压力控制器弹性元件性能特性及影响因数分析

吴峰

摘要：目前船舶的自动化程度越来越高，船用压力控制元件应用非常普遍，一般用于电动机位式控制线路或信号报警线路，而弹性元件是决定压力控制器性能的最重要的元件。以船用YWK-50-C型压力控制器为例，分析其弹性元件的性能特性以及对其性能产生影响的因数。通过分析，为了保持控制器输入输出信号的线性度，我们可以通过合理的设计以及恰当的材料选取尽量进行修正。

关键词：压力控制器；弹性元件；性能特性

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2014）07019102

压力控制器是一种将压力信号直接转化为电气开关信号的机—电转换装置。船用压力控制器适用于电动机位式控制线路或信号报警线路，以便使水、油、气体及蒸汽压力保持给定值，具有调整动作压力值方便之优点。它可作为无侵蚀气体和液体压力到达极限值时的信号装置，或作为压力调整器的电路接触开关之用。

控制器中的弹性元件能将一些难以直接测量的物理量（如压力、流量、温度等）转换成便于测量的长度、角度等参量。在变形不大的情况下，各种弹性元件的弹性特性基本符合虎克定律，其载荷与位移之间具有一定的函数关系，利用这种特性就可以测量力、压力、压差和力矩等参量。同时，弹性元件还能很方便地将很多物理量（如流量、液位、温度、电流、压力等）转换为力、压力和力矩等参量来进行测量。文中主要以船用YWK-50-C型压力控制器为例，分析压力开关中弹性元件的性能特性及影响其性能特性的因数。

1船用压力控制器结构及工作过程分析

YWK-50-C型压力控制器是一种随压力变化可以输出开关信号的控制装置，主要由压力控制器由壳体，给定装置和压力传送器三部分组成（如图1），控制器指针指示值（主调螺栓控制）为设定值，是压力下限切换值，微调螺栓上数字仅表示切换差值大小程度而非实际值，实际值应从标准表读取。该压力控制器可以进行定值动作调节和上下限动作调节，旋转主调螺栓，由给定弹簧整定动作压力下限，通过旋转微调螺栓，由幅差弹簧和给定弹簧共同整定动作压力上限。当被测介质压力低于整定动作压力时，给定弹簧带动杠杆左端向上位移，杠杆右端向下位移，触点1、2断开，触点1、3闭合，同时接通相应电路。当被测介质压力高于整定动作压力上限时，介质压力通过管道接头作用于测量波纹管，顶动顶杆右端向上位移，触点1、2闭合，触点1、3断开，同时接通相应电路。

图1YWK—50型压力控制器工作原理示意图

（a）结构图；（b）原理图2承受压力时的螺旋弹簧弹性特性分析

船用YWK-50-C型压力控制器采用螺旋弹簧作为主调压力调节的弹性元件，在螺旋升角较小时，可认为弹簧丝仅承受扭转作用。这时，弹簧的轴向变量λ和它所承受的轴向载荷F的关系如下：

λ=8FD32n1Gd4（1）

其中：λ——在载荷F作用下弹簧的变形量；F——作用在弹簧上的载荷；D2——弹簧中径；n——弹簧的有效圈数； G——材料的切变模量；d——簧丝直径。

特性曲线如图2所示：

图2螺旋弹簧拉伸弹性特性曲线图弹簧的弹性特性曲线为一直线，故其弹性特性（力与变形间的关系）遵从虎克定律，即力与变形成正比例关系：

F11λ1=Fmax1λmax=F1λ=Fmax-F11λ0=常数（2）

其中：λ0——弹簧的工作行程；λ0=λmax-λ1。

从式（1）和（2）中可以看出，当弹簧选定后，作用在其轴向载荷和轴向位移量成正比，从而在压力控制器中，也就是刻度指针的位移量与被测压力形成正比关系。

3承受压力时的波纹管弹性特性分析

图3波纹管结构参数图4波纹管的工作特性波纹管的结构参数如上左图所示，在轴向压强下，与波纹管的轴向位移的关系：

y=PSα1-μ21Eh0·n1A0-αA1+α2A2+B0h021RH2（3）

其中：P—作用压强；Sa—有效面积；n—工作的波纹数；h0—波纹管内半径处的壁厚；α为波纹平面部分的斜角（紧密角）。

根据式（3），我们得出波纹管的工作特性曲线（如图4），从曲线中可以看出，波纹管位移与压强成正比，弹性特性是线性的。从而我们可以定量的将压力或温度信号转换成开关信号。

