波形彈簧疲勞失效分析與預(yù)防

一、引言

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)，但其所起到的不可低估的。隨著開(kāi)放程度的不斷深入，在引進(jìn)的機(jī)械制造業(yè)、汽車(chē)、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(guò)一種特殊的連續(xù)繞制工藝加工而成。

二、分類(lèi)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(kāi)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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/ODS=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(guò)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(wàn)次，正常在100萬(wàn)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(guò)某石化企業(yè)三年多的使用，該彈簧壽命達(dá)了180萬(wàn)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。