純水冷卻設備中的電動連桿機構(gòu)設計

任 凱，洪春鳳，許治修，陳緒勝，江 宇

(廣州高瀾節(jié)能技術股份有限公司 標準化部，廣東 廣州 510663)

電動連桿機構(gòu)置于主循環(huán)冷卻水回路冷卻器進水端，可調(diào)節(jié)流經(jīng)室外冷卻器的冷卻水流量與不經(jīng)過室外冷卻器的冷卻水流量的比例，當室外環(huán)境溫度較低和換流閥體低負荷運行或零負荷時，由電動連桿機構(gòu)實現(xiàn)冷卻水溫度的調(diào)節(jié)[1]。

1 原理

電動連桿機構(gòu)采用兩個蝶閥并聯(lián)組成，共用一個源動力(電動執(zhí)行器)，由連桿A來進行蝶閥的旋轉(zhuǎn)，而另一個蝶閥由拉桿控制傳遞拉力，經(jīng)過連桿B扭轉(zhuǎn)來達到與前者蝶閥相反命令的扭力。達到蝶閥開閉的控制轉(zhuǎn)動。其中一個處于開狀態(tài)同時另一個處于關狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 電動連桿(蝶閥)機構(gòu)Fig.1 Electric connecting rod (butterfly valve) mechanism

2 設計選型

根據(jù)選用蝶閥的扭矩選擇合適的電動執(zhí)行器，選擇的原則是電動執(zhí)行器的扭矩必須不小于最大工作壓力時兩蝶閥的扭矩之和[2]。

例如設計一套DN250電動三通閥：如選用DN250蝶閥，DN250無潤滑劑蝶閥在工作壓力1.0 kPa時最大扭矩為220 N·m，共兩件蝶閥，則電動執(zhí)行器最大扭矩需要220×2=440 N·m，查電動執(zhí)行器樣本(初步選定UNIC型)，合適的有UNIC-60型，動作時間：30s/50Hz，回轉(zhuǎn)角度0～90度，開度0～100%；重量20 kg，220 V；出力軸的力矩：60 kgf.m；出力扭矩：60×9.81=588.6 N·m，滿足要求。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 電動執(zhí)行器的放置位置

決定電動執(zhí)行器的放置位置，原則是電動執(zhí)行器的狀態(tài)為開時去外冷空冷器的蝶閥狀態(tài)為開(箭頭方向是為去外冷空冷器方向)。

(1)若電動執(zhí)行器下方的蝶閥為去外冷空冷器的的蝶閥，則當電動執(zhí)行器的狀態(tài)為開時，下方的蝶閥狀態(tài)為開，另一側(cè)的蝶閥狀態(tài)為關，如圖2所示。

圖2 電動連桿機構(gòu)水流向左Fig.2 The electric linkage mechanism flows to the left

(2)若另一側(cè)的蝶閥為去外冷空冷器的的蝶閥，則當電動執(zhí)行器的狀態(tài)為開時，下方的蝶閥狀態(tài)為關，另一側(cè)的蝶閥狀態(tài)為開，如圖3所示。

圖3 電動連桿機構(gòu)水流向右Fig.3 The electric linkage mechanism flows to the right

3.2 過渡板的設計

(1)過渡板的螺栓安裝孔位置尺寸根據(jù)電動執(zhí)行器及蝶閥座的螺栓安裝孔位置尺寸確定。以Unic-60電動執(zhí)行器為例，圖4為Unic-60電動執(zhí)行器底部安裝尺寸圖，必須保證過渡板螺栓孔位置與電動執(zhí)行器螺栓孔相同，且開孔尺寸應比電動執(zhí)行器大2 mm，如電動執(zhí)行器的螺栓孔為M12，則過渡板的螺栓孔應為Φ14 mm。與蝶閥連接一側(cè)也是一樣，開孔位置應與蝶閥一樣，開孔應比蝶閥螺栓孔大2 mm[3]。

