安全閥彈簧的應力校核研究

宋杏亮(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院， 江蘇 常州 213000)

安全閥彈簧的應力校核研究

宋杏亮(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院， 江蘇 常州 213000)

本文以安全閥上常用的圓柱螺旋壓縮彈簧為研究對象，在分析彈簧應力計算公式的基礎上，對比了國內外安全閥彈簧的參數設計經驗，進一步探討了安全閥彈簧的應力校核。

安全閥彈簧；應力校核；計算公式

1 彈簧應力種類及校核

彈簧的應力主要以扭應力為主，有時還存在彎應力，一般而言，彎應力在螺旋角低于10度的時候常忽略不計。因此，在分析安全閥彈簧的應力校核過程中，涉及到應力計算時，為了限制分析單元，一般將螺旋角限制在10度以內，但一般高于5度。

下面前兩個計算公式是關于彈簧的應力，公式(3)是關于彈簧曲度系數的，公式(4)是彈簧指數(也叫作旋繞比)。其中F是彈簧力，μ' 和μ分別為修正前后的切應力，M、m分別是彈簧制作材料的中徑和直徑，λ、η分別是彈簧的曲度系數和旋繞比。可以看出，應力μ的大小和彈簧制作材料的直徑m、中徑M、彈簧力F有關，修正后的應力還會受到曲度系數λ的影響。從公式(3)可以看出，曲度系數λ的計算只和旋繞比η相關。旋繞比η是通過計算鋼絲的中徑和直徑的比值得到的。η的取值對于彈簧制作來說非常重要，η低于4，彈簧應力高，會導致制作困難；η高于12，彈簧很“脆弱”，纏繞得不扎實。所以旋繞比η的值應控制在合適的范圍內。國內安全閥的旋繞比η的取值范圍是5～9，國外這一取值為3～11，范圍要更廣一些。

2 彈簧應力校核的國內外差異

上述公式(1)和公式(2)都是關于彈簧的應力計算，公式(1)計算的應力μ’是未經修正的值，而公式(2)得到的應力值即是根據彈簧的曲度系數λ修正過后的，這種計算方式將彈簧制作材料的彎曲程度對應力取值的影響納入了考慮范圍，更加嚴謹一些。關于在彈簧的應力設計計算過程中公式(1)和公式(2)的應用，國內外的安全閥彈簧因應用環境不一樣，其計算存在差異。

在國內，安全閥制造商和彈簧供應商一般使用公式(2)——即修正過后的應力值，來進行彈簧應力的校核。在校核安全閥的彈簧應力是否合乎標準時，是通過對比計算出的μ值和通用標準規定的[μ]，只有當前者在許用的[μ]范圍內，才算是合格，否則需要重新調整彈簧的相關參數進行二次校核計算。在國外，安全閥彈簧的應力校核一般是由彈簧供應商完成，該過程是根據公式(1)——即未修正的應力值，來進行彈簧應力的校核，判定是否是否合格的方法是一樣的。

采用公式(1)和(2)校核彈簧應力，哪個更為合理一些？答案可從GB/T23935標準種看得出來，該標準納入了一項新的指標——彈簧的試驗負荷，是指彈簧在測試過程中所能承受的最高負荷。具體校核計算過程參見公式(5)。

式中：Fσ為試驗負荷，M、m還是彈簧制作材料的中徑和直徑，

μσ為試驗切應力，安全閥彈簧的試驗切應力μσ與靜負荷許用應力[μ]相等。為了判定安全閥彈簧是否合格，我們假設上述內容中的彈簧力F就是試驗負荷Fσ，將彈簧力F分別代入公式(1)和(2)：

關于公式(1)：當μ'=μσ=[μ]，才能判定彈簧是合格的。關于公式(2)：當μ=λμσ＜[μ]，彈簧合格。

上述兩種情況下，均表明彈簧力F和試驗切應力Fσ相等時，是彈簧所能承受的最高負荷，彈簧才是合格的。因此，可以看出，按照公式(1)進行彈簧的應力校核更合理一些，為了完善公式(2)的計算，可以增加彈簧鋼絲直徑去達到標準。

3 彈簧的應力校核設計改進及彈簧試制

彈簧是關系著安全閥性能和成本的關鍵零部件，本研究參照公式(1)的應力校核計算方法，采用一批國內制造的彈簧來進行研究試驗，去進一步驗證主要的彈簧參數。選用了4個規格去試制12根彈簧，安全閥的整定壓力范圍是6．52～10．4MPa，已知彈簧許用應力[μ]=750MPa，判斷合格的標準是修正后的μ'應大于[μ]。結果表明，根據公式(1)計算得到的結果試制彈簧是合格的，但公式(2)的計算結果不能通過合格檢驗。在本研究試制彈簧在制造過程中控制了這些相關條件：①彈簧在高溫強壓環境下試制，在極限負荷狀態下，保持24小時溫度處于200℃；②按相關規定，對噴砂后的彈簧進行磁力探傷，該過程要避免出現裂紋缺陷；③彈簧的永久變形試驗參照GB/T12243標準。

接著，本研究還對檢驗合格的彈簧進行了2500次彈簧疲勞試驗。具體試驗過程是：分別隨機從4個規格的試制彈簧中抽取1根彈簧，接著在專用設備上安裝彈簧，將彈簧最大變形量調整為最高負荷下的變形量。我們將彈簧從自由狀態到最高負荷下的變形量，最后恢復到自由狀態的過程是一次壓縮循環。當累計有250次循環后，取下彈簧置于檢測設備上測量并記錄彈簧的自由高度和剛度，重復前面的過程直至疲勞試驗達到2500次。

分析測量數據可知，試驗前后彈簧的自由高度偏差在±0．9%，剛度偏差在±1．8%內，偏差在允許接受的范圍內，驗證了公式(1)校核彈簧應力的合理性。

4 結語

對比國內外的安全閥彈簧選用的應力校核計算公式，本研究發現國內選用的計算公式更為嚴謹、保守一些。這樣做的好處是采用較高安全系數保證了彈簧的性能可靠性，但這樣使得安全閥需要大尺寸的閥蓋，無疑增加了安全閥的制造成本。本文論證了使用未修正的彈簧切應力進行彈簧應力校核的合理性，國內安全閥可以參照這一標準，提供性能可靠、制造成本低的安全閥彈簧。

[1]張華波.基于SOLIDWORKS的安全閥彈簧的應力分析[J].科技傳播,2013，(17):125-126.

[2]周碧,王秋林.安全閥彈簧的應力校核[J].機械研究與應用,2015，(1):142-144.