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        波形彈簧失效分析

         

        編者:安帛技術部 www.arbort.com   2012-1-9         

        一、引言

        彈簧行業在整個機械制造業當中雖然是一個小行業,但其所起到的作用是絕對不可低估的。隨著開放程度的不斷深入,在引進 國外先進機械制造業、汽車、石化及電力等工業裝備的同時,也引進了一些具有優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。

        波形彈簧簡稱波簧,是由若干波峰波谷構成的薄片環狀彈性金屬元件,廣泛應用于機械制造業、石油和化學工程、液壓設備,汽車和機車制造業、航空工業、制冷工程等行業,如:電機、壓縮機主機、流體閥、水閥、氣閥、汽車離合器、制動器、電器連接頭、軸承預壓裝置和補償裝置及軸密封、機械密封件等。

        普通的單層波形彈簧是一個金屬圓環上具有若干個峰谷的彈性元件,以前國內一般是沖壓制作,而多層波形彈簧看上去就是由若干個普通的單層波形彈簧組合而成的,區別在于它不是簡單疊加的,而是通過一種特殊的連續繞制工藝加工而成 ,繞制形式與圓柱螺旋彈簧相似。

        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(沖壓);

        單層搭接型,呈“O”形狀波形彈簧 (繞制);

        單層開口型呈“C”形狀波形彈簧;

        b、多層峰對峰式(串聯式)波形彈簧;

        c、多層疊峰式也稱嵌套式(并聯式);

        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。

        多層波形彈簧對峰式(串聯式):彈簧常數(N/mm)與材料厚度、寬度成正比,與波形彈簧圈數成反比,其主要應用于:大位移、中低彈力要求,是圓柱彈簧的替代品。嵌套式(并聯式): 彈簧常數(N/mm)與材料厚度、、寬度及并聯層數成正比,與波形彈簧圈數成反比 ,在產生巨大彈力的同時,還可以保持較好的精確特性,有些場合中嵌套式(并聯式)波形彈簧與碟形彈簧 具有同等效果。

        三、材料、溫度對疲勞失效影響

        就同一種材料而言:細晶粒組織的材料比粗晶粒組織的材料具有更高的屈服強度和疲勞彈度;表面強化處理的比未經過強化處理的疲勞壽命要高得多;材料表面粗糙度愈小,應力集中愈小,疲勞強度愈高;有冶金缺陷的材料疲勞壽命也就會大大降低,使彈簧提前產生疲勞失效。

        用普通彈簧鋼生產的波形彈簧具有彈性好,導電性、耐磨性強,正常溫度下(溫度<200℃時)彈簧疲勞失效處于正常范圍以內。但彈簧隨著溫度的增加,彈性會逐漸減小,失效現象將會明顯增加。

        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,同時不銹鋼還有著極高的耐腐蝕性, 有些不銹鋼有無磁性等特性。一般不銹鋼溫度大于300℃時 疲勞壽命時顯縮短,特殊不銹鋼有極高的耐腐蝕性、無磁性等特性,例如高溫合金inconel 718, inconel X-750,不但具有良好的耐腐蝕性能,而且在工作溫度高達650℃時 仍然具有較高的抗松弛性能和較高的勞壽命,是特殊工作場合下理想的彈簧材料。

        四、波形彈簧疲勞失效的預防

        下面是波形彈簧負荷、應力計算公式,我們可以通過公式計算,使波形彈簧在應力處于較低狀態下工作, 可明顯提高波形彈簧疲勞壽命,降低波形彈簧疲勞失效風險。

        1 單層波形彈簧計算公式:

                      f=PKDm/Ebt3N4*ID/OD;       S=3IIPDm/4bt2N2 

        2) 多層串聯式或稱峰對峰式波形彈簧計算公式;

                      f=PKDm3Z/Ebt3N4*ID/OD ;     S=3IIPDm/4bt2N2  

        (3)多層疊峰式也稱嵌套式或稱并聯式波形彈簧計算公式;

                      f=PKDm3/Ebt3N4Z*IDOD  ;     S=3IIPDm/4bt2N2

        式中:   f=位移;      P=負荷;       K=多圈系數;     Dm=平均直徑;

        Z=圈數;     E=彈性模量;   b=材料寬度;     t=材料厚度;

        N=波數;     ID=內圓直徑;  OD=外圓直徑;    S=彎曲應力;

        通過選擇適當的材料,加工工藝,合理的使用,波形彈簧往復壓縮的疲勞壽命可達100萬次以上。我公司生產的外徑D=137mm、內徑d=125mm、厚度t=0.8mm、波峰高度H=6mm、當工作位移3.5mm時、工作力值F=1225N該規格波形彈簧經過某石化企業三年多的使用,該彈簧壽命達了180萬次,有的壽命甚至更高。

        故我們在設計波形彈簧時應根據負荷、位移選擇合理的波峰高度和材料厚度, 根據工作環境選擇適當的彈簧材料,有效控制波形彈簧的應力,利用可調整的波數更加有效控制波形彈簧疲勞失效。

         

         

         

         

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