調節器上的聯鎖活門彈簧計算分析

孟宇

摘?要：為提高調節器的可靠性，本文針對H公司某調節器導致的離心泵出口壓力異常故障問題，通過對聯鎖活門彈簧計算分析找出合理的彈簧工作區，提出合理可行的解決方案，為提高調節器可靠性提供數據支持。

關鍵詞：彈簧;聯鎖活門

1 緒論

隨著工業技術的發展，不管是軍用還是民用產品技術都進入了電子化時代，但在數控系統中，由于各活門之間泄漏量、流量、孔徑等方面因素影響，各活門之間的匹配關系就成為了控制系統的關鍵要素。在H公司因某調節器在外場進行性能驗收時，接通電磁閥通電，起動控制活門實現閉環控制L1Dem=-0.6，起動控制活門反饋L1異常波動，離心泵信號接收口（用于控制離心泵進口活門打開關閉）管路壓力異常（壓力約在0.4MPa～3.8MPa間變動），離心泵出口壓力異常波動。正常情況下，起動控制活門閉環控制L1Dem=-0.6，起動控制活門反饋L1波動在±5‰，離心泵信號接收口管路壓力為（3.8～4）MPa。故障發生后，通過更換聯鎖活門彈簧解決該故障。因此，可鎖定該故障為聯鎖活門彈簧。本文以提升H公司調節器可靠性為目的，通過對聯鎖活門彈簧計算分析，找出解決控制離心泵出口壓力異常的原因及解決措施。

2 聯鎖活門的工作原理

調節器中離心泵控制模塊用于實現控制離心泵接通和關斷的功能，此功能通過聯鎖活門實現。離心泵控制模塊工作原理見圖1。

由圖1可知，當接通電磁閥通電時，則接通活門溝通起動電液伺服閥到起動控制活門控制腔的油路。當起動控制活門控制腔壓力在升高時，起動控制活門向打開方向移動，且聯鎖活門底部壓力也隨之升高，導致離心泵聯鎖活門上移切斷離心泵泵進口活門控制腔到低壓腔的通道，離心泵泵進口活門控制腔壓力升高，離心泵泵進口活門打開。當起動控制活門控制腔壓力降低時，離心泵泵聯鎖活門下腔的壓力也降低，離心泵進口活門控制腔與低壓腔溝通，壓力降低，從而實現離心泵泵進口活門的關斷。

3 聯鎖活門計算分析

3.1 彈簧受力計算

結合H公司的故障聯鎖活門彈簧，其初始工作力65N、額定工作壓力為122N、聯鎖活門彈簧自由長度為27mm、初始工作力作用下聯鎖活門彈簧長度為23mm。根據彈簧的力學計算公式，如下所示：

F=K·ΔX（1）

F——彈簧力。

K——彈簧倔強系數。

ΔX——彈簧受力位移。

可以得到聯鎖活門彈簧的倔強系數：

K=65/（27-23）=16.25N/mm（2）

當聯鎖活門移動至將離心泵進口活門控制腔與低壓油斷開位置時，離心泵泵聯鎖活門打開。

根據在調節器中對聯鎖活門的安裝及位移行程情況，如下圖2所示：

可計算出彈簧被壓縮的長度L：

L=[53±0.2+（23.5-18.5）]-2.5-0.1-29.5+0.23-0.2-35-0.12-（13.2+0.2-0.1+2-8.5±0.05-3.5=20.5+0.89-0.79mm（3）

