孫旭東， 張 軍

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

引言

純水液壓傳動(dòng)技術(shù)是以天然淡水為工作介質(zhì)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，相比于礦物油介質(zhì)，水介質(zhì)具有清潔安全、成本低、來(lái)源廣泛、不燃等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

焦?fàn)t交換設(shè)備是焦?fàn)t生產(chǎn)設(shè)備的重要組成部分，主要用于切換焦?fàn)t加熱系統(tǒng)的氣體流動(dòng)方向，包括交換機(jī)和交換傳動(dòng)裝置［1］。其中，交換機(jī)是焦?fàn)t交換設(shè)備的動(dòng)力裝置，它通過(guò)帶動(dòng)各傳動(dòng)拉條運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)交換功能，分為機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩類。相比于機(jī)械交換機(jī)，液壓交換機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制操作方便等優(yōu)勢(shì)，被焦化廠廣泛選用。

5.5m搗固焦?fàn)t是國(guó)內(nèi)焦化廠生產(chǎn)應(yīng)用的主要爐型之一，本文借鑒應(yīng)用于其上液壓交換機(jī)的工作機(jī)理及工況，設(shè)計(jì)了一套以水為工作介質(zhì)的液壓交換機(jī)系統(tǒng)，對(duì)其速度特性和負(fù)載特性作了分析，并和同樣參數(shù)條件下使用液壓油介質(zhì)的交換機(jī)系統(tǒng)作了比較。

1 系統(tǒng)及參數(shù)

在5.5m搗固焦?fàn)t加熱交換設(shè)備中，液壓交換機(jī)的主要功能是通過(guò)雙作用液壓缸控制煤氣拉條和廢氣拉條按一定的時(shí)間要求進(jìn)行和完成動(dòng)作，即保證液壓缸在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定行程的動(dòng)作?？紤]到交換機(jī)液壓缸速度的可調(diào)節(jié)性及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，本文設(shè)計(jì)的純水液壓交換機(jī)系統(tǒng)采用回油節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，如圖1所示，主要由水液壓泵、水壓電磁溢流閥、水壓?jiǎn)蜗蚬?jié)流閥、水壓二位二通電磁換向閥、水壓液控單向閥和雙作用水液壓缸等組成。其中，4個(gè)二位二通電磁換向閥組合成1個(gè)三位四通電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)水液壓缸的運(yùn)動(dòng)及換向。

圖1 純水液壓交換機(jī)系統(tǒng)

煤氣水液壓缸和廢氣水液壓缸在完成交換工藝時(shí)需滿足下頁(yè)圖2所示的行程—時(shí)間關(guān)系曲線要求。設(shè)計(jì)的純水液壓系統(tǒng)交換機(jī)系統(tǒng)主要工作參數(shù)見表1。

圖2 煤氣、廢氣水液壓缸行程—時(shí)間關(guān)系曲線

額定工作壓力／MPa 9 煤氣水液壓缸工作行程／mm 460 廢氣水液壓缸最大拉力／kN 90／（r·min－1）1 440 廢氣水液壓缸工作行程／mm 610電機(jī)轉(zhuǎn)速煤氣水液壓缸活塞直徑／活塞桿直徑／mm 140／90量／（mL·r－1） 20 煤氣水液壓缸最大拉力／kN 70水液壓泵排廢氣水液壓缸活塞直徑／活塞桿直徑／mm 160／100

2 特性分析

2.1 公式推導(dǎo)

設(shè)計(jì)的純水液壓交換機(jī)的系統(tǒng)工作壓力不高，水介質(zhì)在工作過(guò)程中的壓縮性表現(xiàn)不明顯，忽略它對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)特性的影響。同時(shí)忽略雙作用水液壓缸的摩擦阻力以及泄漏等的影響，活塞在按圖1所示方向穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞上的受力平衡方程式為：

式中：p1為煤氣或廢氣水液壓缸進(jìn)水腔工作壓力，Pa；p2為煤氣或廢氣水液壓缸回水箱腔壓力，Pa；A為煤氣或廢氣水液壓缸有效作用面積，m2；F為煤氣或廢氣拉條拉力，N。