4影响弹性元件性能特性因数分析

弹性元件在测量过程中会因外界因数对其影响，会导致测量出现误差，影响其特性的因数主要有几何尺寸参数、温度、迟滞现象、残余变形以及失稳现象。

4.1几何尺寸参数的影响

从式（1）中可以看出，当弹簧中径和弹簧有效圈数变大，在同一载荷下弹簧的变形量会变大，而簧丝直径变大，会导致弹簧变形量变小，一般我们在设计过程中，根据弹性元件的使用场所和所需功能，通过调整弹性元件工作圈数的方法来消除几何尺寸参数对弹性元件性能的影响。

4.2温度的影响

在温度较高或较低的环境中，弹性元件会在温度的作用下发生变形，特别是长期工作在高温介质中的弹性元件可能会发生永久变形，也就会造成测量误差。弹性模量温度系数β=ΔE1E（t2-t1），从中可以看出当弹性模量温度系数β一定时，弹性模量E是随着温度升高而下降的，从而在同一载荷下弹性形变量变大。一般可以通过采用温度系数极小的材料或者补偿的方式消除温度的影响。

4.3迟滞现象的影响

弹性后效现象是弹性元件在加载与卸载过程中，弹簧管的自由端不立即完成相应的位移，经过停留一段时间后，才能完成相应的位移，导致弹性特性曲线不相重合的现象，而弹性滞后现象是弹性元件在压力加载与卸载过程中，位移量的进程和回程不相重合，存在一定的变差，以上两种现象叠加形成了弹性元件的迟滞现象，迟滞现象的产生会影响到压力控制器的控制精度。克服弹性迟滞现象，一般可以通过以下方法进行处理：一是选择弹性元件材料时应选择高弹性极限，高强度极限和疲劳极限的材料；二是在弹性元件的设计中，要尽可能提高弹性元件的比例极限；三是在弹性元件的制造中，要严格执行相关的工艺要求，如超压、静压工艺和热处理工艺。

4.4残余变形的影响

弹性元件在加载后元件产生位移，而卸载后再经过相当长的一段时间弹性元件仍不能回复到原始位置，从而产生一个永久变形的残留值，残余变形有塑性变形、疲劳变形、蠕变等三种形式。元件的残余变形量与使用状态有关，当拉伸（或压缩）的位移量逐渐增大到一定的位移值后，残余变形将显著增加。在工程中，一般对残余变形量给出一定的界限值，超过界限值将导致压力控制器测量误差的加大或控制器的损坏，这种情况对弹性压力控制器来说是不允许存在的，我们在使用过程中一定要根据允许最大位移严格限定最大载荷。残余变形量的大小主要跟弹性元件的几何尺寸参数及材料性能有关，一般情况下，与材料的屈服强度及外径的平方成正比，而与材料的弹性模量、波纹管的壁厚成反比。从而我们可以根据残余变形量的需要，来选取合适的弹性元件尺寸及材料。

4.5失稳现象的影响

弹性元件（如螺旋弹簧、波纹管等）在载荷作用下会发生失稳现象。比如波纹管可能会发生波纹环板平面翘曲、变形、波距不均匀或者波纹瞥轴线总体弯曲，偏离原来的直线位置。失稳现象会导致波纹管的几何形状失去原有平衡状态，产生形状突然畸变，降低了其承压及补偿位移的能力。防止元件失稳的措施有：元件设计时应避免元件过长过薄；长波纹管在使用时应采用心轴或拉杆保护；弹性元件承载时，载荷应加在元件的适合位置，防止载荷偏斜。

5结语

通过对船用YWK-50-C型压力控制器弹性元件性能特性及影响因数分析，我们可以看出，弹性元件能够将被测信号（温度、压力等）以线性输出为位移信号，从而可以作为位式控制元件。但是由于自身或者外部环境的因数影响，也可能会导致输出信号的非线性度，所以我们在设计过程中，要尽量通过设计弥补自身因数的影响，同时根据不同的外部工作环境选取合适的压力控制装置。

参考文献

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[2]刁瑾菲.仪表的稳定性与弹性元件的关系[J].中国科技博览，2011，（31）.

[3]许贤泽.精密机械设计[M].北京：电子工业出版社，2013.endprint