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彈簧_波形彈簧疲勞失效分析與預(yù)防

發(fā)布于:2023-08-07 14:02:20
波形彈簧疲勞失效分析與預(yù)防
  彈簧行業(yè)在整個(gè)機(jī)械制造業(yè)當(dāng)中雖然是一個(gè)小行業(yè),但其所起到的作用是絕對(duì)不可低估的。隨著開放程度的不斷深入,在引進(jìn)的機(jī)械制造業(yè)、汽車、石化及電力等工業(yè)裝備在國(guó)內(nèi)得到了大量的應(yīng)用。相應(yīng)地我們也了解一些具有優(yōu)越性能的新型零部件,多層波形彈簧就屬于一種較新的彈性元件。
  普通的單層波形彈簧是一個(gè)金屬圓環(huán)上具有若干個(gè)峰谷的彈性元件。而多層波形彈簧看上去就是由若干個(gè)普通的單層波形彈簧組合而成的,區(qū)別在于它不是簡(jiǎn)單疊加的,而是通過一種特殊的連續(xù)繞制工藝加工而成。
  二、分類與工作原理
  波形彈簧通常分為:
  a、單層波形彈簧: 單層封閉型呈‘O’形狀波形彈簧、 單層開口型呈‘C’形狀波形彈簧;
  b、多層峰對(duì)峰式(串聯(lián)式)波形彈簧;
  c、多層疊峰式也稱嵌套式(并聯(lián)式);
  單層波形彈簧:適用于短位移和中低彈力的工作條件、具有很好的可靠性和較高工作原理:波形彈簧具有圓柱彈簧和碟形彈簧的雙重工作原理的精確度。
  多層波形彈簧對(duì)峰式(串聯(lián)式):彈力值與圈數(shù)成反對(duì)比,其主要應(yīng)用于:大位移、中低彈力要求,是圓柱彈簧的替代品。嵌套式(并聯(lián)式):彈簧的力值與圈數(shù)成正比,在發(fā)生巨大彈力的同時(shí),還可以保持波形彈簧所有的精確特性,在許多場(chǎng)合中可以用嵌套式(并聯(lián)式)波形彈簧代替碟形彈簧使用。
  三、材料、溫度對(duì)疲勞失效影響
  就同一種材料而言:細(xì)晶粒組織的材料比粗晶粒組織的材料具有更高的屈服強(qiáng)度和疲勞彈度;表面強(qiáng)化處理的比未經(jīng)過強(qiáng)化處理的疲勞壽命要高得多;材料表面粗糙度愈小,應(yīng)力集中愈小,疲勞強(qiáng)度愈高;有冶金缺陷的材料疲勞壽命也就會(huì)大大降低,使彈簧提前產(chǎn)生疲勞失效。
  用普通彈簧鋼生產(chǎn)的波形彈簧具有彈性好,導(dǎo)電性、耐磨性強(qiáng),正常溫度下(溫度?200?時(shí))彈簧疲勞失效處于正常范圍以內(nèi)。但彈簧隨著溫度的增加,彈性會(huì)逐漸減小,失效現(xiàn)象將會(huì)明顯增加。
  不銹鋼材料加工的波形彈簧具有較高的疲勞壽命和良好的抗松弛性,同時(shí)不銹鋼還有著極高的耐腐蝕性,無磁性等特性。一般不銹鋼溫度大于400?時(shí)就產(chǎn)生失效現(xiàn)象,特殊不銹鋼極高的耐腐蝕性、無磁性等特性、特殊不銹鋼工作溫度達(dá)到650?時(shí)還具備較高的抗松弛和疲勞性,是特殊工作場(chǎng)合下無法取代的材料。
  四、波形彈簧疲勞失效的預(yù)防
  下面是波形彈簧負(fù)荷、應(yīng)力計(jì)算公式,我們可以通過公式將波形彈簧應(yīng)力設(shè)計(jì)在低應(yīng)力狀態(tài)下使用,波形彈簧疲勞失效就不明顯了。
 (1) 單層波形彈簧計(jì)算公式:
  f=PKDm/Ebt3N4*ID/OD S=3IIPDm/4bt2N2 ;
 (2)多層串聯(lián)式或稱峰對(duì)峰式波形彈簧計(jì)算公式;
  f=PKDm3Z/Ebt3N4*ID/OD ; S=3IIPDm/4bt2N2 ;
  (3)多層疊峰式也稱嵌套式或稱并聯(lián)式波形彈簧計(jì)算公式;
  F=PKDm3/Ebt3N4Z*IDOD ; S=3IIPDm/4bt2N2Z ;
  式中: f=位移; P=負(fù)荷; K=多圈系數(shù); Dm=平均直徑;
  Z=圈數(shù); E=彈性模量; b=材料寬度; t=材料厚度;
  N=波數(shù); ID=內(nèi)圓直徑;OD=外圓直徑; S=彎曲應(yīng)力;
  我們通過對(duì)波形彈簧進(jìn)行疲勞試驗(yàn)得出波形彈簧的疲勞壽命遠(yuǎn)大于五十萬次,正常在100萬次以上。我公司生產(chǎn)的外徑D=137mm、內(nèi)徑d=125mm、厚度t=0.8mm、波峰高度H=6mm、當(dāng)工作位移3.5mm時(shí)、工作力值F=1225N該規(guī)格波形彈簧經(jīng)過某石化企業(yè)三年多的使用,該彈簧壽命達(dá)了180萬次,有的壽命甚至更高。
  故我們?cè)谠O(shè)計(jì)波形彈簧時(shí)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷、位移選擇合理的波峰高度和材料厚度,有效控制波形彈簧的應(yīng)力,利用可調(diào)整的波數(shù)更加有效控制波形彈簧疲勞失效。


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