5.5m焦炉纯水液压交换机系统特性分析

2015-03-20孙旭东

机械管理开发 2015年7期

孙旭东，张军

（太原重工股份有限公司技术中心，山西太原 030024）

引言

纯水液压传动技术是以天然淡水为工作介质的液压传动系统，相比于矿物油介质，水介质具有清洁安全、成本低、来源广泛、不燃等特点，有着广泛的应用前景。

焦炉交换设备是焦炉生产设备的重要组成部分，主要用于切换焦炉加热系统的气体流动方向，包括交换机和交换传动装置［1］。其中，交换机是焦炉交换设备的动力装置，它通过带动各传动拉条运动来实现交换功能，分为机械传动和液压传动两类。相比于机械交换机，液压交换机具有结构简单、控制操作方便等优势，被焦化厂广泛选用。

5.5m捣固焦炉是国内焦化厂生产应用的主要炉型之一，本文借鉴应用于其上液压交换机的工作机理及工况，设计了一套以水为工作介质的液压交换机系统，对其速度特性和负载特性作了分析，并和同样参数条件下使用液压油介质的交换机系统作了比较。

1 系统及参数

在5.5m捣固焦炉加热交换设备中，液压交换机的主要功能是通过双作用液压缸控制煤气拉条和废气拉条按一定的时间要求进行和完成动作，即保证液压缸在规定时间内完成规定行程的动作。考虑到交换机液压缸速度的可调节性及运动的平稳性，本文设计的纯水液压交换机系统采用回油节流调速系统，如图1所示，主要由水液压泵、水压电磁溢流阀、水压单向节流阀、水压二位二通电磁换向阀、水压液控单向阀和双作用水液压缸等组成。其中，4个二位二通电磁换向阀组合成1个三位四通电磁换向阀，实现水液压缸的运动及换向。

图1 纯水液压交换机系统

煤气水液压缸和废气水液压缸在完成交换工艺时需满足下页图2所示的行程—时间关系曲线要求。设计的纯水液压系统交换机系统主要工作参数见表1。

图2 煤气、废气水液压缸行程—时间关系曲线

额定工作压力／MPa 9 煤气水液压缸工作行程／mm 460 废气水液压缸最大拉力／kN 90／（r·min－1）1 440 废气水液压缸工作行程／mm 610电机转速煤气水液压缸活塞直径／活塞杆直径／mm 140／90量／（mL·r－1） 20 煤气水液压缸最大拉力／kN 70水液压泵排废气水液压缸活塞直径／活塞杆直径／mm 160／100

2 特性分析

2.1 公式推导

设计的纯水液压交换机的系统工作压力不高，水介质在工作过程中的压缩性表现不明显，忽略它对传动系统特性的影响。同时忽略双作用水液压缸的摩擦阻力以及泄漏等的影响，活塞在按图1所示方向稳定运动时，活塞上的受力平衡方程式为：

式中：p1为煤气或废气水液压缸进水腔工作压力，Pa；p2为煤气或废气水液压缸回水箱腔压力，Pa；A为煤气或废气水液压缸有效作用面积，m2；F为煤气或废气拉条拉力，N。

通过水压节流阀的流量方程为：

式中：q为通过水压节流阀的水介质流量，m3／s；Cd为水介质流经锥阀时的流量系数，一般为0.85～0.95［2］；AT为节流阀的过流面积，m2；ρ为水的密度，kg／m3。

水液压缸的运动速度：

由公式（1）、（2）和（3）可以推导出水液压缸的运动速度：

其中，水液压缸的有效作用面积：

式中：D为水液压缸活塞直径，m；d为水液压缸活塞杆直径，m。

2.2 速度特性

以煤气水液压缸为例，利用Matlab软件绘制了拉条拉力分别为70kN、65kN和60kN时，水液压缸运动速度随水压节流阀过流面积大小变化的曲线，如图3所示。在其他参数相同的条件下，拉条拉力为70kN时，使用液压油介质的交换机系统液压缸速度特性曲线也见图3。

图3 交换机液压缸速度特性曲线

从图3可以看出，对于纯水液压交换机系统，在不同的拉条拉力情况下，都可以通过调节节流阀的过流面积实现水液压缸的无级调速，且拉条拉力越大，水液压缸的运动速度随节流阀过流面积大小的变化就越缓慢。在相同的参数条件下，调节节流阀开口大小时，纯水液压交换机系统水液压缸运动速度变化要比使用油介质的系统大，水液压交换机具有更灵活的调节特性。

2.3 负载特性

仍以煤气水液压缸为例，在节流阀等效过流通径分别为4.5mm、4.0mm 和3.5mm 时，利用Matlab软件绘制水液压缸运动速度随拉条拉力大小变化的曲线，见图4。在其他参数相同的条件下，节流阀等效过流通径为4.0mm时，使用液压油介质的交换机系统液压缸负载特性曲线也如图4所示。

图4 交换机液压缸负载特性曲线

从图4可以看出，对于纯水液压交换机系统，当节流阀调至某一状态（等效过流通径保持不变）时，水液压缸运动速度随拉条拉力的增大而减小；且节流阀的过流通径越大，水液压缸运动速度随负载变化的幅度也越大。同时，也可以看到在相同参数条件下，纯水液压交换机水液压缸运动速度随拉条拉力大小变化的幅度要比液压油介质交换机的大。