彈簧管式一般壓力表的工作可靠性分析
彈簧管式一般壓力表運用廣泛,其工作可靠性關(guān)系到設(shè)備與人員的安全。本文分析彈簧管壓力表的可靠性，對壓力表制造、工作載荷、溫度、振動、 腐蝕等影響可靠性的因素以及可能引發(fā)的相應(yīng)后果進(jìn)行探討。
0.引言
彈簧管式一般壓力表（以下簡稱壓力表）由于結(jié)構(gòu) 簡單、容易制造、價格低廉、方便實用，廣泛的應(yīng)用在工 業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。但是由于結(jié)構(gòu)原理、制造選用材 料、制造工藝等方面的原因，壓力表的量值穩(wěn)定性、可靠 性等都不同程度的存在問題，這給壓力表的使用帶來潛 在的風(fēng)險。相當(dāng)一部分壓力表的使用直接關(guān)系到人員與 設(shè)備的安全,所以壓力表的可靠性引起人們的高度重視。
1.壓力表的基本原理
1.1壓力表的結(jié)構(gòu)
壓力表的基本結(jié)構(gòu)由接頭、彈黃官、齒輪傳動機構(gòu)、 指示機構(gòu)和外殼等部分組成,如圖1所示。
接頭用于焊接彈簧管、固定表殼和齒輪傳動機構(gòu)、連 接被測管路;彈簧管用于將傳壓介質(zhì)傳遞的管路壓力轉(zhuǎn) 換為自由端的線位移；齒輪傳動機構(gòu)將彈簧管自由端的 線位移傳遞放大為中心軸的角位移；指示機構(gòu)用于指示 對應(yīng)的壓力示值;表殼用于機械機構(gòu)的防護(hù)。
Li Tao Wei Qun
1.2壓力表彈簧管材料特性
（1）彈性特性。彈性特性是材料的變形僅受載荷的 影響所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。廠家在設(shè)計階段即限定壓力表 彈簧管在其選用材料‘‘應(yīng)力-應(yīng)變”曲線的線性彈性階 段工作。
（2）彈性后效。彈性后效是指材料在彈性范圍內(nèi)受 某一不變載荷作用，其彈性變形隨時間緩慢增長,在去除 載荷后，不能立即恢復(fù)而需要經(jīng)過一段足夠時間之后才 能逐漸恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。
（3）彈性遲滯。彈性遲滯是指金屬在“應(yīng)力-應(yīng)變” 曲線的線性彈性區(qū)間內(nèi)經(jīng)歷加載卸載時，由于應(yīng)變落后 于應(yīng)力,使加載形變曲線與卸載形變曲線不重合,產(chǎn)生相 同載荷對應(yīng)不同形變的現(xiàn)象。
（4）彈性滯后。彈性滯后是彈性后效和彈性遲滯的 統(tǒng)稱,二者通常疊加顯現(xiàn)無法分開。彈性滯后現(xiàn)象在壓 力表計量檢定中主要表現(xiàn)為回程誤差。材料彈性滯后的 差值越大,壓力表的回程誤差也就越大。
（5）內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力是指在結(jié)構(gòu)上沒有外力存在 時,彈性物體內(nèi)所保存的應(yīng)力。合格的壓力表其彈簧管 應(yīng)只有較小的內(nèi)應(yīng)力，以保證良好的彈性性能。特別是 中高壓彈簧管,必須保證只有較小的內(nèi)應(yīng)力，以確保使用 中的穩(wěn)定性和安全性。
（6）金屬疲勞。金屬疲勞是指在交變載荷作用下， 金屬材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象。當(dāng)金屬經(jīng)過一定工序被加工 為零件后，內(nèi)應(yīng)力將集中在零件的外形曲線突變處（如 壓力表齒輪的齒根部分）。如果不采用適當(dāng)方法消除內(nèi) 應(yīng)力,零件經(jīng)受一段時間的交變載荷作用后,在局部高應(yīng)力區(qū)將形成微小裂紋,進(jìn)而逐步擴展引起斷裂。壓力表 機芯部分出現(xiàn)齒輪斷裂的主要原因就是金屬材料的疲勞。
