某型壓力開關(guān)開啟壓力降低問題研究

李旭東 潘智勇 盧 猛 周明陽 蘇開明

（凱邁（洛陽）氣源有限公司，洛陽 471000）

引言

8只壓力開關(guān)在承受21MPa壓力狀態(tài)下，進(jìn)行了一系列溫度試驗(yàn)后，對其開啟壓力進(jìn)行測試。測得開啟壓力為12.0～12.6MPa，較初始值（14.4～15.4MPa）降低，且不滿足15±1MPa開啟壓力的要求。

1 組成和原理介紹

壓力開關(guān)主要由電器接頭、鎖緊螺母、殼體、調(diào)節(jié)螺母、碟簧、閥芯、通斷開關(guān)、通斷觸點(diǎn)、頂桿、支撐座等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 壓力開關(guān)結(jié)構(gòu)

壓力開關(guān)的工作原理是：調(diào)節(jié)螺母使其下端碟簧產(chǎn)生預(yù)緊力，該預(yù)緊力相當(dāng)于15±1MPa氣壓在閥芯上的作用力。當(dāng)壓力開關(guān)受到大于16MPa的氣壓時(shí)，氣壓力大于碟簧預(yù)緊力，閥芯推動支撐座向上移動，最終頂桿將通斷觸點(diǎn)頂起，通斷觸點(diǎn)與通斷開關(guān)脫離斷開，如圖（a）所示；當(dāng)氣壓力降低至14MPa以下時(shí)，氣壓力小于碟簧預(yù)緊力，碟簧推動支撐座下移，最終頂桿與通斷觸點(diǎn)分離，通斷觸點(diǎn)復(fù)位，與通斷開關(guān)閉合，形成通路，產(chǎn)生輸出信號，如圖（b）所示。

2 故障定位

根據(jù)故障現(xiàn)象，結(jié)合壓力開關(guān)工作原理，將可能造成故障的原因匯總，并進(jìn)行逐一排查、試驗(yàn)、分析。

2.1 電器接頭擰緊

當(dāng)電器接頭擰緊時(shí)，通斷觸點(diǎn)與頂桿間隙變小。如要頂桿與通斷觸點(diǎn)斷開，則需頂桿下移量增加，即碟簧壓縮量減小，對應(yīng)的氣壓會降低。

檢查8只壓力開關(guān)，發(fā)現(xiàn)壓力開關(guān)鎖緊螺母處于鎖緊狀態(tài)，鎖緊螺母與電器接頭之間進(jìn)行了一周封膠，且封膠處無裂紋等異常。所以，電器接頭擰緊的因素可以排除。

2.2 調(diào)節(jié)螺母松動

當(dāng)調(diào)節(jié)螺母松動時(shí)，碟簧預(yù)緊力降低。根據(jù)壓力開關(guān)工作原理可知，對應(yīng)的氣壓力也會降低，進(jìn)而開啟壓力降低。

在壓力開關(guān)出廠時(shí)，調(diào)節(jié)螺母自帶有預(yù)緊力，調(diào)節(jié)螺母與殼體之間有點(diǎn)漆處理。檢查故障件的點(diǎn)漆標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)漆無異常，從而證明調(diào)節(jié)螺母與殼體之間無轉(zhuǎn)動。因此調(diào)節(jié)螺母松動的因素可排除。

2.3 閥芯卡滯

2.3.1 密封圈壓縮量太大

閥芯上密封圈規(guī)格為2.7×1.9mm，結(jié)合閥芯溝槽尺寸計(jì)算得密封圈壓縮量為15.8%，該壓縮量滿足GB/T3452.3-2005和HB/Z4-95中氣動密封的密封圈壓縮量指標(biāo)。故密封圈壓縮量太大因素可排除。

2.3.2 閥芯與殼體間有多余物

對故障批的壓力開關(guān)進(jìn)行拆解檢查，發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)部無多余物；將閥芯取出后檢查，發(fā)現(xiàn)閥芯表面無多余物。故閥芯與殼體間有多余物因素可排除。

