制冷压缩机保护器的核心技术之“双金属片设计应用”初探.pdf

制冷压缩机保护器的核心技术之“双金属片设计应用”初探严英仕万宝冷机集团广州电器有限公司广州市510220013902286372E-mail:wbgzdg@摘要:通过探讨电冰箱压缩机保护器的工作机理，通过结合实践探讨关键材料双金属片基础理论，包括双金属片的基本特性，如何工作，规格品种，标准试验方法，主要指标(曲率半径、挠性、热变形、弹性模t、机械力、温度力)，应力与温度关系，物理和机械性能(电阻率和电阻、硬度)，德化热处理，耐肠蚀性及保护，特别是蠕变式园盘的热变形与温度力的组合、“热变形与温度力”和温度、直径、厚度的关系等规律，从而初步掌握，制冷压缩机保护器设计与工艺编制中所需双金属片应用知识.关钮词:保护器设计关键材料双魔属片应甩、、在全套引进日本松下设备技术生产冰箱压缩机保护器的基础上，我公司通过向国内外同行学习，勇于开发，自行设计了几百个规格品种保护器，最高全国市场占有率为33%(1994年)，产品供应国内名牌压缩机公司与出口日本、新加坡、伊朗，96年被认定为广州市高新技术企业在开发设计过程中我们深感核心技术中的双金属片应用技术之重要.下面谨对我们的学习与设计实践谈一点粗浅的理解、认识。

电冰箱压缩机保护器一般采用碟形双金属片作为过电流过负荷的感温元件由于冰箱工作条件复杂多变，在压缩机运行过程中，产生过负荷电流的可能性是存在的由于电冰箱压缩机运行过程中会因压缩机堵转、冷凝器或压缩机裤隔绝散热(如厚窗帘卷盖住冰箱后侧及两边)、门封条失效、热水放入冰箱内等等，这些都可能产生过流，或过热，或过流过热.如果过载保护器动作不可靠或其参数选择不合理，在压缩机电机过负荷和过电流的过程中，压缩机就有被烧坏的危险过载保护器的断开温度和复位温度.直接影响压缩机电机的过电流时间和过载保护器的恢复时间、以及压缩机的壳体温升过载保护器的动作时间应适当短一些，以缩短压缩机的每次过电流时间，而恢复时间应适当长一些，给冰箱制冷系统高低压力平衡提供更多时间，以减小压缩机的起动负载但长短应有度，因电热元件与感温双金属元件在壳体有限条件内，动作温度、动作时间、感动电流三个参数是互相制约的而这些温度时间的感觉、动作往往是由双金属片完成的，所以双金属片应用技术是保护器的核心技术一、双金属的基本特性保护器用的双金属是一种复合金属通常为条状或板状由两层或多层膨胀系数不同的金属组成当这几层金属永久性地被粘在一起后，如果温度有变化，各层金属便迫使整个材料(双金属板)改变其曲率。

这种随温度而改变曲率或弯曲性的特性(挠性)是所有双金属的基本特性二、双金属是如何工作的如果双金属元件开始时是直的或者其曲率是一致的，由于温度的均匀变化而导致的曲率是一致的，也就是说，是一个半径不变的真正园弧1、两条长度相同的金属条，其热胀系数高低不同2.}度升高时，它们的相对长度便有变化3、当这两条金属被粘在一起时，而且温度升高了，膨胀系数高的那条金属受到压缩，膨胀系数低的那条金属则受到拉伸4、这些力造成一种力矩，使元件弯曲成一个均匀的园弧曲率的变化正此于膨胀系数之差:元-2名，‘件之温度变化，反比于组合金属条之厚度弯曲量亦受到两条金属之弹性模量之比及厚度之比的影响(即亦反比于“高侧厚度低侧厚度”，正比于高“侧弹性模量货侧弹性模量)三、供应的规格:以美国TI公司为例(0.0762-3.175mn)厚度:0.003^0.125英寸宽度:0.020^0.12英寸(0.508-3.048mm)，每档之间增加164英寸一般的规律是最小宽度等于3倍厚度长度:双金属条在供货时一般是园盘线图状或切割成扁平的条状料，扁平条最大长度为12英尺标准尺寸公差厚度〔英寸)公差，(英寸)0.005以下(0.127mm以下)士0.00030.005^-0.0099(包括0.0099)士0.000350.010^-0.0149(包括0.0149)士0.00040.015^-0.0199(包括0.0199)士0.00050..020及0.020以上士2.5%宽度(英寸)}公差(英寸)12以下(12.7mm以下)1士。

