一種裂解氣閥用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

郭金 鄭平陽 楊歡

摘 要：聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)為工作輪廓線的求解及繪制。已經(jīng)有文章詳細(xì)分析了聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行過程，并對運(yùn)行過程中的壓力變化趨勢進(jìn)行了詳細(xì)描述。本文主要針對聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪廓線繪制

1.前言

文章《一種裂解閥用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析》對聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，準(zhǔn)確分析了各個(gè)過程中的壓力變化趨勢，并結(jié)合圖形對各個(gè)過程進(jìn)行了示意。本文結(jié)合相關(guān)分析，對聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。圖1為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后的效果圖。

2.工作輪廓線的求解

圖2為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行示意圖，圖3為裂解氣閥與清焦閥關(guān)鍵位置運(yùn)行示意圖，通過分析得知，壓力在臨界點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大，但聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)在切換點(diǎn)帶動(dòng)清焦閥運(yùn)行，因此工作輪廓線的核心計(jì)算之一就是切換點(diǎn)的求解。

2.1切換點(diǎn)的求解

切換點(diǎn)的選擇關(guān)系到最終工作輪廓線的變化趨勢，是整條曲線設(shè)計(jì)的起始點(diǎn)，其位置選擇的合理性，關(guān)系到聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性及可靠性，其在設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵性不言而喻。切換點(diǎn)的求解分為兩步：臨界點(diǎn)計(jì)算和切換點(diǎn)確定。

2.1.1臨界點(diǎn)計(jì)算

因裂解氣閥運(yùn)行至Ⅱ1階段結(jié)束時(shí)，清焦閥沒有開度，壓力P1達(dá)到最大值，故將壓力P1最大值作為求解臨界點(diǎn)的設(shè)計(jì)條件之一。于是，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，和公式1可以得出相應(yīng)裂解氣的開度面積。

（1）A1 為所求面積，Qm 為質(zhì)量流量，μ 為流量系數(shù)，g 為重力加速度，k 為等熵指數(shù)，P1 為最大壓力，P2 為出口壓力，V1 為進(jìn)口處絕對壓力下的比體積。求出相應(yīng)面積后，再用ANSYS進(jìn)行模擬檢驗(yàn)。保證結(jié)果的正確性，之后再進(jìn)行下一步工作。

2.1.2切換點(diǎn)確定

當(dāng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由切換點(diǎn)運(yùn)行至臨界點(diǎn)時(shí)，清焦閥運(yùn)行的行程為LB ，如圖2所示，LB 與旋轉(zhuǎn)中心的夾角為ββ，裂解氣閥對應(yīng)的行程為Lql ，與旋轉(zhuǎn)中心的夾角為kβ （k≥1 ，為轉(zhuǎn)角系數(shù)），因壓力P1在Ⅱ1階段一直滿足要求，故按照線性關(guān)系求解切換點(diǎn)，點(diǎn)S1即為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的切換點(diǎn)。

2.2從動(dòng)塊行程計(jì)算

由運(yùn)動(dòng)分析可知，驅(qū)動(dòng)塊B的行程與從動(dòng)塊A的行程存在一一對應(yīng)關(guān)系，將驅(qū)動(dòng)塊的行程作為已知條件求解三個(gè)階段與之對應(yīng)的從動(dòng)塊行程。

2.2.1 Ⅱ1階段從動(dòng)塊行程計(jì)算

因壓力P1滿足要求，故按照線性對應(yīng)關(guān)系計(jì)算從動(dòng)塊行程。計(jì)算公式如下：

2.2.2 Ⅱ2階段從動(dòng)塊行程計(jì)算

驅(qū)動(dòng)塊在Ⅱ2階段運(yùn)行時(shí)，壓力P1受到從動(dòng)塊行程的影響，需要考慮壓力條件。根據(jù)流量守恒原理，切換時(shí)裂解爐出口總流量等于流過裂解氣閥與清焦閥的兩個(gè)流量之和，并根據(jù)公式（3）計(jì)算對應(yīng)清焦閥的對應(yīng)行程。

（3）式中，A1 為裂解氣閥的開度面積，A2 為對應(yīng)的清焦閥開度面積，Pjl 為裂解氣裂解氣閥進(jìn)口壓力，Vj1 為裂解氣閥進(jìn)口處絕對壓力下的比體積，Pc1 為裂解氣閥出口壓力，Pj2 為清焦閥進(jìn)口壓力，Vj2 為清焦閥進(jìn)口處絕對壓力下的比體積，Pc2 為清焦閥出口壓力。

在計(jì)算時(shí)，可將裂解氣閥的行程n等分。n值越大，求解次數(shù)越多，相應(yīng)得到的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)輪廓線變化越平滑，壓力變化越平穩(wěn)。在此計(jì)算完成后可通過ANSYS計(jì)算對結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)校核。

2.2.3 Ⅱ3階段從動(dòng)塊行程計(jì)算

Ⅱ3階段從動(dòng)塊的行程計(jì)算與Ⅱ1階段從動(dòng)塊行程的計(jì)算原理相同?？筛鶕?jù)計(jì)算公式（4）進(jìn)行計(jì)算：