通過(guò)水壓節(jié)流閥的流量方程為：

式中：q為通過(guò)水壓節(jié)流閥的水介質(zhì)流量，m3／s；Cd為水介質(zhì)流經(jīng)錐閥時(shí)的流量系數(shù)，一般為0.85～0.95［2］；AT為節(jié)流閥的過(guò)流面積，m2；ρ為水的密度，kg／m3。

水液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度：

由公式（1）、（2）和（3）可以推導(dǎo)出水液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度：

其中，水液壓缸的有效作用面積：

式中：D為水液壓缸活塞直徑，m；d為水液壓缸活塞桿直徑，m。

2.2 速度特性

以煤氣水液壓缸為例，利用Matlab軟件繪制了拉條拉力分別為70kN、65kN和60kN時(shí)，水液壓缸運(yùn)動(dòng)速度隨水壓節(jié)流閥過(guò)流面積大小變化的曲線，如圖3所示。在其他參數(shù)相同的條件下，拉條拉力為70kN時(shí)，使用液壓油介質(zhì)的交換機(jī)系統(tǒng)液壓缸速度特性曲線也見圖3。

圖3 交換機(jī)液壓缸速度特性曲線

從圖3可以看出，對(duì)于純水液壓交換機(jī)系統(tǒng)，在不同的拉條拉力情況下，都可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的過(guò)流面積實(shí)現(xiàn)水液壓缸的無(wú)級(jí)調(diào)速，且拉條拉力越大，水液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度隨節(jié)流閥過(guò)流面積大小的變化就越緩慢。在相同的參數(shù)條件下，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小時(shí)，純水液壓交換機(jī)系統(tǒng)水液壓缸運(yùn)動(dòng)速度變化要比使用油介質(zhì)的系統(tǒng)大，水液壓交換機(jī)具有更靈活的調(diào)節(jié)特性。

2.3 負(fù)載特性

仍以煤氣水液壓缸為例，在節(jié)流閥等效過(guò)流通徑分別為4.5mm、4.0mm 和3.5mm 時(shí)，利用Matlab軟件繪制水液壓缸運(yùn)動(dòng)速度隨拉條拉力大小變化的曲線，見圖4。在其他參數(shù)相同的條件下，節(jié)流閥等效過(guò)流通徑為4.0mm時(shí)，使用液壓油介質(zhì)的交換機(jī)系統(tǒng)液壓缸負(fù)載特性曲線也如圖4所示。

圖4 交換機(jī)液壓缸負(fù)載特性曲線

從圖4可以看出，對(duì)于純水液壓交換機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)節(jié)流閥調(diào)至某一狀態(tài)（等效過(guò)流通徑保持不變）時(shí)，水液壓缸運(yùn)動(dòng)速度隨拉條拉力的增大而減??；且節(jié)流閥的過(guò)流通徑越大，水液壓缸運(yùn)動(dòng)速度隨負(fù)載變化的幅度也越大。同時(shí)，也可以看到在相同參數(shù)條件下，純水液壓交換機(jī)水液壓缸運(yùn)動(dòng)速度隨拉條拉力大小變化的幅度要比液壓油介質(zhì)交換機(jī)的大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本文設(shè)計(jì)的純水液壓交換機(jī)系統(tǒng)速度特性和負(fù)載特性的分析，可以看到水液壓交換機(jī)能夠滿足焦?fàn)t生產(chǎn)工藝要求；通過(guò)與液壓油介質(zhì)交換機(jī)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)純水液壓交換機(jī)的控制靈敏度要高于油壓交換機(jī)。

節(jié)流調(diào)速回路在焦化機(jī)械設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用，使用水介質(zhì)的液壓系統(tǒng)與使用液壓油介質(zhì)系統(tǒng)相比，在降低設(shè)備使用成本、保護(hù)環(huán)境等方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)本文分析，可以看到水液壓節(jié)流調(diào)速回路具有良好的工作特性，為純水液壓傳動(dòng)技術(shù)在焦?fàn)t機(jī)械設(shè)備上的推廣應(yīng)用提供了參考。

［1］ 于振東，蔡承祐.焦?fàn)t生產(chǎn)技術(shù)［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

［2］ 唐群國(guó).水液壓傳動(dòng)技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013.