由此可得彈簧力F彈：

F彈=K×ΔX=16.25×（27-20.5）=105.625N（4）

根據力平衡可得：

F彈+P低×S=F控=P（5）

式中：

P低——低壓壓力，取低壓油壓力為0.2MPa。

P——聯鎖活門打開壓力。

S——受力面積。

計算可得：

P=1.53+0.25-0.14MPa（6）

由上述計算結果可知，聯鎖活門打開所需的計量活門控制腔最小打開壓力為1.39MPa，最大打開壓力為1.78MPa。

根據對該調節器上的彈簧實測可知，裝配的彈簧自由長度26.9，故障調節器裝配的彈簧自由長度為27.2，則該兩件彈簧時對應的聯鎖活門打開壓力分別為：

裝聯鎖活門彈簧時，聯鎖活門打開壓力：

F彈=K×ΔX=16.25×（27.2-20.5）=109N（7）

由力平衡公式（5）計算對應聯鎖活門打開壓力為：

P聯鎖=1.59MPa（8）

3.2 計算結果分析

通過本文上述的計算結果分析，得出以下結論：

（1）由于聯鎖活門彈簧的彈力偏大，對應聯鎖活門打開壓力為1.59MPa。

（2）該臺調節器外場驗收試驗過程起動控制活門控制腔壓力在（1.46～1.706）MPa范圍內變化。

（3）當起動控制活門控制腔壓力變化到小于聯鎖活門打開壓力1.59MPa時，聯鎖活門關閉。

（4）當起動控制活門控制腔壓力變化到大于聯鎖活門打開壓力1.59MPa時，離心泵聯鎖活門打開。

隨著起動控制活門控制腔的壓力在低于聯鎖活門打開壓力和高于聯鎖活門打開壓力之間變化，連鎖活門出現聯鎖活門時打開時關閉的現象，最終導致離心泵出口壓力異常的故障。

4 重新設計聯鎖活門彈簧

4.1 聯鎖活門彈簧類型及選材

在類型選擇方面，根據在該調節器上聯鎖活門彈簧環境溫度的特定要求，本次選用熱卷壓縮彈簧結構。

在選材方面，根據《機械設計手冊》中圓柱螺旋彈簧受載荷有相關要求，即聯鎖活門屬于Ⅰ類彈簧，受循環載荷作用使用次數一般在1×106次以上，且對彈簧使用環境及許用應力等要求的綜合考慮，本文在重新設計彈簧時選用50CrVA材料。該材料具備較高疲勞極限、屈服點和足夠沖擊韌度。同時，由于聯鎖活門彈簧屬于熱成型的彈簧，選材的50CrVA材料具備良好淬透性、較低過熱敏感性和不易脫碳等性能。

4.2 彈簧結構和載荷

通過上文中提到的聯鎖活門原有正常工作的打開壓強為（1.46～1.706）MPa之間變化，為使重新設計后的聯鎖活門能夠正常工作，在計算時取打開壓力最高值，即1.706MPa。

由力平衡公式（5）可得：

F彈=P×S-P低×S=84N（9）

彈簧的倔強系數K：

K=Ff=848.2=75.8N/mm（10）

彈簧的旋繞比C：

C=Dd=7.31.4=5.21（11）

彈簧的曲度系數I：

I=4C-14C-4+0.615C=1.30（12）

彈簧材料直徑d：

d=1.6KFCτP=1.4mm（13）

彈簧有效圈數n：

n=Gd4f8D3k=9（14）

由上述計算得出彈簧參數：彈簧倔強系數為K=75.8N/mm;彈簧旋繞比為5.21;彈簧曲度為1.3;彈簧直徑為1.4;彈簧有效工作圈數為9，并生產研制出該彈簧。為確保該彈簧滿足在原有壓力下聯鎖活門能夠正常工作，在H公司和外廠分別進行了等效壽命試驗，均能夠使調節器上聯鎖活門正常工作。

5 總結

本文對H公司有故障的聯鎖活門彈簧進行了計算分析，找出故障原因，并在原有工作條件下，對聯鎖活門彈簧進行了重新設計，包括對該彈簧的選材、受力計算得出能夠滿足調節器需求的彈簧具體參數，最終保證研制的聯鎖活門打開壓力小于系統壓力變化的最低值，解決了該調節器導致的離心泵出口壓力異常故障問題、提高了調節器的可靠性。

參考文獻：

[1]聞邦椿，等.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]鄭志祥.機械零件[M].北京：高等教育出版社，2000.