变自由度机构，其中，最多有2个自由度。这2个自由度分别满足不同的功能需求——一个满足运动的功能需求，另一个满足放散与缓冲的功能需求。而在关闭时，自由度为零，这能使机构长时间稳定可靠地实现关闭功能。