高温压力控制器的设计

　　摘 要:介绍了机械式高温压力控制器的设计方法;阐述了它的工作原理、结构特点和主要部件的设计与计算。同时 , 对宽温区压力控制器压力设定点的温度漂移进行了补偿和实验验证。 比较了电子式和机械式压力控制器各自的优缺点, 并提出了选择设计方案的原则。 该压力控制器的压力设定点为 0.3 MPa ;误差为±0 .04 MPa(全温区);工作温度为 -55 ～ 150  ℃。 实验表明:该高温压力控制器体积小、耐恶劣环境、可靠性高, 满足使用要求。

　　关键词:压力控制器;压力开关;高温;补偿引言压力控制器又称压力开关或低(高)压力保护器, 是感受压力变化并使外部电路由一种状态变换到另一种状态的过程控制装置。当被测系统的压力参数的变化量达到压力控制器的设定值时, 控制器能够准确输出可靠的开关信号, 驱动相应的控制机构动作, 实现其控制功能或驱动相应的显示仪表显示, 提醒控制人员采取适当措施。

　　某发动机正常工作时, 曲轴外径周围均匀覆盖着一层润滑油膜。在一定压力作用下, 曲轴悬浮于轴瓦中间。当润滑油压力低于正常值时, 会使曲轴、轴瓦 、活塞气缸套等重要部件发生损坏, 严重时甚至会出现“ 抱死” 现象。因此, 发动机的滑油系统必须设有进行压力控制及安全报警的压力控制器。当油压正常时, 电路断开, 润滑油增压系统不工作;当油压低于设定值时, 电路接通, 润滑油增压系统开始工作, 直至压力达到正常值时, 电路断开, 增压停止。在常温下完成上述功能, 当然首选电子式压力控制器。因为它无任何机械动作部件, 采用固态压力传感器进行压力测量, 配接信号处理器和控制电路, 控制精度高, 无触点开关转换不存在触点寿命问题, 由于它的压力设定点和切换差是靠电子电路调整, 工作温度不得超过电子元器件所能耐受的温度(一般为 -40 ～ 85  ℃), 在高温环境中, 电子式压力控制器的使用受到了很大限制。在船用发动机(工作温度为-30 ～ 140 ℃)和飞机发动机(工作温度为 -55 ～ 150 ℃)中, 目前, 多数采用的是机械式压力控制器。它抗冲击、抗电磁干扰 、可靠性高 、耐恶劣环境, 在高温中工作有其独特的优势。另外, 它在待机状态时不需电源, 在无人值守的野外和电源昂贵的航天器上这些优点尤为重要。本文设计的一体化结构压力控制器的技术要求为:压 力设定点和误差为(0 .3 ±0 .04)MPa ;工作温度为 -55 ～ 150  ℃;外形尺寸 Υ30 mm ×60 mm ;工作压力为 0 .5 MPa 。

　　1工作原理采用波纹膜片作为弹性敏感元件,   当波纹膜片受到均布压力作用时,   膜片产生的变化使其中心产式中  E 为材料的弹性模量, ×106 kg/ cm2 ;D 为膜片的有效直径, mm ;h 为膜片厚度, mm ;p 为均布压力,MPa ;μ为泊松比 ;ΔL 为膜片中心位移, mm 。

　　该特性公式适用于 1 000 h 在1 ～ 4 的范围。否则, 可采用以下公式ΔLE =C(3 000  h )-1.52 ,pDD生一定位移, 其位移的大小反映了膜片受均布压力的大小。对于线性弹性特性的膜片来说, 均布压力与中心位移的关系为ΔL = p1/ CP式中  ΔL  为膜片中心位移, mm ;p1 为输入的均布压力,MPa ;CP 为膜片刚度。

　　当压力正常时, 触点处于常开状态, 2 ～ 3 触点闭合, 电路接通, 润滑油增压系统开始工作。随着压力的增加, 带动传动机构运动。当压力大于设定值时, 2 ～ 3 触点断开, 电路切断, 增压系统停止工作, 其工作原理式 中 3 000 h =5 ～ 10 , C =1 152 595 。

　　D膜片参数 E , h , D 主要影响膜片的中心位移。其中, 膜片厚度 h 是作为调节中心位移(或灵敏度) 的主要参数。膜片厚度对特性影响较大。随着厚度的增加, 膜片刚度将增加, 同时, 也增加了膜片特性的非线性, 厚度通常在 0 .05 ～ 0 .3 mm 范围内变化。