00312-簇1}10.0041一-3-6士0.030长度(英尺)公差(英寸)，一(士1164-成12士12^-1161、带材边拱(侧向弯曲)在3英寸长度内最大为932英寸，边拱是指元件侧向边沿对直线的偏差测量方法是将3英尺长的直尺放在元件的凹侧，测量直尺(3英尺)的中点至状条元件边沿的距离2、纵向平度=0.0005八在750F于3英寸长度内的最大值t为英寸厚度测量方法是收3英寸长度的直尺放在凹侧〔不论凹侧是高膨胀侧还是低膨胀侧)，测量直尺中点至双金属的距离t二目万一(tF-32)3.横向曲率横向曲率不超过在750F时测得、按下式算出之值:cc=10%t+(0.00025WZt)此处cc=横向曲度，英寸(弦高)W=材料宽度，英寸t=材料厚度，英寸横向曲率方向应为高膨胀侧的凹曲方向4、边沿状况(毛刺)边沿应为ASTM"3(切成长条状时)或ASTM45(至平的)，按内部加工过程而定ASTM3"边沿，当厚度为0.020“以下时，毛刺最大为材料厚度的10%厚度大于0.020”时为0.002英寸四、标准试验方法以下的标准试验方法是由美国试验材料厚会((ASTM)B04委员会创立的这些试验方法在jR金属规格方面的应用将有助于防止由于使用其它方法而产生的错误理解。

288-试验号所测特性1B63金属导电的电阻率及触点材料的电阻率2B70由于通电发热，金属材料电阻随温度的变化3B106双金属材料的挠性4B223双金属材料的弹性模量5B305双金属材料的最大负荷应力6B362双金属材料线圈的机械力矩系数7B388双金属板和双金属带的规格8B389双金属线圈和盘形线圈的热变形率9B487双金属的横向曲率10C351热绝缘的平均比热IIE92双金属材料的金字塔形钻石硬度这几个试验专为测量双金属的具体特性供应商TI公司建议用上述ASTM试验方法测量双金属的各种特性在这些方法中，如有修改，在基本试验方法号的后面便会加上一个后辍以标明是最新版本为避免混乱，上面没有列出后辍不过，在进行试验时还时要采用最新版的试验方法除了在标准方面工作外，美国试验材料学会已经出版了一份书目表，表中共有725条，包括从1806年至1973年关于双金属的所有已知文献书目标分成3部份(出版业号STP-288-ASTP-288-BSTP-288-C)，只需写信去该字会(宾夕法尼亚洲19103费城，Race街1916号)并交费，便可索得五、曲率半径以下方程描述了两元件的双金属条的弯曲情况:曲率=喜-尸6(a-a)一(T止-To)(1+n竺T[3(1+m)2+(1+m.n)(ms+)]曲率的导数=此处:a和a2E和E26(a-a)(T-To)=(1+m)T(6+8m一In.m2+3n.m2)膨胀的温度系数(膨胀率)弹性模量t=金属条的厚度P=金属条的曲率半径T】和To=温度m=t八:n=EE2如果两种金属厚度相同，t=t2m二1，则二匕=24(a2-a)(T-To)Pt(14+n+1)如果弹性模量相同，E=E2n=1则(a2-a)(T-To)t2-3--1一p注意，曲率正比于膨胀性之差和温度变化，但反比于条材厚度。