（7）磨損。磨損是指任意由于表面相對運動而使表 面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象。磨損程度與材料性質(zhì)、相對運 動頻度、環(huán)境溫度和環(huán)境中腐蝕性條件有關(guān)。磨損造成 零件表層材料的損耗,使得零件尺寸發(fā)生變化,直接影響 零件的機械性能,縮短其使用壽命。機芯運動部件磨損 將導(dǎo)致壓力表示值誤差變化直至超出允許范圍。
（8）蠕變。蠕變是材料在保持所承受應(yīng)力不變的條 件下,應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。只要應(yīng)力的作用 時間足夠長，當(dāng)應(yīng)力小于材料彈性極限時蠕變也能出現(xiàn)。 壓力表長期承受負(fù)載，彈簧管材料出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象的幾率 增大,會進(jìn)而改變其原有的彈性特性,使壓力表的示值出 現(xiàn)超出設(shè)計預(yù)期的誤差。
（9）腐蝕。金屬腐蝕按照反應(yīng)機理不同可分為化學(xué) 腐蝕和電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕主要是氣體腐蝕,有金屬 與氧氣的氧化反應(yīng)，或者金屬與活性氣態(tài)介質(zhì)（如二氧 化硫、蒸汽和二氧化碳等）的化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)腐蝕是 在自然條件下（如海水、潮濕空氣、酸霧等），不同的金屬 與電解質(zhì)溶液接觸時發(fā)生的原電池反應(yīng)。壓力表的零件 腐蝕故障與上述兩種腐蝕原理有關(guān)。
2.影響壓力表工作可靠性的主要因素
2.1壓力表的選材和制造缺陷
壓力表在設(shè)計時需要按照預(yù)定的測量范圍、外廓尺 寸、接口尺寸、表盤標(biāo)度和測量精度要求，選擇滿足一定 孔徑、壁厚、中心角、截面軸比和材質(zhì)要求的彈簧管原料， 以保證加工成型后彈簧管中心角變化與所承受載荷的變 化滿足設(shè)計要求。選用彈簧管的尺寸參數(shù)、材料不能滿 足理論設(shè)計要求,零件加工、裝配達(dá)不到設(shè)計精度，均可 能導(dǎo)致壓力表工作不可靠，達(dá)不到理論的設(shè)計壽命和準(zhǔn) 確性。
2.2壓力表的工作載荷
實際工作中壓力表所承受載荷的情況十分復(fù)雜。為 便于分析載荷對壓力表的影響，將載荷簡化為理想的長 期恒定或正弦交變載荷、瞬時沖擊載荷、瞬時卸載三種不 同情況。
2. 2. 1長期恒定或正弦交變載荷
當(dāng)壓力表承受恒定載荷時,彈簧管、游絲等彈性零件 長期受載荷作用，由于內(nèi)應(yīng)力、疲勞、蠕變等材料性能變 化誘因的作用，使得彈簧管的管徑、截面軸比、材料的彈 性滯后量、游絲的彈性特性等逐漸變化，引起彈簧管中心 角與載荷變化、自由端位移等逐步偏離初始狀態(tài),導(dǎo)致相 應(yīng)的示值誤差、回程誤差、零位誤差、輕敲位移等指標(biāo),逐 漸變壞。
