高温法兰接头偏转角监测装置及其设计方法与流程

本发明涉及高温法兰偏转角测试技术领域，具体涉及一种基于四杆式多级放大机构的高温法兰接头偏转角监测装置及其设计方法。

背景技术

法兰连接是石油化工设备中常用的连接方式，因其具有易于拆卸安装的优点，广泛应用于石化、核电、冶金、制药等行业的压力容器及管道中。随着经济发展与能源供应的矛盾日益突出，炼油及化工技术迅速发展，各种炼化装置中普遍存在高温高压工况。在高温操作条件下，法兰可能发生偏转、翘曲、蠕变等变化从而导致密封失效产生泄漏，在这一过程中所产生的角度偏移量很微小一般在0.01～1°。高温法兰泄漏是石油化工等企业发生重大事故的主要原因之一，而法兰的泄漏与法兰盘的偏转角(即刚度)有着直接的联系。为避免高温法兰泄漏事故的发生，有必要对高温法兰的偏转进行测量和监测，现有的基于引伸计的测量装置直接测量的数据太微小，需要采用合理的放大机构对位移量加以放大，从而提升测量精度，更有效的对高温法兰的偏转角进行测量研究，以寻求有效控制高温法兰泄漏的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种高温法兰接头偏转角监测装置及其设计方法，它可以用于测试各种工况下的高温法兰，能准确测试法兰盘的偏转角，给出刚度评价。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种高温法兰接头偏转角监测装置，包括底座、法兰固定机构、一级连杆、v形杆件、二级连杆、二级曲柄和角度测量装置；所述法兰固定机构包括左端夹板和右端夹板，所述左端夹板和右端夹板竖直、相对设置于所述底座上，高温法兰安装于所述左端夹板和右端夹板之间；所述v形杆件的交点与所述底座铰接，v形杆件的两个边分别为一级曲柄和二级摇杆；所述一级连杆一端与所述左端夹板上端铰接，一级连杆另一端与所述一级曲柄上端铰接，所述左端夹板、一级连杆、一级曲柄、底座构成四杆式一级放大机构；所述二级连杆一端与所述二级摇杆上端铰接，二级连杆另一端与所述二级曲柄上端铰接，所述二级曲柄下端与所述底座铰接，所述二级摇杆、二级连杆、二级曲柄、底座构成四杆式二级放大机构；所述角度测量装置包括万能角度器和指针，所述指针与所述二级曲柄同轴固定连接。

上述方案中，所述底座包括活动连接的固定底座和活动底座，所述活动底座能够相对所述固定底座水平移动；所述左端夹板安装于所述固定底座上，所述右端夹板安装于所述活动底座上。

上述方案中，所述法兰固定机构还包括左端挡板和右端挡板，所述左端挡板固定安装于所述固定底座上，并位于所述左端夹板的左侧，所述左端挡板上安装有用于紧固所述左端夹板的紧固螺栓；所述右端挡板固定安装于所述活动底座上，并位于所述右端夹板的右侧，所述右端挡板上安装有用于紧固所述右端夹板的紧固螺栓。

上述方案中，所述偏转角监测装置还包括水平仪，所述水平仪安装于所述底座上，所述水平仪保证了整个测量装置与被测法兰之间保持水平位置，即测量装置与法兰的初始状态保持一致，避免测量过程中由于偏移产生误差。

本发明还提出上述高温法兰接头偏转角监测装置的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、基于matlab进行一级放大机构的杆长设计，将法兰偏转角度放大10倍，具体包括以下分步骤：

(1)设一级放大机构的四根杆长依次为i1，i2，i3，i4，摇杆的初始角为α、旋转角为u，曲柄的初始角为β、旋转角为s，给定的理论输出角函数为m，根据理论输出角函数与实际输出角函数为s之间的偏差应为最小的原则，建立目标函数：

