調(diào)節(jié)器上的聯(lián)鎖活門彈簧計(jì)算分析

孟宇

摘?要：為提高調(diào)節(jié)器的可靠性，本文針對(duì)H公司某調(diào)節(jié)器導(dǎo)致的離心泵出口壓力異常故障問題，通過對(duì)聯(lián)鎖活門彈簧計(jì)算分析找出合理的彈簧工作區(qū)，提出合理可行的解決方案，為提高調(diào)節(jié)器可靠性提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：彈簧;聯(lián)鎖活門

1 緒論

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，不管是軍用還是民用產(chǎn)品技術(shù)都進(jìn)入了電子化時(shí)代，但在數(shù)控系統(tǒng)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(guān)系就成為了控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。在H公司因某調(diào)節(jié)器在外場(chǎng)進(jìn)行性能驗(yàn)收時(shí)，接通電磁閥通電，起動(dòng)控制活門實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制L1Dem=-0.6，起動(dòng)控制活門反饋L1異常波動(dòng)，離心泵信號(hào)接收口（用于控制離心泵進(jìn)口活門打開關(guān)閉）管路壓力異常（壓力約在0.4MPa～3.8MPa間變動(dòng)），離心泵出口壓力異常波動(dòng)。正常情況下，起動(dòng)控制活門閉環(huán)控制L1Dem=-0.6，起動(dòng)控制活門反饋L1波動(dòng)在±5‰，離心泵信號(hào)接收口管路壓力為（3.8～4）MPa。故障發(fā)生后，通過更換聯(lián)鎖活門彈簧解決該故障。因此，可鎖定該故障為聯(lián)鎖活門彈簧。本文以提升H公司調(diào)節(jié)器可靠性為目的，通過對(duì)聯(lián)鎖活門彈簧計(jì)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(lián)鎖活門的工作原理

調(diào)節(jié)器中離心泵控制模塊用于實(shí)現(xiàn)控制離心泵接通和關(guān)斷的功能，此功能通過聯(lián)鎖活門實(shí)現(xiàn)。離心泵控制模塊工作原理見圖1。

由圖1可知，當(dāng)接通電磁閥通電時(shí)，則接通活門溝通起動(dòng)電液伺服閥到起動(dòng)控制活門控制腔的油路。當(dāng)起動(dòng)控制活門控制腔壓力在升高時(shí)，起動(dòng)控制活門向打開方向移動(dòng)，且聯(lián)鎖活門底部壓力也隨之升高，導(dǎo)致離心泵聯(lián)鎖活門上移切斷離心泵泵進(jìn)口活門控制腔到低壓腔的通道，離心泵泵進(jìn)口活門控制腔壓力升高，離心泵泵進(jìn)口活門打開。當(dāng)起動(dòng)控制活門控制腔壓力降低時(shí)，離心泵泵聯(lián)鎖活門下腔的壓力也降低，離心泵進(jìn)口活門控制腔與低壓腔溝通，壓力降低，從而實(shí)現(xiàn)離心泵泵進(jìn)口活門的關(guān)斷。

3 聯(lián)鎖活門計(jì)算分析

3.1 彈簧受力計(jì)算

結(jié)合H公司的故障聯(lián)鎖活門彈簧，其初始工作力65N、額定工作壓力為122N、聯(lián)鎖活門彈簧自由長度為27mm、初始工作力作用下聯(lián)鎖活門彈簧長度為23mm。根據(jù)彈簧的力學(xué)計(jì)算公式，如下所示：

F=K·ΔX（1）

F——彈簧力。

K——彈簧倔強(qiáng)系數(shù)。

ΔX——彈簧受力位移。

可以得到聯(lián)鎖活門彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)：

K=65/（27-23）=16.25N/mm（2）

當(dāng)聯(lián)鎖活門移動(dòng)至將離心泵進(jìn)口活門控制腔與低壓油斷開位置時(shí)，離心泵泵聯(lián)鎖活門打開。

根據(jù)在調(diào)節(jié)器中對(duì)聯(lián)鎖活門的安裝及位移行程情況，如下圖2所示：

可計(jì)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(jù)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(lián)鎖活門打開壓力。