當(dāng)壓力表承受正弦交變載荷時，除出現(xiàn)受恒定載荷 影響的現(xiàn)象外，當(dāng)交變載荷的幅值一定時,彈簧管、游絲 的疲勞壽命隨著平均載荷的增大而減小;在交變載荷平 均值一定的情況下,彈簧管、游絲的疲勞壽命隨著載荷幅 值的增加而逐漸減小;彈簧管承受正壓時其中徑與內(nèi)徑 之間、承受負(fù)壓時其中徑與外徑之間由于承受拉應(yīng)力更 容易產(chǎn)生疲勞破壞。此外,壓力表承受交變載荷時,連桿 機構(gòu)、機芯齒輪機構(gòu)處于往復(fù)運動狀態(tài),連桿與彈簧管封 口片、連桿與扇形齒輪、扇形齒輪與中心齒輪等機械聯(lián)接 處的磨損程度，隨交變載荷施加時間的延長而增大。
2. 2. 2 沖擊載荷
當(dāng)安裝在壓力表前端的閥門或其他管路控制裝置突 然關(guān)閉時,管路內(nèi)流體的動能轉(zhuǎn)為壓力能,原先穩(wěn)定的管 路壓力將急劇升高，這種現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)象。管路內(nèi)增 壓泵工作時，由于增壓機構(gòu)的往復(fù)運動同樣會發(fā)生水擊 現(xiàn)象,兩種情況均會在管路中產(chǎn)生瞬時高壓的脈沖壓力， 此時壓力表承受沖擊載荷作用。當(dāng)沖擊載荷超過壓力表 設(shè)計的最大安全載荷時,彈簧管或游絲的彈性變形、扇形 齒輪與中心齒輪的嚙合運動以及輪齒承受的應(yīng)力將短時 間超過設(shè)計的安全范圍，可能產(chǎn)生不可預(yù)期的破壞結(jié)果， 導(dǎo)致壓力表工作失效。
2.2.3瞬時卸載
當(dāng)管路中壓力突然消失,沒有節(jié)流閥結(jié)構(gòu)的壓力表 將瞬時卸載,快速返回零位的指針由于止銷作用而停止 運動。卸載前的管路壓力越大，指針敲擊止銷的力度越 大,正常時為過盈配合的指針孔與機芯中心軸之間相對 運動越大，可能導(dǎo)致壓力表示值出現(xiàn)偏差；同時，指針孔 和中心軸表面因相對運動出現(xiàn)的摩擦，可能導(dǎo)致指針?biāo)?動或指針孔與中心軸表面磨損。瞬時卸載的頻度越大, 壓力表故障出現(xiàn)的幾率越大。
2.3 環(huán)境溫度
環(huán)境溫度變化，會引起材料彈性模量E的變化，通 常使用彈性模量的溫度系數(shù)來表示彈性模量隨溫度變化 的性質(zhì)，即：
Et = E0 (1-aE ‘4) (1)
^ t = t —10 (2) 式中:Et一溫度變化后的彈性模量；
E0 一溫度變化前的彈性模量；
A t 溫度變化量， t 一變化后的溫度； to 一變化前的溫度； aE 一彈性模量的溫度系數(shù)。
壓力表國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其工作環(huán)境溫度（含介質(zhì)溫 度）范圍為-40°C ~70°C。由式（1)可知，溫度系數(shù)aE 越大,則Et越大。同時,較高的環(huán)境溫度會加快材料疲 勞、蠕變和磨損的速率。 因此當(dāng)壓力表工作環(huán)境溫度變化范圍較大時,應(yīng)選擇彈簧管材料彈性模量溫度系數(shù)小 的壓力表,否則壓力表示值將出現(xiàn)較大偏差。
2. 4環(huán)境振動
環(huán)境振動使得壓力表機械機構(gòu)分別承受往復(fù)運動產(chǎn) 生的摩擦和循環(huán)應(yīng)力作用。振動摩擦?xí)饓毫Ρ頇C械 連接部分出現(xiàn)預(yù)期之外的磨損。理論認(rèn)為材料循環(huán)松 弛,多數(shù)金屬材料在一定的循環(huán)應(yīng)力作用下,其應(yīng)力幅值 超過一定范圍，則在每個循環(huán)后材料都將會產(chǎn)生微小的 殘余塑性變形增量。這樣可能導(dǎo)致壓力表拉桿與扇形齒 輪之間的示值調(diào)節(jié)螺釘、機芯與機座之間的緊固螺釘出 現(xiàn)松動，引起拉桿與扇形齒輪臂之間夾角、示值調(diào)節(jié)螺釘 位置、機芯與機座位置、中心齒輪與扇形齒輪嚙合位置等 出現(xiàn)變化,引起壓力表誤差增大或故障。
