一種裂解氣閥用聯動機構的設計

郭金 鄭平陽 楊歡

摘 要：聯動機構的設計難點為工作輪廓線的求解及繪制。已經有文章詳細分析了聯動機構的運行過程，并對運行過程中的壓力變化趨勢進行了詳細描述。本文主要針對聯動機構的設計難點進行介紹。

關鍵詞：聯動機構，輪廓線繪制

1.前言

文章《一種裂解閥用聯動機構的運動分析》對聯動機構的運行過程進行了詳細描述，準確分析了各個過程中的壓力變化趨勢，并結合圖形對各個過程進行了示意。本文結合相關分析，對聯動機構的設計難點及設計方法進行介紹。圖1為聯動機構設計完成后的效果圖。

2.工作輪廓線的求解

圖2為聯動機構運行示意圖，圖3為裂解氣閥與清焦閥關鍵位置運行示意圖，通過分析得知，壓力在臨界點時達到最大，但聯動機構在切換點帶動清焦閥運行，因此工作輪廓線的核心計算之一就是切換點的求解。

2.1切換點的求解

切換點的選擇關系到最終工作輪廓線的變化趨勢，是整條曲線設計的起始點，其位置選擇的合理性，關系到聯動機構運行的平穩性及可靠性，其在設計階段的關鍵性不言而喻。切換點的求解分為兩步：臨界點計算和切換點確定。

2.1.1臨界點計算

因裂解氣閥運行至Ⅱ1階段結束時，清焦閥沒有開度，壓力P1達到最大值，故將壓力P1最大值作為求解臨界點的設計條件之一。于是，根據設計條件，和公式1可以得出相應裂解氣的開度面積。

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

2.1.2切換點確定

當聯動機構由切換點運行至臨界點時，清焦閥運行的行程為LB ，如圖2所示，LB 與旋轉中心的夾角為ββ，裂解氣閥對應的行程為Lql ，與旋轉中心的夾角為kβ （k≥1 ，為轉角系數），因壓力P1在Ⅱ1階段一直滿足要求，故按照線性關系求解切換點，點S1即為聯動機構的切換點。

2.2從動塊行程計算

由運動分析可知，驅動塊B的行程與從動塊A的行程存在一一對應關系，將驅動塊的行程作為已知條件求解三個階段與之對應的從動塊行程。

2.2.1 Ⅱ1階段從動塊行程計算

因壓力P1滿足要求，故按照線性對應關系計算從動塊行程。計算公式如下：

2.2.2 Ⅱ2階段從動塊行程計算

驅動塊在Ⅱ2階段運行時，壓力P1受到從動塊行程的影響，需要考慮壓力條件。根據流量守恒原理，切換時裂解爐出口總流量等于流過裂解氣閥與清焦閥的兩個流量之和，并根據公式（3）計算對應清焦閥的對應行程。

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

在計算時，可將裂解氣閥的行程n等分。n值越大，求解次數越多，相應得到的聯動機構輪廓線變化越平滑，壓力變化越平穩。在此計算完成后可通過ANSYS計算對結果進行相應校核。

2.2.3 Ⅱ3階段從動塊行程計算

Ⅱ3階段從動塊的行程計算與Ⅱ1階段從動塊行程的計算原理相同。可根據計算公式（4）進行計算：

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關系轉換到聯動機構上。如圖3所示，S和S′分別為驅動塊與從動塊總行程，Ⅰ為聯動機構休止區，Ⅱ為聯動機構工作區，Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3分別為切換時的三個階段，S1為切換點。

旋轉中心右側輪廓線的繪制：

休止區的輪廓線與驅動塊行程重合。工作區輪廓線的繪制也相對簡單，由切換點連接旋轉中心，繪制長度為驅動塊工作區行程。此部分曲線就繪制完成了。

旋轉中心左側輪廓線的繪制：

因左側輪廓線為聯動機構控制清焦閥啟閉的曲線，所以左側曲線上的每一個點都是與右側輪廓線相關聯的。現以點p的繪制為例進行說明。

從圖3中可以看出，當驅動塊運行至點Sp時，裂解氣閥運行的行程為S0Sp，驅動塊控制聯動機構運行的行程為S1Sp，聯動機構繞旋轉中心轉過的角度為θ。按照從動塊對應計算結果，此時清焦閥的行程應為S1′Sp′，即聯動機構應控制從動塊運行S1′Sp′的距離，S1′Sp′與旋轉中心形成的角度為θ1。θ與θ1的角度并不相等，兩者相差的角度為θ2，聯動機構為剛性原件，在運行過程中轉過的角度是固定的，當聯動機構轉過θ角時，如何保證清焦閥的行程對應點為Sp′是需要解決的一個難題，即如何解決兩個行程對應旋轉中心角度不一致的問題。

采用角度補償方法可以有效解決上述問題。具體方法為，以O為旋轉中心，OSp′為起始邊逆時針旋轉角度θ，且以OSp′為半徑畫圓弧，虛線交于點p，點p即為聯動機構輪廓線上的點。滿足當聯動機構旋轉角度θ時，控制清焦閥運行至Sp′點。同理，繪制其余各點，并將所有點連接成線，就完成了旋轉中心左側工作輪廓線的繪制。

當然在繪制曲線的過程中，可能出現奇點，即某一點或某些點使曲線的變化劇烈，曲線出現尖角，不滿足曲線光滑過渡，最終影響閥門動作。此時，需要對奇點進行修改，修改的原則采用反驗證的方式，即先讓曲線光滑過渡，再選取曲線上的點，計算此時清焦閥的相應行程，核算裂解氣閥與清焦閥相應開度下壓力是否滿足條件。

3.零件的設計

最終的零件設計階段，需要對繪制好的曲線進行擴充，選擇合適的驅動塊、從動塊直徑大小，校核設計零件的剛度與強度，保證零件實現聯動功能，在裂解氣閥與清焦閥切換過程中維持壓力的相對穩定。

4.結論

本文對聯動機構的設計過程進行了介紹，針對聯動機構運行時不同階段的不同特征，采用不同的計算方法，為了保證計算的可靠性，在公式計算的基礎上，結合ANSYS模擬加以驗證，兩種結果一致時，才確定為結果，保證了計算數據的可靠性，最終完成各個階段裂解氣閥與清焦閥對應行程的計算。對于聯動機構工作輪廓線的繪制方面，本文介紹了一種角度補償的繪制方法。繪制成完整的曲線后，會根據曲線的變化規律進行相應奇點的調整，保證零件設計的合理性。最終將設計的零件進行強度、剛度校核后，完成零件設計。

參考文獻：

[1]陸建新，丁英仁，裂解氣閥和清焦閥的選型及使用，乙烯工業，2011

[2]楊源泉主編.閥門設計手冊.北京：機械工業出版社，1992.12

[3]郭金，楊歡，鄭平陽，一種裂解氣閥用聯動機構的運行分析，中國科技博覽，2018

作者簡介：

郭金（1985.12--）；性別：男，籍貫：河北唐山，學歷：研究生，畢業于：哈爾濱工業大學；現有職稱：工程師