安全雙聯閥先導復位彈簧耐久性計算

榮 琳，楊春華

（無錫市拓發自控設備有限公司，江蘇 無錫 214161）

根據國標GB27607-2011《機械壓力機安全技術要求》和最新國際標準ISO16092-2：2018《機床安全壓力機第2部分:機械壓力機安全要求》的相關規定，明確了安全雙聯閥是機械壓力機重要的安全功能部件。安全雙聯閥所用的先導電磁閥（以下簡稱先導閥）是安全雙聯閥的重要核心部件，通過“K-AQSDFd□系列安全雙聯閥用先導電磁閥故障失效模式分析”得到：安全雙聯閥先導復位彈簧（以下簡稱先導復位彈簧）品質的優劣關系到安全雙聯閥的可靠性和安全性能水平（PL#，Cat#）,因此在產品研發設計階段對先導復位彈簧進行耐久性計算很有必要。

1 先導復位彈簧計算

K23JDa-2/1先導電磁閥用的先導復位彈簧為等節距的圓錐彈簧，如圖1所示，先導復位彈簧參數如表1所示。

表1 彈簧參數

復位彈簧形變量Δx：

復位彈簧所受載荷F：

由方程（1）、（2），可得：

由于R2-R1＜nd，彈簧壓并時的節距：

聯結方程（3）、（4），并將表2中兩組形變量Δx帶入，可得碰圈圈數i和相應的直徑Ri。

先導彈簧并圈開始接觸后的彈簧剪應力τ：

表2 形變量

式中：

由方程（4）、（5）、（6）、（7），可得：

經計算，得：

由于先導彈簧變載荷循環次數≥107，因此載荷類型為I類載荷。

當N=107時，彈簧的剪切持久極限分布為（τ-1，στ-1），

式中：Kf——應力集中修正系數，可由圖2得到；

Ke——工藝系數，Ke=1+Kp+Kh；

Kp——噴丸強化系數，Kp=0.2；

Kh——熱壓強化系數，Kh=0.2。

由（9）、（10）可得

根據z值，查正態分布表得：

結論：上述校核計算，先導復位彈簧動作2000萬次后，發生斷裂失效的概率為零。

2 校核計算驗證

從2017年5月至今，10臺安全雙聯閥在實驗室條件下進行了可靠性試驗（每年按300個工作日計算，每天試驗16h，動作頻次30min-1，每個閥共計動作2160萬次），先導復位彈簧均未出現疲勞斷裂。2020年初，復測上述10臺安全雙聯閥的先導復位彈簧，得到先導復位彈簧的預壓力變化（變小）均小于2.5%的結果。這再次證明上述計算中所做的設定、所建的計算模型及計算結果是合理、正確的。