一种裂解气阀用联动机构的设计

郭金 郑平阳 杨欢

摘 要：联动机构的设计难点为工作轮廓线的求解及绘制。已经有文章详细分析了联动机构的运行过程，并对运行过程中的压力变化趋势进行了详细描述。本文主要针对联动机构的设计难点进行介绍。

关键词：联动机构，轮廓线绘制

1.前言

文章《一种裂解阀用联动机构的运动分析》对联动机构的运行过程进行了详细描述，准确分析了各个过程中的压力变化趋势，并结合图形对各个过程进行了示意。本文结合相关分析，对联动机构的设计难点及设计方法进行介绍。图1为联动机构设计完成后的效果图。

2.工作轮廓线的求解

图2为联动机构运行示意图，图3为裂解气阀与清焦阀关键位置运行示意图，通过分析得知，压力在临界点时达到最大，但联动机构在切换点带动清焦阀运行，因此工作轮廓线的核心计算之一就是切换点的求解。

2.1切换点的求解

切换点的选择关系到最终工作轮廓线的变化趋势，是整条曲线设计的起始点，其位置选择的合理性，关系到联动机构运行的平稳性及可靠性，其在设计阶段的关键性不言而喻。切换点的求解分为两步：临界点计算和切换点确定。

2.1.1临界点计算

因裂解气阀运行至Ⅱ1阶段结束时，清焦阀没有开度，压力P1达到最大值，故将压力P1最大值作为求解临界点的设计条件之一。于是，根据设计条件，和公式1可以得出相应裂解气的开度面积。

（1）A1 为所求面积，Qm 为质量流量，μ 为流量系数，g 为重力加速度，k 为等熵指数，P1 为最大压力，P2 为出口压力，V1 为进口处绝对压力下的比体积。求出相应面积后，再用ANSYS进行模拟检验。保证结果的正确性，之后再进行下一步工作。

2.1.2切换点确定

当联动机构由切换点运行至临界点时，清焦阀运行的行程为LB ，如图2所示，LB 与旋转中心的夹角为ββ，裂解气阀对应的行程为Lql ，与旋转中心的夹角为kβ （k≥1 ，为转角系数），因压力P1在Ⅱ1阶段一直满足要求，故按照线性关系求解切换点，点S1即为联动机构的切换点。

2.2从动块行程计算

由运动分析可知，驱动块B的行程与从动块A的行程存在一一对应关系，将驱动块的行程作为已知条件求解三个阶段与之对应的从动块行程。

2.2.1 Ⅱ1阶段从动块行程计算

因压力P1满足要求，故按照线性对应关系计算从动块行程。计算公式如下：

2.2.2 Ⅱ2阶段从动块行程计算

驱动块在Ⅱ2阶段运行时，压力P1受到从动块行程的影响，需要考虑压力条件。根据流量守恒原理，切换时裂解炉出口总流量等于流过裂解气阀与清焦阀的两个流量之和，并根据公式（3）计算对应清焦阀的对应行程。

（3）式中，A1 为裂解气阀的开度面积，A2 为对应的清焦阀开度面积，Pjl 为裂解气裂解气阀进口压力，Vj1 为裂解气阀进口处绝对压力下的比体积，Pc1 为裂解气阀出口压力，Pj2 为清焦阀进口压力，Vj2 为清焦阀进口处绝对压力下的比体积，Pc2 为清焦阀出口压力。

在计算时，可将裂解气阀的行程n等分。n值越大，求解次数越多，相应得到的联动机构轮廓线变化越平滑，压力变化越平稳。在此计算完成后可通过ANSYS计算对结果进行相应校核。

2.2.3 Ⅱ3阶段从动块行程计算

Ⅱ3阶段从动块的行程计算与Ⅱ1阶段从动块行程的计算原理相同。可根据计算公式（4）进行计算：

2.3轮廓线绘制

轮库线的绘制是将裂解气阀与清焦阀的行程对应关系转换到联动机构上。如图3所示，S和S′分别为驱动块与从动块总行程，Ⅰ为联动机构休止区，Ⅱ为联动机构工作区，Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3分别为切换时的三个阶段，S1为切换点。

旋转中心右侧轮廓线的绘制：

休止區的轮廓线与驱动块行程重合。工作区轮廓线的绘制也相对简单，由切换点连接旋转中心，绘制长度为驱动块工作区行程。此部分曲线就绘制完成了。

旋转中心左侧轮廓线的绘制：

因左侧轮廓线为联动机构控制清焦阀启闭的曲线，所以左侧曲线上的每一个点都是与右侧轮廓线相关联的。现以点p的绘制为例进行说明。

从图3中可以看出，当驱动块运行至点Sp时，裂解气阀运行的行程为S0Sp，驱动块控制联动机构运行的行程为S1Sp，联动机构绕旋转中心转过的角度为θ。按照从动块对应计算结果，此时清焦阀的行程应为S1′Sp′，即联动机构应控制从动块运行S1′Sp′的距离，S1′Sp′与旋转中心形成的角度为θ1。θ与θ1的角度并不相等，两者相差的角度为θ2，联动机构为刚性原件，在运行过程中转过的角度是固定的，当联动机构转过θ角时，如何保证清焦阀的行程对应点为Sp′是需要解决的一个难题，即如何解决两个行程对应旋转中心角度不一致的问题。

采用角度补偿方法可以有效解决上述问题。具体方法为，以O为旋转中心，OSp′为起始边逆时针旋转角度θ，且以OSp′为半径画圆弧，虚线交于点p，点p即为联动机构轮廓线上的点。满足当联动机构旋转角度θ时，控制清焦阀运行至Sp′点。同理，绘制其余各点，并将所有点连接成线，就完成了旋转中心左侧工作轮廓线的绘制。

当然在绘制曲线的过程中，可能出现奇点，即某一点或某些点使曲线的变化剧烈，曲线出现尖角，不满足曲线光滑过渡，最终影响阀门动作。此时，需要对奇点进行修改，修改的原则采用反验证的方式，即先让曲线光滑过渡，再选取曲线上的点，计算此时清焦阀的相应行程，核算裂解气阀与清焦阀相应开度下压力是否满足条件。

3.零件的设计

最终的零件设计阶段，需要对绘制好的曲线进行扩充，选择合适的驱动块、从动块直径大小，校核设计零件的刚度与强度，保证零件实现联动功能，在裂解气阀与清焦阀切换过程中维持压力的相对稳定。

4.结论

本文对联动机构的设计过程进行了介绍，针对联动机构运行时不同阶段的不同特征，采用不同的计算方法，为了保证计算的可靠性，在公式计算的基础上，结合ANSYS模拟加以验证，两种结果一致时，才确定为结果，保证了计算数据的可靠性，最终完成各个阶段裂解气阀与清焦阀对应行程的计算。对于联动机构工作轮廓线的绘制方面，本文介绍了一种角度补偿的绘制方法。绘制成完整的曲线后，会根据曲线的变化规律进行相应奇点的调整，保证零件设计的合理性。最终将设计的零件进行强度、刚度校核后，完成零件设计。

参考文献：

[1]陆建新，丁英仁，裂解气阀和清焦阀的选型及使用，乙烯工业，2011

[2]杨源泉主编.阀门设计手册.北京：机械工业出版社，1992.12

[3]郭金，杨欢，郑平阳，一种裂解气阀用联动机构的运行分析，中国科技博览，2018

作者简介：

郭金（1985.12--）；性别：男，籍贯：河北唐山，学历：研究生，毕业于：哈尔滨工业大学；现有职称：工程师