安全閥彈簧的應(yīng)力校核研究

宋杏亮(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院， 江蘇 常州 213000)

安全閥彈簧的應(yīng)力校核研究

宋杏亮(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)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(duì)象，在分析彈簧應(yīng)力計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外安全閥彈簧的參數(shù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步探討了安全閥彈簧的應(yīng)力校核。

安全閥彈簧；應(yīng)力校核；計(jì)算公式

1 彈簧應(yīng)力種類及校核

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

下面前兩個(gè)計(jì)算公式是關(guān)于彈簧的應(yīng)力，公式(3)是關(guān)于彈簧曲度系數(shù)的，公式(4)是彈簧指數(shù)(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(yīng)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(shù)和旋繞比。可以看出，應(yīng)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(guān)，修正后的應(yīng)力還會(huì)受到曲度系數(shù)λ的影響。從公式(3)可以看出，曲度系數(shù)λ的計(jì)算只和旋繞比η相關(guān)。旋繞比η是通過(guò)計(jì)算鋼絲的中徑和直徑的比值得到的。η的取值對(duì)于彈簧制作來(lái)說(shuō)非常重要，η低于4，彈簧應(yīng)力高，會(huì)導(dǎo)致制作困難；η高于12，彈簧很“脆弱”，纏繞得不扎實(shí)。所以旋繞比η的值應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)安全閥的旋繞比η的取值范圍是5～9，國(guó)外這一取值為3～11，范圍要更廣一些。

2 彈簧應(yīng)力校核的國(guó)內(nèi)外差異

上述公式(1)和公式(2)都是關(guān)于彈簧的應(yīng)力計(jì)算，公式(1)計(jì)算的應(yīng)力μ’是未經(jīng)修正的值，而公式(2)得到的應(yīng)力值即是根據(jù)彈簧的曲度系數(shù)λ修正過(guò)后的，這種計(jì)算方式將彈簧制作材料的彎曲程度對(duì)應(yīng)力取值的影響納入了考慮范圍，更加嚴(yán)謹(jǐn)一些。關(guān)于在彈簧的應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中公式(1)和公式(2)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外的安全閥彈簧因應(yīng)用環(huán)境不一樣，其計(jì)算存在差異。

在國(guó)內(nèi)，安全閥制造商和彈簧供應(yīng)商一般使用公式(2)——即修正過(guò)后的應(yīng)力值，來(lái)進(jìn)行彈簧應(yīng)力的校核。在校核安全閥的彈簧應(yīng)力是否合乎標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，是通過(guò)對(duì)比計(jì)算出的μ值和通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的[μ]，只有當(dāng)前者在許用的[μ]范圍內(nèi)，才算是合格，否則需要重新調(diào)整彈簧的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行二次校核計(jì)算。在國(guó)外，安全閥彈簧的應(yīng)力校核一般是由彈簧供應(yīng)商完成，該過(guò)程是根據(jù)公式(1)——即未修正的應(yīng)力值，來(lái)進(jìn)行彈簧應(yīng)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(yīng)力，哪個(gè)更為合理一些？答案可從GB/T23935標(biāo)準(zhǔn)種看得出來(lái)，該標(biāo)準(zhǔn)納入了一項(xiàng)新的指標(biāo)——彈簧的試驗(yàn)負(fù)荷，是指彈簧在測(cè)試過(guò)程中所能承受的最高負(fù)荷。具體校核計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)公式(5)。

式中：Fσ為試驗(yàn)負(fù)荷，M、m還是彈簧制作材料的中徑和直徑，

μσ為試驗(yàn)切應(yīng)力，安全閥彈簧的試驗(yàn)切應(yīng)力μσ與靜負(fù)荷許用應(yīng)力[μ]相等。為了判定安全閥彈簧是否合格，我們假設(shè)上述內(nèi)容中的彈簧力F就是試驗(yàn)負(fù)荷Fσ，將彈簧力F分別代入公式(1)和(2)：

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

上述兩種情況下，均表明彈簧力F和試驗(yàn)切應(yīng)力Fσ相等時(shí)，是彈簧所能承受的最高負(fù)荷，彈簧才是合格的。因此，可以看出，按照公式(1)進(jìn)行彈簧的應(yīng)力校核更合理一些，為了完善公式(2)的計(jì)算，可以增加彈簧鋼絲直徑去達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3 彈簧的應(yīng)力校核設(shè)計(jì)改進(jìn)及彈簧試制

彈簧是關(guān)系著安全閥性能和成本的關(guān)鍵零部件，本研究參照公式(1)的應(yīng)力校核計(jì)算方法，采用一批國(guó)內(nèi)制造的彈簧來(lái)進(jìn)行研究試驗(yàn)，去進(jìn)一步驗(yàn)證主要的彈簧參數(shù)。選用了4個(gè)規(guī)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(yīng)力[μ]=750MPa，判斷合格的標(biāo)準(zhǔn)是修正后的μ'應(yīng)大于[μ]。結(jié)果表明，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到的結(jié)果試制彈簧是合格的，但公式(2)的計(jì)算結(jié)果不能通過(guò)合格檢驗(yàn)。在本研究試制彈簧在制造過(guò)程中控制了這些相關(guān)條件：①?gòu)椈稍诟邷貜?qiáng)壓環(huán)境下試制，在極限負(fù)荷狀態(tài)下，保持24小時(shí)溫度處于200℃；②按相關(guān)規(guī)定，對(duì)噴砂后的彈簧進(jìn)行磁力探傷，該過(guò)程要避免出現(xiàn)裂紋缺陷；③彈簧的永久變形試驗(yàn)參照GB/T12243標(biāo)準(zhǔn)。

接著，本研究還對(duì)檢驗(yàn)合格的彈簧進(jìn)行了2500次彈簧疲勞試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過(guò)程是：分別隨機(jī)從4個(gè)規(guī)格的試制彈簧中抽取1根彈簧，接著在專用設(shè)備上安裝彈簧，將彈簧最大變形量調(diào)整為最高負(fù)荷下的變形量。我們將彈簧從自由狀態(tài)到最高負(fù)荷下的變形量，最后恢復(fù)到自由狀態(tài)的過(guò)程是一次壓縮循環(huán)。當(dāng)累計(jì)有250次循環(huán)后，取下彈簧置于檢測(cè)設(shè)備上測(cè)量并記錄彈簧的自由高度和剛度，重復(fù)前面的過(guò)程直至疲勞試驗(yàn)達(dá)到2500次。

分析測(cè)量數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)前后彈簧的自由高度偏差在±0．9%，剛度偏差在±1．8%內(nèi)，偏差在允許接受的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了公式(1)校核彈簧應(yīng)力的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比國(guó)內(nèi)外的安全閥彈簧選用的應(yīng)力校核計(jì)算公式，本研究發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)選用的計(jì)算公式更為嚴(yán)謹(jǐn)、保守一些。這樣做的好處是采用較高安全系數(shù)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(wú)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(yīng)力進(jìn)行彈簧應(yīng)力校核的合理性，國(guó)內(nèi)安全閥可以參照這一標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)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(yīng)力校核[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015，(1):142-144.