如取n个点进行计算，目标函数简化为：

(2)取固定铰链轴的中心距离i4为一定值，则四杆机构实际输出角是待定参数i1，i2，i3，及初始角α，β的函数，它们之间满足如下关系：

当u+α在第一、二象限时，实际输出角s＝π-a-b-β；当u+α在第三、四象限时，实际输出角s＝π-a+b-β，式中：

(3)根据平面四杆的特点，确定约束条件；

(4)对于第一级放大机构，设定摇杆初始角度α0＝90°，固定铰链轴的中心距离i4＝10，理论输出角函数为m＝10u，令x＝[x1，x2，x3，x4，x5]^t＝[i1，i2，i3，α，β]^t，把约束条件化为符合matlab的格式，编制相应m文件，运行后得到最优解；

步骤2、基于matlab进行二级放大机构的杆长设计，将法兰偏转角度放大5倍：将理论输出角函数设为m＝5u，编制相应m文件，运行后得到最优解；

步骤3、根据实物加工需求，将两级机构的杆长缩放至适当的值。

上述方法中，步骤1中的约束条件为：

(1)各杆长i1，i2，i3，i4均大于零，取初始角α，β大于零；

(2)对于曲柄摇杆机构，由曲柄存在条件，知：

i1+i4≤i2+i3；i1+i3≤i2+i4；i1+i2≤i3+i4

(3)从机构应具有良好的传动性能出发，最小传动角应大于等于许用传动角[γ]，一般地许用传动角不小于40°，最小传动角可能出现的两个极限位置：

当i1²+i4²≤i2²+i3²时，机构最小传动角γmin满足：

当i1²+i4²＞i2²+i3²时，机构最小传动角γmin满足：

本发明的有益效果在于：

本发明的监测装置采用两级放大机构，通过对杆长的合理设计将测得的法兰偏转角度放大50倍后输出，提高了测量精度。

法兰固定机构的左、右端夹板的间距可以进行调整，可适用于各种工况下的高温法兰，能准确测试法兰盘的偏转角，实现实时监测，给出刚度评价，保证生产、施工的顺利进行。

本装置操作简单，携带方便，适于推广。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明高温法兰接头偏转角监测装置的主视图；

图2-4是图1所示偏转角监测装置的立体图；

图5是图1所示偏转角监测装置的v形杆件的结构示意图；

图6是四杆机构运行原理图；

图7(a)-(b)是图6中四杆机构可能出现两个极限位置示意图；

图8是本发明实施例两级放大机构组装后的简化图；

图9(a)是本发明实施例一级放大机构的杆长示意图；

图9(b)是本发明实施例二级放大机构的杆长示意图。

图中：11、固定底座；12、活动底座；20、法兰固定机构；21、右端夹板；22、左端夹板；23、右端挡板；24、左端挡板；25、紧固螺栓；30、水平仪；40、一级连杆；50、v形杆件；51、一级曲柄；52、二级摇杆；60、二级连杆；70、二级曲柄；81、万能角度器；82、指针；83、角度器固定底板；84、销轴；200、高温法兰；210、上法兰；220、下法兰；240、垫片。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-5所示，为本发明高温法兰接头偏转角监测装置的一个实施例，监测装置包括底座、法兰固定机构20、一级连杆40、v形杆件50、二级连杆60、二级曲柄70和角度测量装置。监测对象为高温法兰200，高温法兰200由上法兰210和下法兰220采用螺栓连接而成，上法兰和下法兰之间采用垫片240进行密封。法兰固定机构20包括左端夹板22和右端夹板21，左端夹板22和右端夹板21竖直、相对设置于底座上，高温法兰200安装于左端夹板22和右端夹板21之间。左端夹板22和右端夹板21均采用两块较宽的平板来保证夹板面与法兰面完美贴合。v形杆件50的交点与底座铰接，v形杆件50的两个边分别为一级曲柄51和二级摇杆52。一级连杆40一端与左端夹板22上端铰接，一级连杆40另一端与一级曲柄51上端铰接。左端夹板22、一级连杆40、一级曲柄51、底座构成四杆式一级放大机构，对法兰偏转角进行第一次放大，本实施例中为10倍。二级连杆60一端与二级摇杆52上端铰接，二级连杆60另一端与二级曲柄70上端铰接，二级曲柄70下端与底座铰接，二级摇杆52、二级连杆60、二级曲柄70、底座构成四杆式二级放大机构，对法兰偏转角进行第二次放大，本实施例中为5倍。角度测量装置包括万能角度器81和指针82，万能角度器81固定安装在角度器固定底板83上，指针82与二级曲柄70通过销轴84同轴固定连接，通过指针82读取放大50倍后法兰偏转角度。