S——受力面積。

計(jì)算可得：

P=1.53+0.25-0.14MPa（6）

由上述計(jì)算結(jié)果可知，聯(lián)鎖活門打開所需的計(jì)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(jù)對(duì)該調(diào)節(jié)器上的彈簧實(shí)測(cè)可知，裝配的彈簧自由長度26.9，故障調(diào)節(jié)器裝配的彈簧自由長度為27.2，則該兩件彈簧時(shí)對(duì)應(yīng)的聯(lián)鎖活門打開壓力分別為：

裝聯(lián)鎖活門彈簧時(shí)，聯(lián)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(jì)算對(duì)應(yīng)聯(lián)鎖活門打開壓力為：

P聯(lián)鎖=1.59MPa（8）

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過本文上述的計(jì)算結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

（1）由于聯(lián)鎖活門彈簧的彈力偏大，對(duì)應(yīng)聯(lián)鎖活門打開壓力為1.59MPa。

（2）該臺(tái)調(diào)節(jié)器外場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)過程起動(dòng)控制活門控制腔壓力在（1.46～1.706）MPa范圍內(nèi)變化。

（3）當(dāng)起動(dòng)控制活門控制腔壓力變化到小于聯(lián)鎖活門打開壓力1.59MPa時(shí)，聯(lián)鎖活門關(guān)閉。

（4）當(dāng)起動(dòng)控制活門控制腔壓力變化到大于聯(lián)鎖活門打開壓力1.59MPa時(shí)，離心泵聯(lián)鎖活門打開。

隨著起動(dòng)控制活門控制腔的壓力在低于聯(lián)鎖活門打開壓力和高于聯(lián)鎖活門打開壓力之間變化，連鎖活門出現(xiàn)聯(lián)鎖活門時(shí)打開時(shí)關(guān)閉的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致離心泵出口壓力異常的故障。

4 重新設(shè)計(jì)聯(lián)鎖活門彈簧

4.1 聯(lián)鎖活門彈簧類型及選材

在類型選擇方面，根據(jù)在該調(diào)節(jié)器上聯(lián)鎖活門彈簧環(huán)境溫度的特定要求，本次選用熱卷壓縮彈簧結(jié)構(gòu)。

在選材方面，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中圓柱螺旋彈簧受載荷有相關(guān)要求，即聯(lián)鎖活門屬于Ⅰ類彈簧，受循環(huán)載荷作用使用次數(shù)一般在1×106次以上，且對(duì)彈簧使用環(huán)境及許用應(yīng)力等要求的綜合考慮，本文在重新設(shè)計(jì)彈簧時(shí)選用50CrVA材料。該材料具備較高疲勞極限、屈服點(diǎn)和足夠沖擊韌度。同時(shí)，由于聯(lián)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(jié)構(gòu)和載荷

通過上文中提到的聯(lián)鎖活門原有正常工作的打開壓強(qiáng)為（1.46～1.706）MPa之間變化，為使重新設(shè)計(jì)后的聯(lián)鎖活門能夠正常工作，在計(jì)算時(shí)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(qiáng)系數(shù)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(shù)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(shù)n：

n=Gd4f8D3k=9（14）

由上述計(jì)算得出彈簧參數(shù)：彈簧倔強(qiáng)系數(shù)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(shù)為9，并生產(chǎn)研制出該彈簧。為確保該彈簧滿足在原有壓力下聯(lián)鎖活門能夠正常工作，在H公司和外廠分別進(jìn)行了等效壽命試驗(yàn)，均能夠使調(diào)節(jié)器上聯(lián)鎖活門正常工作。

5 總結(jié)

本文對(duì)H公司有故障的聯(lián)鎖活門彈簧進(jìn)行了計(jì)算分析，找出故障原因，并在原有工作條件下，對(duì)聯(lián)鎖活門彈簧進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，包括對(duì)該彈簧的選材、受力計(jì)算得出能夠滿足調(diào)節(jié)器需求的彈簧具體參數(shù)，最終保證研制的聯(lián)鎖活門打開壓力小于系統(tǒng)壓力變化的最低值，解決了該調(diào)節(jié)器導(dǎo)致的離心泵出口壓力異常故障問題、提高了調(diào)節(jié)器的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]聞邦椿，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2]鄭志祥.機(jī)械零件[M].北京：高等教育出版社，2000.