高炉放散阀的结构特点及受力分析

盖晓明 顷永宏 黎 勤

(1：秦皇岛秦冶重工有限公司 河北秦皇岛 066004 ；2：渤海钻探工程技术研究院 天津 300000)

1 前言

高炉炉顶煤气放散阀用于高炉紧急休风或者炉内产生爆炸气体压力急剧增加时，迅速将高炉煤气排入大气中，它要求操作可靠、密封性好，并在开启阀门时产生的噪音较小。炉容在3000m3及以上容积的高炉，因为其炉顶压力(以下简称顶压)高、整体框架高的特点不再采用配重式放散阀，转而采用带弹簧仓的新型煤气放散阀，其结构见图1。其主要特点是无配重，可以有效降低炉顶框架结构高度，自带特殊安全弹簧仓，可以在顶压失控时自动打开放散阀，有效保护炉顶设备及管道。大高炉顶压较高、并且其顶压控制要求较高，一旦出现紧急状况将会对沿线设备造成灾难性的后果；所以炉顶放散阀必须具有安全阀的功能，一旦高炉炉顶顶压失控都将会通过放散阀自动打开从而减少故障损失[1]。本文将对该带弹簧仓的新型煤气放散阀结构及受力状况进行分析。

2 结构特点

该放散阀正常启闭采用液压驱动, 靠弹簧仓内碟簧加压压紧密封并保证炉内系统压力正常。密封副为弹性对中机构。阀盖与阀座之间采用了双重密封。软密封为橡胶密封圈，设在阀体的外侧。硬密封是在阀盖与阀座的密封表面上堆焊硬质合金，密封面为球面,与对中机构的球面互相配合,保证工作位置正确。阀门完全打开时,阀盖处在管道气流之外,不受介质冲刷。阀门安全放散时油缸并不动作而是由于高炉内压力升高到大于阀门密封比压时，阀板带动转臂压缩弹簧仓的弹簧，使阀盖微量开启，从而达到放散减压的目的。阀门关闭快到位时，阀盖的运动轨迹近似于直线，冲击少，密封合理。[2] [3]

图1 带弹簧仓型煤气放散阀结构图

3 工作原理

阀门的开启与关闭均由液压缸驱动实现。油缸工作时,首先带动摇杆(弹簧仓) ,再带动连杆,连杆带动转臂转动,将阀门打开与关闭。阀门采用了摆动油缸和平面连杆机构保证阀门的运动轨迹。

如图2所示，阀门开启时油缸推动杆3(弹簧仓)顺时针方向转动,弹簧被压缩,杆3伸长,转臂不动。油缸继续工作,当杆3转过α1角,即G0、J1、A2三点成一线时,杆3最长,杆3继续转动,弹簧伸长,杆3缩短。又转过α1角,杆3恢复阀盖关闭时长度,此时弹簧仍处于被压缩状态,且横梁有下行空间，在弹簧回复力作用下,杆3在转动过程中继续缩短。当杆3又转过α3角后，横梁被弹簧仓顶柱顶死,此时弹簧仍有一定的压缩量,油缸推动杆3继续转动时,转臂带动阀盖将阀门打开。

阀门关闭时,各杆件动作相反。油缸推动杆3由G0A5位置转到G0A4，此时阀门关闭。然后油缸继续工作,杆3逆时针转动,杆3伸长,弹簧被压缩,弹簧回复力使阀盖加压。杆3转到G0A3时, 弹簧加压可以达到密封要求, 但此位置不能实现放散时的自锁，所以油缸需继续工作,使杆3转过G0A2。然后在不计摩擦等阻力时不需油缸驱动,杆3就可在弹簧回复力作用下继续转过α1角。此时油缸到位,杆3不再转动,弹簧预紧力压紧阀盖,起到密封作用。阀盖与阀座之间的密封比压靠调整弹簧预紧力实现。拧紧弹簧仓内的调节螺母时,弹簧仓主轴上移,与主轴相连的活塞压紧弹簧,使弹簧受一定的预紧力。调节螺母拧的越紧,弹簧初始变形越大,弹簧的预紧力越大,阀盖与阀座之间的密封比压也就越大。预紧力的大小可根据不同的密封要求调节，方便快捷。

图2 传动系统运动简图

4 液压放散阀的机构分析

图2为传动系统运动简图，放散阀传动机构为平面连杆机构，液压油缸提供驱动力。当横梁与顶柱处于分离状态且阀盖与阀体也处于分离状态时，由弹簧仓、横梁、连杆、转臂、阀体组成的五杆机构的自由度为W=3n-2P5-P4，其中n=4、P5=5、P4=0，所以,W=3×4-2×5-0=2，机构的自由度数不等于原动件数，故运动不确定。