上述方案中，底座包括活动连接的固定底座11和活动底座12，活动底座12能够相对固定底座11水平移动。具体的，固定底座11端部设有滑槽，活动底座12插设于滑槽内，并可以在滑槽内滑动，当活动底座12移动至适当的位置后通过定位销定位。左端夹板22安装于固定底座11上，右端夹板21安装于活动底座12上，以适应不同大小和工况的法兰。

上述方案中，法兰固定机构20还包括左端挡板24和右端挡板23，左端挡板24固定安装于固定底座11上，并位于左端夹板22的左侧，左端挡板24上安装有用于紧固左端夹板22的紧固螺栓25。右端挡板23固定安装于活动底座12上，并位于右端夹板21的右侧，右端挡板23上安装有用于紧固右端夹板21的紧固螺栓25。在高温法兰200放置于两个夹板之间后，通过两端的紧固螺栓25进行紧固，然后在万能角度器81读取放大后的偏转角。

上述方案中，偏转角监测装置还包括水平仪30，水平仪30安装于底座上，水平仪30保证了整个测量装置与被测法兰之间保持水平位置，即测量装置与法兰的初始状态保持一致，避免测量过程中由于偏移产生误差。

测量前，先将左右两夹具与被测法兰面紧密贴合。当法兰盘偏角发生变化(上法兰210与下法兰220不再成平行平面)时，作为一级放大机构摇杆的左端夹板22会在0.01～1°的范围内产生微小的偏角a，并由一级连杆40带动v形杆件50的一端(即一级曲柄51)产生相较与原角度10倍的转角b。同时使v形杆件50的另一端(即二级摇杆52)产生相同的转角b，即b＝10a。二级摇杆52在二级连杆60的作用下使二级曲柄70发生放大5倍的偏转角c，即c＝5b＝50a，从而实现法兰偏转角度50倍的放大。二级曲柄70与与万能角度器81的指针82固定连接，在发生偏转时能够在万能角度器81上读出c的角度大小。

为了达到对法兰偏转角进行50倍放大的设计要求，需对两级放大机构的杆长进行合理设计，本发明使用matlab进行杆长设计。如6所示为基于matlab的四杆放大机构的设计原理图。图中所示的曲柄摇杆机构的四根杆长依次为i1，i2，i3，i4，摇杆的初始角为α、旋转角为u，曲柄的初始角为β、旋转角为s。假设给定的理论输出角函数为m，根据理论输出角函数与实际输出角函数为s之间的偏差应为最小的原则，可建立目标函数：

如取n个点进行计算，目标函数简化为：

从图6可看出，若杆长i1，i2，i3，i4，及初始角α，β已知，就是一个确定的四杆机构。由于各杆长度比例的缩放不影响机构的运动规律，因而可取固定铰链轴的中心距离i4为一定值，则四杆机构实际输出角是待定参数i1，i2，i3，及初始角α，β的函数，它们之间满足如下关系：

当u+α在第一、二象限时，实际输出角s＝π-a-b-β；当u+α在第三、四象限时，实际输出角s＝π-a+b-β，式中：

根据平面四杆的特点，确定如下约束条件：

(1)各杆长i1，i2，i3，i4均大于零，取初始角α，β大于零；

(2)对于曲柄摇杆机构，由曲柄存在条件，知：

i1+i4≤i2+i3；i1+i3≤i2+i4；i1+i2≤i3+i4

(3)从机构应具有良好的传动性能出发，最小传动角应大于等于许用传动角[γ]，一般地许用传动角不小于40°。最小传动角可能出现的两个极限位置如图7所示，其中：

当i1²+i4²≤i2²+i3²时，机构最小传动角γmin如图7(a)所示，此时有：

当i1²+i4²＞i2²+i3²时，机构最小传动角γmin如图7(b)所示，此时有：

根据设计机构要求，对于第一级放大机构，设定摇杆初始角度α0＝90°，固定铰链轴的中心距离i4＝10，理论输出角放大10倍，函数为m＝10u；第二级放大机构固定铰链轴的中心距离i2’＝10，理论输出角放大5倍，函数为m＝5u。令x＝[x1，x2，x3，x4，x5]^t＝[i1，i2，i3，α，β]^t，把约束条件化为符合matlab的格式，编制相应m文件，运行后得到最优解。