　　膜片厚度对膜片中心位移的影响非常显著, 在实际设计中往往利用改变膜片厚度的方法达到预期 的量程。膜片的厚度一般根据经验来确定。

　　作为弹性元件的使用者, 应尽可能选用弹性元件专业制造厂生产的标准化 、系列化产品。这样 , 不但能够节省制造模具的费用, 也可以大大缩短生产周期, 尤其对于小批量的产品, 即使设计出准确的厚度也无法采购到理想的板材, 除非到钢铁厂专门轧制。

　　压力控制器原理示意波纹膜片的设计计算波纹膜片的变形和应力应从板壳弹性力学理论 分析, 把它看成是由圆环壳 、圆柱壳 、正交异性板组成。波纹膜片的计算公式涉及到许多弹性力学理论, 要用计算机求得许多冗繁的联立方程。即便是这样, 计算结果也不能与实际结果完全—致。波纹膜片的尺寸参数很多, 不能像计算力学问题那样, 完全由力学方程直接得出, 必须先根据仪器结构 、设计经验、工艺条件等因素 , 初步确定某些膜片的尺寸(如, 膜片直径、厚度), 再由力学方程得出其余尺寸。

　　2 .1波纹膜片参数的确定波纹膜片参数较多, 主要参数包括有效直径、厚度等, 这些参数根据仪器结构尺寸确定。

　　文献[ 2] 给出了经验特性公式本设计要求压力控制器外径小于 30 mm , 除去压力控制器壳体壁厚, 确定 D =26 mm , 厚度为0 .2 mm 。

　　为NBS  -1 型圆弧波纹膜片。根据文献[ 1] ,3压力设定部分的设计与调试压力设定部分由支杆和微动开关组成。在以波纹膜片为弹性元件的结构中, 支杆把弹性元件的变形传递到微动开关, 这个变形达到压力设定点时, 支22传 感器 技 术第 卷要注意它的负载容量 、动作特性与温度极限。选用气密密封型微动开关, 可增强触点保护性能, 使控制器能在恶劣情况下可靠使用。当压力控制器装配完 毕后, 就要对压力设定点进行调试, 实际上就是调支杆顶部与微动开关触点的相对位置(在适当的温度下调整)。可以设计成支杆可调型 , 也可以设计成微动开关位置可调型。对于压力设定点固定的压力控 制器来说, 这个位置一旦调好就将其永久固定, 以免在振动的环境中发生设定点的移动, 导致压力设定点的变化。

　　4压力控制器温度补偿的方法该压力控制器工作温度范围为 -55 ～ 150  ℃,工作环境温度的变化使组成压力控制器的各个零部 件的外形尺寸、相对位置均发生变化, 结果使压力设定点在同一载荷下产生漂移, 从 -55 ℃～ 140 ℃的表2    温度补偿结果Tab 2 Result of temperature compensati on温度补偿后设定点绝对误差(℃)(MPa)(MPa)

　　-550.320 .02200.3001000.290 .011500.270 .035.2    振动加载试验该控制器工作环境恶劣, 振动频率为 3 000 Hz ,低频振动时振幅为 1 .6 mm , 将压力控制器固定在振动台上, 振动中施加满载荷, 检验振动设定点的变化情况.

　　振动加载试验Tab 3 Test of vibration load试验中, 压力控制器的设定点由 0 .068 MPa 漂移到振动前的压力设定点方向(MP a)0 .179 MPa , 失去了控制的作用, 所以, 宽温区的压力控制器必须进行温度补偿。

　　由于支杆和基座受热膨胀的结果使支杆与微动开关触点的相对位置发生了变化, 导致了设定点的漂移, 当把支杆材料换成黄铜后(H68)压力设定点的漂移量显著减少, 补偿结果所示。

　　两种不同支杆材料的补偿比较 Tab 1 Compensation comparison between two kinds of stand materials6 结束语实验证明 :本设计方法满足工程实际需要, 在实际应用中获得了良好效果。

　　电子式和机械式压力控制器都有各自的优缺析, 选择最适合和最经济的设计方案。在关键控制点上, 应确保压力控制器工作的可靠性。

　　参考文献:

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