厚度比对曲率半径有影响，果弹性模量相等，则在tt2=1时为最佳状况因为其对温度特性下影响最小.等厚曲率最大，温度特性-289-下降百分比最小，厚度越相近曲率越大，对温度特性影响越小曲率半径还受两个元件的弹性模量比的影响下面所示图线说明了两种金属的厚度比和曲率的关系，100%为可得到的最大曲率在最大曲率区内，在两个方向上元件厚度比的变化对温度特性影响不大例如，比值从OS变到2.0温度特性不会降到88%以下(在实用中厚度比要比此例更接近1)由于tt1所以E:#Ee双金属片的厚度和曲率关系曲线图(此略)两种元件之弹性模量相同的情况较少见，只偶尔才会有假定元件厚度相等，则弹性模量不等的影响示于附图温度特性对弹性模量比的敏感程度要比对最大曲率区中的元件厚度比的敏感性要小，对于上面例子中的数值即弹性模量比5变到2.0时，双金属的温度特性仅损失3%这一3%的损失，在实用中是通过采用较高百分比的弱合金，较低百分比的强合金来补偿的从而使双金属能达到100%最大曲率，因而能最大限度地工作六、挠性和热变形公制英制挠性F国标比变形f温曲率F挠性是双金属的最重要特性，是为变形率的一种度量它的定义是“单位厚度的试样的纵向中心线在单位温度变化时的曲率变化”，由下面的公式表示:1.挠性(英制)此处，瓜=(，瓜r一’瓜InT-TSBLZ+4Bt+4B2F=挠性R2R=曲率半径，英寸TVT=温度，ofT=厚度，英寸B二运动量，英寸2、比变形f(.风一’爪)t卜—T-TR8BL2+4Bt十413比变形f单位为.hoc3温曲率:GB4461-84P14(I氏-I瓜，)F=hT-TF=温曲率00y-cRR=曲率半径mmTT=温度℃h=厚度mmf=运动量mm挠性试验示意图(此略)在本文中所用的单位为英寸英寸0F。

在热变形和温度力的公式中有这一因素，即挠性，对于本文中所列的双金属，在500F-200F的温度范围内，挠性的变化为一21X10-(Tiuflexl513)至215X10-(TruflexP675)P675R是活动性最高的一种有许多双金属，其挠性与温度成线性关系:但多数双金属是非线性的，在某一温度范围内具有最高值机械和物理特性”表中列出了50F至200F的温度范围内的挠性〔得克萨斯仪器公司的标准试验范围及灵敏度最大的温度范围此外，“物理和机械性能一一公制单位”表列出了各型双金属包括本一290-文中的各型双金属从一1000下至十10000F之间的20个温度下的瞬时挠性用此表便能确定任何要求的温度范围内的平均挠性值七、弹性模量和机械力弹性模量(E)是衡量要用多少力将能使材料弯曲的尺度弹性模量越高，要求的力便越大，这里所用的单位为磅平方英寸计算任何构件在弯曲时的机械力用的公式(不管材料的形状以及是否双金属)内均有弹性模量(E)在本刊物中的70种材料的弹性模量范围是18.0X106(TruflexAU至28.5X106(TruflexBN)尽管弹性模量随温度各有变化，这种变化并不足以使我们执行不同于室温时的数值。

对于多数双金属来说，随着温度的增加，弹性模量是保持恒定的，因为低膨胀侧的模量在增大而高膨胀侧的模量则在减小双金属能做的功与挠性的平方及弹性模量成正比复合的双金属之弹性模量可由它的各元件之弹性模量和厚度计算出来挠性与温度的关系曲线图(此略)相对温度特性与温度的关系曲线图〔此略)对于有两种元件的情形:4E.{(t-e)+(C+EIEJ((t2+t-o)-(t-C.)T一-~~~~~~~一~~~~~，碑T3此处C=Et2+E2t2(2t+叻2(Et+Et)为能得到最大挠性因而得到最大的功，我们将元件的厚度选成与弹性模量的平方根成反比:tt2=(EE2).i2于是式6便简化为比较简单的关系式:E=4Et+4Et2T门此处，E=双金属的弹性模量E及E2=各元件的弹性模量t【和t2=各元件的厚度t”双金属的厚度对于有3层或多层的恒温器金属，曲率半径和弹性模量的式要复杂得多因此，得克萨斯仪器公司便写成计算机程序以便于新型恒温器金属的设计八、温度力如果双金属在受热或冷却时是完全受到约束的，它便产生一个力而不产生变形.所产生的这种力等于在零件能不受约束而自由地变形的情况下、将零件从弯曲状态矫回原来状态时所需的力。

因此，约束力取决于前面各段所说的挠性(F)与弹性模量(E)的乘积九、应力与温度的关系像许多其它特殊用途的材料那样，双金属也有它们的限制，一一其中最重要的是在不同温度下的允许工作应力双金属也如其它金属那样，随温度的升高而材料强度降低双金属内的应力要正确地加以分析是困难的，因为牵涉到的因素很复杂加工好的双金属元件内是有应力的，这种应力的原因是:I。