某型压力开关开启压力降低问题研究

李旭东 潘智勇 卢 猛 周明阳 苏开明

（凯迈（洛阳）气源有限公司，洛阳 471000）

引言

8只压力开关在承受21MPa压力状态下，进行了一系列温度试验后，对其开启压力进行测试。测得开启压力为12.0～12.6MPa，较初始值（14.4～15.4MPa）降低，且不满足15±1MPa开启压力的要求。

1 组成和原理介绍

压力开关主要由电器接头、锁紧螺母、壳体、调节螺母、碟簧、阀芯、通断开关、通断触点、顶杆、支撑座等组成，结构示意图如图1所示。

图1 压力开关结构

压力开关的工作原理是：调节螺母使其下端碟簧产生预紧力，该预紧力相当于15±1MPa气压在阀芯上的作用力。当压力开关受到大于16MPa的气压时，气压力大于碟簧预紧力，阀芯推动支撑座向上移动，最终顶杆将通断触点顶起，通断触点与通断开关脱离断开，如图（a）所示；当气压力降低至14MPa以下时，气压力小于碟簧预紧力，碟簧推动支撑座下移，最终顶杆与通断触点分离，通断触点复位，与通断开关闭合，形成通路，产生输出信号，如图（b）所示。

2 故障定位

根据故障现象，结合压力开关工作原理，将可能造成故障的原因汇总，并进行逐一排查、试验、分析。

2.1 电器接头拧紧

当电器接头拧紧时，通断触点与顶杆间隙变小。如要顶杆与通断触点断开，则需顶杆下移量增加，即碟簧压缩量减小，对应的气压会降低。

检查8只压力开关，发现压力开关锁紧螺母处于锁紧状态，锁紧螺母与电器接头之间进行了一周封胶，且封胶处无裂纹等异常。所以，电器接头拧紧的因素可以排除。

2.2 调节螺母松动

当调节螺母松动时，碟簧预紧力降低。根据压力开关工作原理可知，对应的气压力也会降低，进而开启压力降低。

在压力开关出厂时，调节螺母自带有预紧力，调节螺母与壳体之间有点漆处理。检查故障件的点漆标记，发现点漆无异常，从而证明调节螺母与壳体之间无转动。因此调节螺母松动的因素可排除。

2.3 阀芯卡滞

2.3.1 密封圈压缩量太大

阀芯上密封圈规格为2.7×1.9mm，结合阀芯沟槽尺寸计算得密封圈压缩量为15.8%，该压缩量满足GB/T3452.3-2005和HB/Z4-95中气动密封的密封圈压缩量指标。故密封圈压缩量太大因素可排除。

2.3.2 阀芯与壳体间有多余物

对故障批的压力开关进行拆解检查，发现壳体内部无多余物；将阀芯取出后检查，发现阀芯表面无多余物。故阀芯与壳体间有多余物因素可排除。

2.4 碟簧塑性变形超差2.4.1 未进行热处理

根据GB/T1972-2005《碟形弹簧》，碟簧加工后需要进行热处理，使其达到或接近最佳的力学性能，保证其长期可靠地工作。碟簧所用材料为50CrVA,该材料经热处理后硬度应在42～52HRC。取2只故障件中的碟簧进行硬度测试，测试结果分别为43.9HRC和45.0HRC，另外，其他批次2只压力开关的碟簧硬度测试结果分别为44.8HRC和43.0HRC，均满足GB/T1972-2005《碟形弹簧》的要求，且两个批次硬度无明显差异。因此，未进行热处理因素可排除。

2.4.2 未进行强压处理

碟簧的强压处理与弹簧的压并处理作用相似，目的为，使碟簧自由高度尺寸稳定，保证在后期使用时，碟簧自身的永久变形量小于自由高度的0.3%，使碟簧具有稳定的力学性能。

为测试碟簧产生的永久变形率，从故障批压力开关中随机抽取1只进行测量。用高度仪测得碟簧自由态高度为15.3mm，进行强压试验后，再次测得自由态高度为14.4mm。经计算得碟簧变形率为5.9%，远超出0.3%的指标。因此，碟簧未进行强压处理的因素不能排除。

3 机理分析与故障复现

碟形弹簧与弹簧作用原理基本一致，通常选用弹簧钢制造，经过工艺处理后，形成稳定的结构和力学性能。

碟簧成型后，必须进行淬火、回火处理，目的是获得马氏体组织，释放碟簧内部应力，减小变形，提高尺寸精度。经淬火、回火处理后，碟簧将具有较高的强度、弹性极限和抗松弛能力。

碟簧的强压处理是指，用不小于两倍的f≈0.75h0时的负荷压缩碟簧，持续时间不少于12h，从而提高碟簧的承载能力和稳定的几何尺寸。强压处理后，碟簧的自由高度应稳定，在工作条件下，其永久变形量应小于自由高度的0.3%。

根据碟簧工作原理，压力开关在达到闭合时的受力分析如下。

式中，F1为报警压力P警施加到阀芯上的力，F碟簧为碟簧压缩产生的力，K为碟簧劲度系数，ΔX1为碟簧出厂时的形变量，ΔX2为通断触点与通断开关的间距，P警为报警压力，S为阀芯受压面积，H0为碟簧自由态高度，Hi为碟簧压缩后高度。

如果碟簧在工作过程中，产生塑性变形，即H0减小，H1为调定值，由式（2）可知ΔX1减小。由于ΔX2为调定值，F1=P警S减小，故P警降低。

为验证机理分析的结果的准确性，从库房领取1件同批的压力开关。将初始开启压力调至14.8MPa，然后对其施加30MPa气压，持续26h后，测得其开启压力降至12.5MPa，故障复现。

4 改进措施与试验验证

按照GB/T1972-2005《碟形弹簧》重新对碟簧进行强压处理，处理后重新装配测试，测试结果合格。

5 结论

分析压力开关开启压力降低的故障现象，确定了本次故障的根本原因是压力开关内的碟簧没有经过强压处理，并且按照改进措施纠正后故障得以解决。