彈簧管式一般壓力表運(yùn)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(jià)格低廉、方便實(shí)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(xiǎn)。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(jī)構(gòu)、指示機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)用于指示對應(yīng)的壓力示值表殼用于機(jī)械機(jī)構(gòu)的防護(hù)。

LiTaoWeiQun

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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(jì)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(shí),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(shí)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(kuò)展引起斷裂。壓力表機(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)械性能,縮短其使用壽命。機(jī)芯運(yùn)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(shí)間延長而增加的現(xiàn)象。只要應(yīng)力的作用時(shí)間足夠長，當(dāng)應(yīng)力小于材料彈性極限時(shí)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(jì)預(yù)期的誤差。

（9）腐蝕。金屬腐蝕按照反應(yīng)機(jī)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(shí)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(jì)時(shí)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(jì)要求。選用彈簧管的尺寸參數(shù)、材料不能滿足理論設(shè)計(jì)要求,零件加工、裝配達(dá)不到設(shè)計(jì)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(jì)壽命和準(zhǔn)確性。

2.2壓力表的工作載荷

實(shí)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(shí)沖擊載荷、瞬時(shí)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(shí),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(shí)，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(shí),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(shí)其中徑與內(nèi)徑之間、承受負(fù)壓時(shí)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(shí),連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)芯齒輪機(jī)構(gòu)處于往復(fù)運(yùn)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(jī)械聯(lián)接處的磨損程度，隨交變載荷施加時(shí)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(shí),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(shí)，由于增壓機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)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(shí)高壓的脈沖壓力，此時(shí)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(jì)的最大安全載荷時(shí),彈簧管或游絲的彈性變形、扇形齒輪與中心齒輪的嚙合運(yùn)動以及輪齒承受的應(yīng)力將短時(shí)間超過設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)卸載,快速返回零位的指針由于止銷作用而停止運(yùn)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(shí)為過盈配合的指針孔與機(jī)芯中心軸之間相對運(yùn)動越大，可能導(dǎo)致壓力表示值出現(xiàn)偏差；同時(shí)，指針孔和中心軸表面因相對運(yùn)動出現(xiàn)的摩擦，可能導(dǎo)致指針?biāo)蓜踊蛑羔樋着c中心軸表面磨損。瞬時(shí)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；

At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(shí),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(shí),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(jī)械機(jī)構(gòu)分別承受往復(fù)運(yùn)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(jī)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(gè)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(jī)芯與機(jī)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(jī)芯與機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(qiáng)度為C,所受的應(yīng)力為S,它們都是隨機(jī)變量,并且概率密度函數(shù)分別為f(c)與g(s)。當(dāng)兩個(gè)分布的方差很小時(shí),零件強(qiáng)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(jī)性質(zhì)，但總體趨勢使得零件的強(qiáng)度C逐漸下降,偏離設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)制造缺陷。彈簧管式壓力表設(shè)計(jì)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(jī)械強(qiáng)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(jì)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(jī)械聯(lián)接的磨損程度。

沖擊載荷、瞬時(shí)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(jì)范圍、齒輪副嚙合運(yùn)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(shí)會造成壓力表損壞。

環(huán)境振動。壓力表安裝在機(jī)械振動較大的部位,會使壓力表機(jī)械連接部分產(chǎn)生預(yù)期之外的磨損，導(dǎo)致壓力表機(jī)械機(jī)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�，轉(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(shí)在短時(shí)間內(nèi)造成壓力表損壞。

環(huán)境溫度。壓力表長時(shí)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(jī)械磨損。產(chǎn)生壓力表量值的漂移,嚴(yán)重時(shí)使壓力表大大的超出測量誤差。

腐蝕。壓力表長時(shí)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(shí)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(shí)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(xiǎn),科學(xué)合理的使用、管理好壓力表。