壓力控制器彈性元件性能特性及影響因數(shù)分析

吳峰

摘要：目前船舶的自動化程度越來越高，船用壓力控制元件應(yīng)用非常普遍，一般用于電動機位式控制線路或信號報警線路，而彈性元件是決定壓力控制器性能的最重要的元件。以船用YWK-50-C型壓力控制器為例，分析其彈性元件的性能特性以及對其性能產(chǎn)生影響的因數(shù)。通過分析，為了保持控制器輸入輸出信號的線性度，我們可以通過合理的設(shè)計以及恰當(dāng)?shù)牟牧线x取盡量進行修正。

關(guān)鍵詞：壓力控制器；彈性元件；性能特性

中圖分類號：TB文獻標(biāo)識碼：A文章編號：16723198（2014）07019102

壓力控制器是一種將壓力信號直接轉(zhuǎn)化為電氣開關(guān)信號的機—電轉(zhuǎn)換裝置。船用壓力控制器適用于電動機位式控制線路或信號報警線路，以便使水、油、氣體及蒸汽壓力保持給定值，具有調(diào)整動作壓力值方便之優(yōu)點。它可作為無侵蝕氣體和液體壓力到達極限值時的信號裝置，或作為壓力調(diào)整器的電路接觸開關(guān)之用。

控制器中的彈性元件能將一些難以直接測量的物理量（如壓力、流量、溫度等）轉(zhuǎn)換成便于測量的長度、角度等參量。在變形不大的情況下，各種彈性元件的彈性特性基本符合虎克定律，其載荷與位移之間具有一定的函數(shù)關(guān)系，利用這種特性就可以測量力、壓力、壓差和力矩等參量。同時，彈性元件還能很方便地將很多物理量（如流量、液位、溫度、電流、壓力等）轉(zhuǎn)換為力、壓力和力矩等參量來進行測量。文中主要以船用YWK-50-C型壓力控制器為例，分析壓力開關(guān)中彈性元件的性能特性及影響其性能特性的因數(shù)。

1船用壓力控制器結(jié)構(gòu)及工作過程分析

YWK-50-C型壓力控制器是一種隨壓力變化可以輸出開關(guān)信號的控制裝置，主要由壓力控制器由殼體，給定裝置和壓力傳送器三部分組成（如圖1），控制器指針指示值（主調(diào)螺栓控制）為設(shè)定值，是壓力下限切換值，微調(diào)螺栓上數(shù)字僅表示切換差值大小程度而非實際值，實際值應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)表讀取。該壓力控制器可以進行定值動作調(diào)節(jié)和上下限動作調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)主調(diào)螺栓，由給定彈簧整定動作壓力下限，通過旋轉(zhuǎn)微調(diào)螺栓，由幅差彈簧和給定彈簧共同整定動作壓力上限。當(dāng)被測介質(zhì)壓力低于整定動作壓力時，給定彈簧帶動杠桿左端向上位移，杠桿右端向下位移，觸點1、2斷開，觸點1、3閉合，同時接通相應(yīng)電路。當(dāng)被測介質(zhì)壓力高于整定動作壓力上限時，介質(zhì)壓力通過管道接頭作用于測量波紋管，頂動頂桿右端向上位移，觸點1、2閉合，觸點1、3斷開，同時接通相應(yīng)電路。

圖1YWK—50型壓力控制器工作原理示意圖

（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）原理圖2承受壓力時的螺旋彈簧彈性特性分析

船用YWK-50-C型壓力控制器采用螺旋彈簧作為主調(diào)壓力調(diào)節(jié)的彈性元件，在螺旋升角較小時，可認為彈簧絲僅承受扭轉(zhuǎn)作用。這時，彈簧的軸向變量λ和它所承受的軸向載荷F的關(guān)系如下：

λ=8FD32n1Gd4（1）

其中：λ——在載荷F作用下彈簧的變形量；F——作用在彈簧上的載荷；D2——彈簧中徑；n——彈簧的有效圈數(shù)； G——材料的切變模量；d——簧絲直徑。

特性曲線如圖2所示：

圖2螺旋彈簧拉伸彈性特性曲線圖彈簧的彈性特性曲線為一直線，故其彈性特性（力與變形間的關(guān)系）遵從虎克定律，即力與變形成正比例關(guān)系：

F11λ1=Fmax1λmax=F1λ=Fmax-F11λ0=常數(shù)（2）

其中：λ0——彈簧的工作行程；λ0=λmax-λ1。

從式（1）和（2）中可以看出，當(dāng)彈簧選定后，作用在其軸向載荷和軸向位移量成正比，從而在壓力控制器中，也就是刻度指針的位移量與被測壓力形成正比關(guān)系。

3承受壓力時的波紋管彈性特性分析

圖3波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)圖4波紋管的工作特性波紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如上左圖所示，在軸向壓強下，與波紋管的軸向位移的關(guān)系：

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

其中：P—作用壓強；Sa—有效面積；n—工作的波紋數(shù)；h0—波紋管內(nèi)半徑處的壁厚；α為波紋平面部分的斜角（緊密角）。

根據(jù)式（3），我們得出波紋管的工作特性曲線（如圖4），從曲線中可以看出，波紋管位移與壓強成正比，彈性特性是線性的。從而我們可以定量的將壓力或溫度信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號。