圖4 電動執(zhí)行器尺寸示意圖Fig.4 Size diagram of electric actuator

(2)過渡板的高度應不小于60 mm(如圖5)，便于連接螺栓的安裝。

圖5 過渡板Fig.5 Transition plate

(3)如有高溫要求，過渡板高度應不小于200 mm。

3.3 連桿機構(gòu)的設計

如圖6所示。

(1)拉桿的長度應根據(jù)兩蝶閥之間的距離確定，拉桿兩頭應比兩連接件內(nèi)端面長2～3個螺距，滿足既能連接兩力矩桿又不會碰到力矩桿，影響力矩桿運動[4]。

(2)力矩桿B的高度根據(jù)過渡板的高度確定，高度應比過渡板高度低2～4 mm，使過渡板能與電動執(zhí)行器、蝶閥完全貼緊安裝。

(3)力矩桿B上方的開孔應根據(jù)電動執(zhí)行器的出力軸尺寸確定，深度應比電動執(zhí)行器出力軸深度深2 mm，使電動執(zhí)行器能與過渡板完全緊貼，為便于安裝，開孔公差建議為：+0.6 mm～+0.8 mm。

圖6 連桿機構(gòu)解析圖Fig.6 Analytical diagram of linkage mechanism

(4)力矩桿B下方的開孔應根據(jù)蝶閥的連接頭尺寸確定，深度應比連接頭高度淺1～2 mm，使力矩桿能與蝶閥留有一定間隙，為便于安裝，開孔公差建議為：+0.6 mm～+0.8 mm(如圖7)。

圖7 力矩桿BFig.7 Torque bar B

(5)力矩桿應一體成型，不允許焊接[5]。

(6)力矩桿A不需要連接電動執(zhí)行器，不需要電動執(zhí)行器安裝孔(如圖8)。

圖8 力矩桿AFig.8 Torque bar A

4 材料說明

冷卻設備及其管道宜選擇具有高防腐性、高防銹性和高潔凈度的材料。接觸冷卻水的材料不宜選擇低于不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)等級。高瀾在純水冷系統(tǒng)中使用的不銹鋼一般為SUS304衛(wèi)生級鋼管，外表面480目拋光，內(nèi)表面不拋光。

此次連桿機構(gòu)均采用304不銹鋼材質(zhì)的原材料，主要是為了保證連桿結(jié)構(gòu)的外觀、防銹等原因。

304(國標號：06Cr19Ni10)不銹鋼材質(zhì)如表1。

表1 不銹鋼材料化學成分表

5 其他

圖9 電動球閥機構(gòu)Fig.9 Electric ball valve mechanism

圖10 電動蝶閥機構(gòu)Fig.10 Electric butterfly valve mechanism

電動球閥(如圖9)、電動蝶閥(如圖10)結(jié)構(gòu)類似，由過渡板、連接件、閥門、電動執(zhí)行器等組成。

過渡板設計要求與電動連桿機構(gòu)一樣，為便于螺栓安裝，高度應不小于60 mm。

為保證電動執(zhí)行器能與過渡板緊貼安裝，連接件的高度應比過渡板高度減去球閥凸臺高度少2 mm。

6 結(jié)語

電動連桿機構(gòu)的設計在原則上遵循機械的公差、配合以及相關的標準。

電動連桿機構(gòu)在對材質(zhì)、壽命等方面的考慮，可以使用不同材質(zhì)的機加件[6]。

在強度可靠的情況下可以很好的為兩個需要聯(lián)動的閥門提供連接橋架。

從成本上考慮可以減少一套源動力(如電動執(zhí)行器)。

[1]《機構(gòu)設計叢書》編審委員會.連桿機構(gòu)設計[M].上海:上海科學技術出版社,1995.

[2]熊濱生.現(xiàn)代連桿機構(gòu)設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[3]仲 夫.彈性連桿機構(gòu)的分析與設計[J].有色設備,1989(4):60-60.

[4]林 晶,余躍慶.連桿機構(gòu)KED平衡的一種新方法[J].北京工業(yè)大學學報,2001,27(4):390-393.

[5]吳建雄.機械基礎課程中平面連桿機構(gòu)教法探討[J].南方農(nóng)機,2017,48(5):98-99.

[6]黃鵬飛.平面連桿機構(gòu)力學特性研究[J].食品與機械,2017,33(5):125-127.