2.4 碟簧塑性變形超差2.4.1 未進(jìn)行熱處理

根據(jù)GB/T1972-2005《碟形彈簧》，碟簧加工后需要進(jìn)行熱處理，使其達(dá)到或接近最佳的力學(xué)性能，保證其長期可靠地工作。碟簧所用材料為50CrVA,該材料經(jīng)熱處理后硬度應(yīng)在42～52HRC。取2只故障件中的碟簧進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果分別為43.9HRC和45.0HRC，另外，其他批次2只壓力開關(guān)的碟簧硬度測試結(jié)果分別為44.8HRC和43.0HRC，均滿足GB/T1972-2005《碟形彈簧》的要求，且兩個批次硬度無明顯差異。因此，未進(jìn)行熱處理因素可排除。

2.4.2 未進(jìn)行強(qiáng)壓處理

碟簧的強(qiáng)壓處理與彈簧的壓并處理作用相似，目的為，使碟簧自由高度尺寸穩(wěn)定，保證在后期使用時(shí)，碟簧自身的永久變形量小于自由高度的0.3%，使碟簧具有穩(wěn)定的力學(xué)性能。

為測試碟簧產(chǎn)生的永久變形率，從故障批壓力開關(guān)中隨機(jī)抽取1只進(jìn)行測量。用高度儀測得碟簧自由態(tài)高度為15.3mm，進(jìn)行強(qiáng)壓試驗(yàn)后，再次測得自由態(tài)高度為14.4mm。經(jīng)計(jì)算得碟簧變形率為5.9%，遠(yuǎn)超出0.3%的指標(biāo)。因此，碟簧未進(jìn)行強(qiáng)壓處理的因素不能排除。

3 機(jī)理分析與故障復(fù)現(xiàn)

碟形彈簧與彈簧作用原理基本一致，通常選用彈簧鋼制造，經(jīng)過工藝處理后，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

碟簧成型后，必須進(jìn)行淬火、回火處理，目的是獲得馬氏體組織，釋放碟簧內(nèi)部應(yīng)力，減小變形，提高尺寸精度。經(jīng)淬火、回火處理后，碟簧將具有較高的強(qiáng)度、彈性極限和抗松弛能力。

碟簧的強(qiáng)壓處理是指，用不小于兩倍的f≈0.75h0時(shí)的負(fù)荷壓縮碟簧，持續(xù)時(shí)間不少于12h，從而提高碟簧的承載能力和穩(wěn)定的幾何尺寸。強(qiáng)壓處理后，碟簧的自由高度應(yīng)穩(wěn)定，在工作條件下，其永久變形量應(yīng)小于自由高度的0.3%。

根據(jù)碟簧工作原理，壓力開關(guān)在達(dá)到閉合時(shí)的受力分析如下。

式中，F(xiàn)1為報(bào)警壓力P警施加到閥芯上的力，F(xiàn)碟簧為碟簧壓縮產(chǎn)生的力，K為碟簧勁度系數(shù)，ΔX1為碟簧出廠時(shí)的形變量，ΔX2為通斷觸點(diǎn)與通斷開關(guān)的間距，P警為報(bào)警壓力，S為閥芯受壓面積，H0為碟簧自由態(tài)高度，Hi為碟簧壓縮后高度。

如果碟簧在工作過程中，產(chǎn)生塑性變形，即H0減小，H1為調(diào)定值，由式（2）可知ΔX1減小。由于ΔX2為調(diào)定值，F(xiàn)1=P警S減小，故P警降低。

為驗(yàn)證機(jī)理分析的結(jié)果的準(zhǔn)確性，從庫房領(lǐng)取1件同批的壓力開關(guān)。將初始開啟壓力調(diào)至14.8MPa，然后對其施加30MPa氣壓，持續(xù)26h后，測得其開啟壓力降至12.5MPa，故障復(fù)現(xiàn)。

4 改進(jìn)措施與試驗(yàn)驗(yàn)證

按照GB/T1972-2005《碟形彈簧》重新對碟簧進(jìn)行強(qiáng)壓處理，處理后重新裝配測試，測試結(jié)果合格。

5 結(jié)論

分析壓力開關(guān)開啟壓力降低的故障現(xiàn)象，確定了本次故障的根本原因是壓力開關(guān)內(nèi)的碟簧沒有經(jīng)過強(qiáng)壓處理，并且按照改進(jìn)措施糾正后故障得以解決。