5.5m焦爐純水液壓交換機系統特性分析

孫旭東， 張 軍

（太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024）

引言

純水液壓傳動技術是以天然淡水為工作介質的液壓傳動系統，相比于礦物油介質，水介質具有清潔安全、成本低、來源廣泛、不燃等特點，有著廣泛的應用前景。

焦爐交換設備是焦爐生產設備的重要組成部分，主要用于切換焦爐加熱系統的氣體流動方向，包括交換機和交換傳動裝置［1］。其中，交換機是焦爐交換設備的動力裝置，它通過帶動各傳動拉條運動來實現交換功能，分為機械傳動和液壓傳動兩類。相比于機械交換機，液壓交換機具有結構簡單、控制操作方便等優勢，被焦化廠廣泛選用。

5.5m搗固焦爐是國內焦化廠生產應用的主要爐型之一，本文借鑒應用于其上液壓交換機的工作機理及工況，設計了一套以水為工作介質的液壓交換機系統，對其速度特性和負載特性作了分析，并和同樣參數條件下使用液壓油介質的交換機系統作了比較。

1 系統及參數

在5.5m搗固焦爐加熱交換設備中，液壓交換機的主要功能是通過雙作用液壓缸控制煤氣拉條和廢氣拉條按一定的時間要求進行和完成動作，即保證液壓缸在規定時間內完成規定行程的動作。考慮到交換機液壓缸速度的可調節性及運動的平穩性，本文設計的純水液壓交換機系統采用回油節流調速系統，如圖1所示，主要由水液壓泵、水壓電磁溢流閥、水壓單向節流閥、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個二位二通電磁換向閥組合成1個三位四通電磁換向閥，實現水液壓缸的運動及換向。

圖1 純水液壓交換機系統

煤氣水液壓缸和廢氣水液壓缸在完成交換工藝時需滿足下頁圖2所示的行程—時間關系曲線要求。設計的純水液壓系統交換機系統主要工作參數見表1。

圖2 煤氣、廢氣水液壓缸行程—時間關系曲線

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電機轉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

設計的純水液壓交換機的系統工作壓力不高，水介質在工作過程中的壓縮性表現不明顯，忽略它對傳動系統特性的影響。同時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所示方向穩定運動時，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。

通過水壓節流閥的流量方程為：

式中：q為通過水壓節流閥的水介質流量，m3／s；Cd為水介質流經錐閥時的流量系數，一般為0.85～0.95［2］；AT為節流閥的過流面積，m2；ρ為水的密度，kg／m3。

水液壓缸的運動速度：

由公式（1）、（2）和（3）可以推導出水液壓缸的運動速度：

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，水液壓缸運動速度隨水壓節流閥過流面積大小變化的曲線，如圖3所示。在其他參數相同的條件下，拉條拉力為70kN時，使用液壓油介質的交換機系統液壓缸速度特性曲線也見圖3。

圖3 交換機液壓缸速度特性曲線

從圖3可以看出，對于純水液壓交換機系統，在不同的拉條拉力情況下，都可以通過調節節流閥的過流面積實現水液壓缸的無級調速，且拉條拉力越大，水液壓缸的運動速度隨節流閥過流面積大小的變化就越緩慢。在相同的參數條件下，調節節流閥開口大小時，純水液壓交換機系統水液壓缸運動速度變化要比使用油介質的系統大，水液壓交換機具有更靈活的調節特性。

2.3 負載特性

仍以煤氣水液壓缸為例，在節流閥等效過流通徑分別為4.5mm、4.0mm 和3.5mm 時，利用Matlab軟件繪制水液壓缸運動速度隨拉條拉力大小變化的曲線，見圖4。在其他參數相同的條件下，節流閥等效過流通徑為4.0mm時，使用液壓油介質的交換機系統液壓缸負載特性曲線也如圖4所示。

圖4 交換機液壓缸負載特性曲線

從圖4可以看出，對于純水液壓交換機系統，當節流閥調至某一狀態（等效過流通徑保持不變）時，水液壓缸運動速度隨拉條拉力的增大而減小；且節流閥的過流通徑越大，水液壓缸運動速度隨負載變化的幅度也越大。同時，也可以看到在相同參數條件下，純水液壓交換機水液壓缸運動速度隨拉條拉力大小變化的幅度要比液壓油介質交換機的大。

3 結語

通過對本文設計的純水液壓交換機系統速度特性和負載特性的分析，可以看到水液壓交換機能夠滿足焦爐生產工藝要求；通過與液壓油介質交換機的對比，發現純水液壓交換機的控制靈敏度要高于油壓交換機。

節流調速回路在焦化機械設備上有著廣泛的應用，使用水介質的液壓系統與使用液壓油介質系統相比，在降低設備使用成本、保護環境等方面有著很大的優勢。通過本文分析，可以看到水液壓節流調速回路具有良好的工作特性，為純水液壓傳動技術在焦爐機械設備上的推廣應用提供了參考。

［1］ 于振東，蔡承祐.焦爐生產技術［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2003.

［2］ 唐群國.水液壓傳動技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2013.