调节器上的联锁活门弹簧计算分析

孟宇

摘 要：为提高调节器的可靠性，本文针对H公司某调节器导致的离心泵出口压力异常故障问题，通过对联锁活门弹簧计算分析找出合理的弹簧工作区，提出合理可行的解决方案，为提高调节器可靠性提供数据支持。

关键词：弹簧;联锁活门

1 绪论

随着工业技术的发展，不管是军用还是民用产品技术都进入了电子化时代，但在数控系统中，由于各活门之间泄漏量、流量、孔径等方面因素影响，各活门之间的匹配关系就成为了控制系统的关键要素。在H公司因某调节器在外场进行性能验收时，接通电磁阀通电，起动控制活门实现闭环控制L1Dem=-0.6，起动控制活门反馈L1异常波动，离心泵信号接收口（用于控制离心泵进口活门打开关闭）管路压力异常（压力约在0.4MPa～3.8MPa间变动），离心泵出口压力异常波动。正常情况下，起动控制活门闭环控制L1Dem=-0.6，起动控制活门反馈L1波动在±5‰，离心泵信号接收口管路压力为（3.8～4）MPa。故障发生后，通过更换联锁活门弹簧解决该故障。因此，可锁定该故障为联锁活门弹簧。本文以提升H公司调节器可靠性为目的，通过对联锁活门弹簧计算分析，找出解决控制离心泵出口压力异常的原因及解决措施。

2 联锁活门的工作原理

调节器中离心泵控制模块用于实现控制离心泵接通和关断的功能，此功能通过联锁活门实现。离心泵控制模块工作原理见图1。

由图1可知，当接通电磁阀通电时，则接通活门沟通起动电液伺服阀到起动控制活门控制腔的油路。当起动控制活门控制腔压力在升高时，起动控制活门向打开方向移动，且联锁活门底部压力也随之升高，导致离心泵联锁活门上移切断离心泵泵进口活门控制腔到低压腔的通道，离心泵泵进口活门控制腔压力升高，离心泵泵进口活门打开。当起动控制活门控制腔压力降低时，离心泵泵联锁活门下腔的压力也降低，离心泵进口活门控制腔与低压腔沟通，压力降低，从而实现离心泵泵进口活门的关断。

3 联锁活门计算分析

3.1 弹簧受力计算

结合H公司的故障联锁活门弹簧，其初始工作力65N、额定工作压力为122N、联锁活门弹簧自由长度为27mm、初始工作力作用下联锁活门弹簧长度为23mm。根据弹簧的力学计算公式，如下所示：

F=K·ΔX（1）

F——弹簧力。

K——弹簧倔强系数。

ΔX——弹簧受力位移。

可以得到联锁活门弹簧的倔强系数：

K=65/（27-23）=16.25N/mm（2）

当联锁活门移动至将离心泵进口活门控制腔与低压油断开位置时，离心泵泵联锁活门打开。

根据在调节器中对联锁活门的安装及位移行程情况，如下图2所示：

可计算出弹簧被压缩的长度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）

由此可得弹簧力F弹：

F弹=K×ΔX=16.25×（27-20.5）=105.625N（4）

根据力平衡可得：

F弹+P低×S=F控=P（5）

式中：

P低——低压压力，取低压油压力为0.2MPa。

P——联锁活门打开压力。

S——受力面积。

计算可得：

P=1.53+0.25-0.14MPa（6）

由上述计算结果可知，联锁活门打开所需的计量活门控制腔最小打开压力为1.39MPa，最大打开压力为1.78MPa。

根据对该调节器上的弹簧实测可知，装配的弹簧自由长度26.9，故障调节器装配的弹簧自由长度为27.2，则该两件弹簧时对应的联锁活门打开压力分别为：

装联锁活门弹簧时，联锁活门打开压力：

F弹=K×ΔX=16.25×（27.2-20.5）=109N（7）

由力平衡公式（5）计算对应联锁活门打开压力为：

P联锁=1.59MPa（8）

3.2 计算结果分析

通过本文上述的计算结果分析，得出以下结论：

（1）由于联锁活门弹簧的弹力偏大，对应联锁活门打开压力为1.59MPa。

（2）该台调节器外场验收试验过程起动控制活门控制腔压力在（1.46～1.706）MPa范围内变化。

（3）当起动控制活门控制腔压力变化到小于联锁活门打开压力1.59MPa时，联锁活门关闭。

（4）当起动控制活门控制腔压力变化到大于联锁活门打开压力1.59MPa時，离心泵联锁活门打开。

随着起动控制活门控制腔的压力在低于联锁活门打开压力和高于联锁活门打开压力之间变化，连锁活门出现联锁活门时打开时关闭的现象，最终导致离心泵出口压力异常的故障。

4 重新设计联锁活门弹簧

4.1 联锁活门弹簧类型及选材

在类型选择方面，根据在该调节器上联锁活门弹簧环境温度的特定要求，本次选用热卷压缩弹簧结构。

在选材方面，根据《机械设计手册》中圆柱螺旋弹簧受载荷有相关要求，即联锁活门属于Ⅰ类弹簧，受循环载荷作用使用次数一般在1×106次以上，且对弹簧使用环境及许用应力等要求的综合考虑，本文在重新设计弹簧时选用50CrVA材料。该材料具备较高疲劳极限、屈服点和足够冲击韧度。同时，由于联锁活门弹簧属于热成型的弹簧，选材的50CrVA材料具备良好淬透性、较低过热敏感性和不易脱碳等性能。

4.2 弹簧结构和载荷

通过上文中提到的联锁活门原有正常工作的打开压强为（1.46～1.706）MPa之间变化，为使重新设计后的联锁活门能够正常工作，在计算时取打开压力最高值，即1.706MPa。

由力平衡公式（5）可得：

F弹=P×S-P低×S=84N（9）

弹簧的倔强系数K：

K=Ff=848.2=75.8N/mm（10）

弹簧的旋绕比C：

C=Dd=7.31.4=5.21（11）

弹簧的曲度系数I：

I=4C-14C-4+0.615C=1.30（12）

弹簧材料直径d：

d=1.6KFCτP=1.4mm（13）

弹簧有效圈数n：

n=Gd4f8D3k=9（14）

由上述计算得出弹簧参数：弹簧倔强系数为K=75.8N/mm;弹簧旋绕比为5.21;弹簧曲度为1.3;弹簧直径为1.4;弹簧有效工作圈数为9，并生产研制出该弹簧。为确保该弹簧满足在原有压力下联锁活门能够正常工作，在H公司和外厂分别进行了等效寿命试验，均能够使调节器上联锁活门正常工作。

5 总结

本文对H公司有故障的联锁活门弹簧进行了计算分析，找出故障原因，并在原有工作条件下，对联锁活门弹簧进行了重新设计，包括对该弹簧的选材、受力计算得出能够满足调节器需求的弹簧具体参数，最终保证研制的联锁活门打开压力小于系统压力变化的最低值，解决了该调节器导致的离心泵出口压力异常故障问题、提高了调节器的可靠性。

参考文献：

[1]闻邦椿，等.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2]郑志祥.机械零件[M].北京：高等教育出版社，2000.