优化程序如下：

1、一级放大机构目标函数

functionf＝myobjfun(x)

f＝0

x(5)＝pi/2

foru＝0:pi/18000:pi/18

e＝sqrt(x(1)^2+100-20*x(1)*cos(u+x(4)))

a＝acos((e^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*e*x(3)))

b＝acos((e^2+100-x(1)^2)/(20*e))

m＝10u

if(u+x(4)-pi)<＝0

s＝pi-a-b-x(5)

else

s＝pi-a+b-x(5)

end

i＝(m-s)^2

f＝f+i

end

以传动角条件编制约束条件文件如下：

function[c,cep]＝mynonlcon(x)％c(x)和cep(x),c(x)<0；cep(x)＝0；

c＝[x(2)^2+x(3)^2-2*x(2)*x(3)*cos(40*pi/180)-(10-x(1))^2；-x(2)^2-x(3)^2-2*x(2)*x(3)*cos(40*pi/180)+(10+x(1))^2]；

cep＝[]

主文件：

formatlong；x0＝[4,9,7,1]；a＝[1,-1,-1,0；1,1,-1,0；1,-1,1,0；0,0,0,-1]；

b＝[-10；10；10；0]；lb＝[0,0,0,0]

[x,fval]＝fmincon(@myobjfun,x0,a,b,[],[],lb,[],@mynonlcon)

运行主文件得到以下运行结果为：

x＝

0.691686750334063

13.202893962910268

8.763060150144987

2.129092350575305

fval＝8.783551338089017e-09

2、二级放大机构目标函数

目标函数文件：

functionf＝myobjfun(x)

f＝0

x(5)＝pi*2/3

foru＝0:pi/9:pi*5/18

e＝sqrt(x(1)^2+100-20*x(1)*cos(u+x(4)))

a＝acos((e^2+x(3)^2-x(2)^2)/(2*e*x(3)))

b＝acos((e^2+100-x(1)^2)/(20*e))

m＝5u

if(u+x(4)-pi)<＝0

s＝pi-a-b-x(5)

else

s＝pi-+b-x(5)

end

i＝(m-s)^2

f＝f+i

end

以许用传动角条件编制约束条件文件：

c＝[x(2)^2+x(3)^2-2*x(2)*x(3)*cos(40*pi/180)-(10-x(1))^2；-x(2)^2-x(3)^2-2*x(2)*x(3)*cos(40*pi/180)+(10+x(1))^2]；

cep＝[]

主文件：

formatlong；x0＝[4,9,7,1]；a＝[1,-1,-1,0；1,1,-1,0；1,-1,1,0；0,0,0,-1]；

b＝[-10；10；10；0]；lb＝[0,0,0,0]

[x,fval]＝fmincon(@myobjfun,x0,a,b,[],[],lb,[],@mynonlcon)

计算结果：

x＝

1.727178157682297

8.604210469229127

8.570963434761488

1.943085372325349

fval＝7.050634350738678e-10

对以上matlab目标函数最优解进行分析，如图8所示，设曲柄摇杆机构的曲柄为r，连杆为l1，摇杆为r，机架为l2，则第一级机构的杆长为r＝0.69，l1＝13.20，r＝8.76，l2＝10.00；第二级机构为r＝1.727，l1＝8.604，r＝8.571，l2＝10.00。

为了实物加工方便将两级曲柄r皆放大为10.00，其余得数(l1、r、l2)等比求解，结果如下表所示：

表1调整杆长数据

实际第一级放大机构杆长如图9(a)所示，第二级放大机构杆长如图9(b)所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。