4影響彈性元件性能特性因數(shù)分析

彈性元件在測量過程中會因外界因數(shù)對其影響，會導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差，影響其特性的因數(shù)主要有幾何尺寸參數(shù)、溫度、遲滯現(xiàn)象、殘余變形以及失穩(wěn)現(xiàn)象。

4.1幾何尺寸參數(shù)的影響

從式（1）中可以看出，當(dāng)彈簧中徑和彈簧有效圈數(shù)變大，在同一載荷下彈簧的變形量會變大，而簧絲直徑變大，會導(dǎo)致彈簧變形量變小，一般我們在設(shè)計過程中，根據(jù)彈性元件的使用場所和所需功能，通過調(diào)整彈性元件工作圈數(shù)的方法來消除幾何尺寸參數(shù)對彈性元件性能的影響。

4.2溫度的影響

在溫度較高或較低的環(huán)境中，彈性元件會在溫度的作用下發(fā)生變形，特別是長期工作在高溫介質(zhì)中的彈性元件可能會發(fā)生永久變形，也就會造成測量誤差。彈性模量溫度系數(shù)β=ΔE1E（t2-t1），從中可以看出當(dāng)彈性模量溫度系數(shù)β一定時，彈性模量E是隨著溫度升高而下降的，從而在同一載荷下彈性形變量變大。一般可以通過采用溫度系數(shù)極小的材料或者補償?shù)姆绞较郎囟鹊挠绊憽?/p>

4.3遲滯現(xiàn)象的影響

彈性后效現(xiàn)象是彈性元件在加載與卸載過程中，彈簧管的自由端不立即完成相應(yīng)的位移，經(jīng)過停留一段時間后，才能完成相應(yīng)的位移，導(dǎo)致彈性特性曲線不相重合的現(xiàn)象，而彈性滯后現(xiàn)象是彈性元件在壓力加載與卸載過程中，位移量的進程和回程不相重合，存在一定的變差，以上兩種現(xiàn)象疊加形成了彈性元件的遲滯現(xiàn)象，遲滯現(xiàn)象的產(chǎn)生會影響到壓力控制器的控制精度?？朔椥赃t滯現(xiàn)象，一般可以通過以下方法進行處理：一是選擇彈性元件材料時應(yīng)選擇高彈性極限，高強度極限和疲勞極限的材料；二是在彈性元件的設(shè)計中，要盡可能提高彈性元件的比例極限；三是在彈性元件的制造中，要嚴格執(zhí)行相關(guān)的工藝要求，如超壓、靜壓工藝和熱處理工藝。

4.4殘余變形的影響

彈性元件在加載后元件產(chǎn)生位移，而卸載后再經(jīng)過相當(dāng)長的一段時間彈性元件仍不能回復(fù)到原始位置，從而產(chǎn)生一個永久變形的殘留值，殘余變形有塑性變形、疲勞變形、蠕變等三種形式。元件的殘余變形量與使用狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)拉伸（或壓縮）的位移量逐漸增大到一定的位移值后，殘余變形將顯著增加。在工程中，一般對殘余變形量給出一定的界限值，超過界限值將導(dǎo)致壓力控制器測量誤差的加大或控制器的損壞，這種情況對彈性壓力控制器來說是不允許存在的，我們在使用過程中一定要根據(jù)允許最大位移嚴格限定最大載荷。殘余變形量的大小主要跟彈性元件的幾何尺寸參數(shù)及材料性能有關(guān)，一般情況下，與材料的屈服強度及外徑的平方成正比，而與材料的彈性模量、波紋管的壁厚成反比。從而我們可以根據(jù)殘余變形量的需要，來選取合適的彈性元件尺寸及材料。

4.5失穩(wěn)現(xiàn)象的影響

彈性元件（如螺旋彈簧、波紋管等）在載荷作用下會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。比如波紋管可能會發(fā)生波紋環(huán)板平面翹曲、變形、波距不均勻或者波紋瞥軸線總體彎曲，偏離原來的直線位置。失穩(wěn)現(xiàn)象會導(dǎo)致波紋管的幾何形狀失去原有平衡狀態(tài)，產(chǎn)生形狀突然畸變，降低了其承壓及補償位移的能力。防止元件失穩(wěn)的措施有：元件設(shè)計時應(yīng)避免元件過長過薄；長波紋管在使用時應(yīng)采用心軸或拉桿保護；彈性元件承載時，載荷應(yīng)加在元件的適合位置，防止載荷偏斜。

5結(jié)語

通過對船用YWK-50-C型壓力控制器彈性元件性能特性及影響因數(shù)分析，我們可以看出，彈性元件能夠?qū)⒈粶y信號（溫度、壓力等）以線性輸出為位移信號，從而可以作為位式控制元件。但是由于自身或者外部環(huán)境的因數(shù)影響，也可能會導(dǎo)致輸出信號的非線性度，所以我們在設(shè)計過程中，要盡量通過設(shè)計彌補自身因數(shù)的影響，同時根據(jù)不同的外部工作環(huán)境選取合適的壓力控制裝置。

參考文獻

[1]劉人懷，袁鴻.彈性元件國內(nèi)外理論發(fā)展概況[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011，（9）.

[2]刁瑾菲.儀表的穩(wěn)定性與彈性元件的關(guān)系[J].中國科技博覽，2011，（31）.

[3]許賢澤.精密機械設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.endprint