在横梁与顶柱保持接触的过程中(图2从A4到A5的运动过程，横梁和弹簧仓视为一个构件)，弹簧仓、连杆、转臂、阀体组成双摇杆机构，其中弹簧仓为主动件。自由度W=3n-2P5-P4，其中n=3、P5=4、P4=0，所以W=3×3-2×4-0=1。当阀盖处于关闭状态时(图2从A1到A4的运动过程，阀盖与阀体视为一个构件，为非活动件。)，弹簧仓、横梁、连杆、阀体组成摆动导杆机构，其中弹簧仓为主动件。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，在需要的工作区间机构的自由度均为1，与原动件数量一致，机构有确定的运动。[4]

5设计计算

5.1 密封力计算[5]

首先计算密封比压qMF(按软密封计算)

式中PN—介质压力(MPa);

bM—密封面宽度(mm)。

计算密封力FMZ。

FMZ=FMJ+FMF

FMJ=π (DMN+bM)2PN/4

FMF=π (DMN+bM)bMqMF

式中FMJ—密封面处介质作用力(N)；

FMF—密封面上密封力(N)；

DMN—密封面内径直径(mm)。

5.2 锁紧力计算

如图3，先以横梁为研究对象进行受力分析，然后以转臂、连杆和横梁为研究对象，对锁紧力P1进行计算。根据力平衡原理各力对H点取矩。

图3 阀盖关闭位置时受力分析图

P2LHK-N2LKA1=(FMJ+FMF)LHE1

(1)

由横梁受力图知：

FJ1cosα=P1

FJ1sinα=N2

N1=P1tgα

(2)

将式(2)代入式(1)得：

式中P1-在A1点弹簧锁紧力(N)；

FJ1-在A1点连杆对横梁的作用力(N)；

N1-在A1点碟簧仓对横梁的支持力(N)。

5.3 驱动力计算

因为当阀盖与阀体处于分离状态时，外在阻力主要为各构件自重及摩擦力，这时的由缸出力较小，所以主要分析A1-A4区间油缸出力情况。如图4，选择竖直方向右侧阀盖处于关闭状态时的任意位置A进行受力分析。先以横梁为研究对象进行受力分析，然后以弹簧仓为研究对象，对驱动力F油进行计算。由横梁受力分析图可得：

FJcosα=P；FJsinα=N；N=Ptgα

图4 位置A受力分析图

由碟簧仓受力分析图，根据力平衡原理各力对H点取矩可得：

N′=N

因此，F油L4cosβ=Ptgα

从图4中各构件的几何关系，由余弦定理可知：

(4)

式中P-弹簧锁紧力(N)，P为关于弹簧压缩量X的函数，对于压缩量与力成正比关系的碟簧，P可表示为P=P1+KX,K为弹簧的刚度系数；

FJ-连杆对横梁的作用力(N)；

N-碟簧仓对横梁的支持力(N)；

N'-横梁对碟簧仓的反作用力(N)；

F油-油缸作用力(N)；

L1-连杆长度(mm)；

L2-碟簧仓固定铰链G到连杆铰链J的距离(mm)，在A1-A4区间其为固定值；

L3-碟簧仓固定铰链G到连杆铰链A的距离(mm),为关于碟簧压缩量X的函数，取关闭位置时该距离为L,则任意位置时L3=L+X；

L4-碟簧仓固定铰链G到油缸力作用点距离(mm)，为固定值。

为了便于得到在A1-A4区间任意点对应的油缸力，需要找出(3)式中P、α、β与弹簧压缩量X之间的关系，由碟簧的特性和(4)式可以得到P和α与X的关系式，β与X的关系式可以通过图5对各边角关系进行分析得到。

对于给定的结构，当阀盖处于关闭位置，如图5所示ΔJOG为固定三角形，因此角δ为定值；对于碟簧仓L3与L4的夹角η也为定值，并且由图5可得各角关系式如下：

图5 位置A各边角关系图

δ-γ+φ=η，即φ=γ+(η-δ)，从而得到φ与γ的关系式，(η-δ)为定值。

β=90°-(180°-θ)=θ-90°

由余弦定理可得：

(5)

由φ=γ+(η-δ)得

上式两边同时取余弦得：

(L42+L52+L油2)/(2L4L5)=

L油2=L42+L52-2L4L5

(6)

式中L5-连杆铰链J到油缸铰链O的距离(mm)，为定值；

L油-油缸铰链O到碟簧仓铰链B的距离(mm)。

由式(5)和(6)联立可以得到β与X的关系。

由上述计算得到碟簧仓在竖直方向右侧阀盖处于关闭状态时L油与X的关系式，同理可以解得碟簧仓在竖直方向左侧L油与X的关系式，这样就可以方便地求解A1-A4区间不同参数下所需要的油缸力，为放散阀的设计提供理论参考。

6 结束语

该放散阀操作可靠、使用寿命长，机构运转灵活，密封性好，并在开启阀门时产生的噪音较小，无配重，可以有效降低炉顶框架结构高度，是高炉炉顶中非常重要的一个设备，对其进行深入研究是有必要的。本文通过对高炉放散阀的结构特点和受力进行分析，得到的力学关系式为高炉放散阀的深入研究提供理论参考。