2.5材料腐蝕
壓力表的實際工作環(huán)境中不可避免存在潮濕空氣, 甚至?xí)懈g性氣體。因此壓力表機構(gòu)常會出現(xiàn)銹蝕, 會在彈簧管管體、端頭部分產(chǎn)生銹蝕孔洞；此外由于環(huán)境 中積塵或油污的附著，壓力表零件的初始表面狀態(tài)和聯(lián) 接（接觸）方式將顯著改變;鍋爐、船舶發(fā)動機艙室內(nèi)的 壓力表工作環(huán)境溫度偏高，其材料腐蝕的速率增快,工作 可靠性相對于一般工作環(huán)境將下降更快。
假設(shè)壓力表零件的強度為C,所受的應(yīng)力為S,它們 都是隨機變量,并且概率密度函數(shù)分別為f (c)與g (s)。 當(dāng)兩個分布的方差很小時,零件強度的最小值大于應(yīng)力 的最大值,能夠保證一定的安全裕度。壓力表投入使用 后,盡管產(chǎn)品質(zhì)量、承受載荷、環(huán)境溫度、環(huán)境振動、材料 腐蝕等因素的影響帶有隨機性質(zhì)，但總體趨勢使得零件 的強度C逐漸下降,偏離設(shè)計時的理想?yún)^(qū)間，導(dǎo)致f (c) 與g(s)曲線出現(xiàn)重合,最終產(chǎn)生故障。
3.壓力表工作可靠性因素引起的后果
設(shè)計制造缺陷。彈簧管式壓力表設(shè)計比較成熟，問 題主要出現(xiàn)在制造工藝和材料的選擇方面，選用材料不 合適可導(dǎo)致彈性材料性能不合要求、機械強度不夠等問 題。制造工藝不成熟、流程不規(guī)范可導(dǎo)致零件加工、裝配 精度不合要求,壓力表量值不穩(wěn)定,達(dá)不到設(shè)計目標(biāo)和預(yù) 期壽命。
長期恒定或交變載荷。壓力表長期加載較大壓力或
不斷的加載幅度大、頻率高的交變壓力，引起彈簧管、游 絲的彈性特性逐漸惡化或永久變形;降低彈簧管、游絲的 疲勞壽命,增大機械聯(lián)接的磨損程度。
沖擊載荷、瞬時卸載。壓力表測量快速沖擊性壓力、 快速將壓力表從較高壓力瞬間降低等類似操作，可能使 彈簧管或游絲的彈性變形超出設(shè)計范圍、齒輪副嚙合運 動超出極限、輪齒承受應(yīng)力超過安全范圍，指針敲擊止銷 引起示值偏差、指針?biāo)蓜踊蛑羔樋着c中心軸表面磨損,嚴(yán) 重時會造成壓力表損壞。
環(huán)境振動。壓力表安裝在機械振動較大的部位,會 使壓力表機械連接部分產(chǎn)生預(yù)期之外的磨損，導(dǎo)致壓力 表機械機構(gòu)連接部分出現(xiàn)不同情況的移位、損傷,使壓力 表偏出零位,指針?biāo)蓜樱D(zhuǎn)動部分間隙變大，彈性元件老 化,破壞壓力表的基本性能，降低壓力表的壽命,嚴(yán)重時 在短時間內(nèi)造成壓力表損壞。
環(huán)境溫度。壓力表長時間工作在高溫環(huán)境中測量高 壓力,會引起材料彈性模量的變化，加速材料疲勞、蠕變 和機械磨損。產(chǎn)生壓力表量值的漂移,嚴(yán)重時使壓力表 大大的超出測量誤差。
腐蝕。壓力表長時間在腐蝕性環(huán)境中使用或測量腐 蝕性介質(zhì)，可使壓力表的金屬部分受到腐蝕,破壞壓力表 的金屬結(jié)構(gòu),使彈簧管銹蝕孔洞，改變壓力表零件的初始 表面狀態(tài)和聯(lián)接（接觸）方式。破壞壓力表的基本性能， 嚴(yán)重時損壞壓力表。
4.結(jié)束語
通過以上論述可知，壓力表的工作可靠性取決于其 材料的選擇、制造質(zhì)量、工作載荷、工作環(huán)境條件、維護(hù)保 養(yǎng)等因素。因此,應(yīng)結(jié)合實際情況對影響壓力表可靠性 因素進(jìn)行分析,排除不利因素，掌握使用中的壓力表性能 狀態(tài)變化趨勢，降低使用風(fēng)險,科學(xué)合理的使用、管理好 壓力表。