2.3輪廓線繪制

輪庫線的繪制是將裂解氣閥與清焦閥的行程對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換到聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。如圖3所示，S和S′分別為驅(qū)動(dòng)塊與從動(dòng)塊總行程，Ⅰ為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)休止區(qū)，Ⅱ?yàn)槁?lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作區(qū)，Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3分別為切換時(shí)的三個(gè)階段，S1為切換點(diǎn)。

旋轉(zhuǎn)中心右側(cè)輪廓線的繪制：

休止區(qū)的輪廓線與驅(qū)動(dòng)塊行程重合。工作區(qū)輪廓線的繪制也相對簡單，由切換點(diǎn)連接旋轉(zhuǎn)中心，繪制長度為驅(qū)動(dòng)塊工作區(qū)行程。此部分曲線就繪制完成了。

旋轉(zhuǎn)中心左側(cè)輪廓線的繪制：

因左側(cè)輪廓線為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制清焦閥啟閉的曲線，所以左側(cè)曲線上的每一個(gè)點(diǎn)都是與右側(cè)輪廓線相關(guān)聯(lián)的?，F(xiàn)以點(diǎn)p的繪制為例進(jìn)行說明。

從圖3中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)塊運(yùn)行至點(diǎn)Sp時(shí)，裂解氣閥運(yùn)行的行程為S0Sp，驅(qū)動(dòng)塊控制聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的行程為S1Sp，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)過的角度為θ。按照從動(dòng)塊對應(yīng)計(jì)算結(jié)果，此時(shí)清焦閥的行程應(yīng)為S1′Sp′，即聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)控制從動(dòng)塊運(yùn)行S1′Sp′的距離，S1′Sp′與旋轉(zhuǎn)中心形成的角度為θ1。θ與θ1的角度并不相等，兩者相差的角度為θ2，聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)為剛性原件，在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)過的角度是固定的，當(dāng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過θ角時(shí)，如何保證清焦閥的行程對應(yīng)點(diǎn)為Sp′是需要解決的一個(gè)難題，即如何解決兩個(gè)行程對應(yīng)旋轉(zhuǎn)中心角度不一致的問題。

采用角度補(bǔ)償方法可以有效解決上述問題。具體方法為，以O(shè)為旋轉(zhuǎn)中心，OSp′為起始邊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度θ，且以O(shè)Sp′為半徑畫圓弧，虛線交于點(diǎn)p，點(diǎn)p即為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)輪廓線上的點(diǎn)。滿足當(dāng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度θ時(shí)，控制清焦閥運(yùn)行至Sp′點(diǎn)。同理，繪制其余各點(diǎn)，并將所有點(diǎn)連接成線，就完成了旋轉(zhuǎn)中心左側(cè)工作輪廓線的繪制。

當(dāng)然在繪制曲線的過程中，可能出現(xiàn)奇點(diǎn)，即某一點(diǎn)或某些點(diǎn)使曲線的變化劇烈，曲線出現(xiàn)尖角，不滿足曲線光滑過渡，最終影響閥門動(dòng)作。此時(shí)，需要對奇點(diǎn)進(jìn)行修改，修改的原則采用反驗(yàn)證的方式，即先讓曲線光滑過渡，再選取曲線上的點(diǎn)，計(jì)算此時(shí)清焦閥的相應(yīng)行程，核算裂解氣閥與清焦閥相應(yīng)開度下壓力是否滿足條件。

3.零件的設(shè)計(jì)

最終的零件設(shè)計(jì)階段，需要對繪制好的曲線進(jìn)行擴(kuò)充，選擇合適的驅(qū)動(dòng)塊、從動(dòng)塊直徑大小，校核設(shè)計(jì)零件的剛度與強(qiáng)度，保證零件實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)功能，在裂解氣閥與清焦閥切換過程中維持壓力的相對穩(wěn)定。

4.結(jié)論

本文對聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了介紹，針對聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)不同階段的不同特征，采用不同的計(jì)算方法，為了保證計(jì)算的可靠性，在公式計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合ANSYS模擬加以驗(yàn)證，兩種結(jié)果一致時(shí)，才確定為結(jié)果，保證了計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性，最終完成各個(gè)階段裂解氣閥與清焦閥對應(yīng)行程的計(jì)算。對于聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作輪廓線的繪制方面，本文介紹了一種角度補(bǔ)償?shù)睦L制方法。繪制成完整的曲線后，會(huì)根據(jù)曲線的變化規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)奇點(diǎn)的調(diào)整，保證零件設(shè)計(jì)的合理性。最終將設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核后，完成零件設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊源泉主編.閥門設(shè)計(jì)手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.12

[3]郭金，楊歡，鄭平陽，一種裂解氣閥用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行分析，中國科技博覽，2018

作者簡介：

郭金（1985.12--）；性別：男，籍貫：河北唐山，學(xué)歷：研究生，畢業(yè)于：哈爾濱工業(yè)大學(xué)；現(xiàn)有職稱：工程師