安全双联阀先导复位弹簧耐久性计算

荣 琳，杨春华

（无锡市拓发自控设备有限公司，江苏 无锡 214161）

根据国标GB27607-2011《机械压力机安全技术要求》和最新国际标准ISO16092-2：2018《机床安全压力机第2部分:机械压力机安全要求》的相关规定，明确了安全双联阀是机械压力机重要的安全功能部件。安全双联阀所用的先导电磁阀（以下简称先导阀）是安全双联阀的重要核心部件，通过“K-AQSDFd□系列安全双联阀用先导电磁阀故障失效模式分析”得到：安全双联阀先导复位弹簧（以下简称先导复位弹簧）品质的优劣关系到安全双联阀的可靠性和安全性能水平（PL#，Cat#）,因此在产品研发设计阶段对先导复位弹簧进行耐久性计算很有必要。

1 先导复位弹簧计算

K23JDa-2/1先导电磁阀用的先导复位弹簧为等节距的圆锥弹簧，如图1所示，先导复位弹簧参数如表1所示。

表1 弹簧参数

复位弹簧形变量Δx：

复位弹簧所受载荷F：

由方程（1）、（2），可得：

由于R2-R1＜nd，弹簧压并时的节距：

联结方程（3）、（4），并将表2中两组形变量Δx带入，可得碰圈圈数i和相应的直径Ri。

先导弹簧并圈开始接触后的弹簧剪应力τ：

表2 形变量

式中：

由方程（4）、（5）、（6）、（7），可得：

经计算，得：

由于先导弹簧变载荷循环次数≥107，因此载荷类型为I类载荷。

当N=107时，弹簧的剪切持久极限分布为（τ-1，στ-1），

式中：Kf——应力集中修正系数，可由图2得到；

Ke——工艺系数，Ke=1+Kp+Kh；

Kp——喷丸强化系数，Kp=0.2；

Kh——热压强化系数，Kh=0.2。

由（9）、（10）可得

根据z值，查正态分布表得：

结论：上述校核计算，先导复位弹簧动作2000万次后，发生断裂失效的概率为零。

2 校核计算验证

从2017年5月至今，10台安全双联阀在实验室条件下进行了可靠性试验（每年按300个工作日计算，每天试验16h，动作频次30min-1，每个阀共计动作2160万次），先导复位弹簧均未出现疲劳断裂。2020年初，复测上述10台安全双联阀的先导复位弹簧，得到先导复位弹簧的预压力变化（变小）均小于2.5%的结果。这再次证明上述计算中所做的设定、所建的计算模型及计算结果是合理、正确的。