波形彈簧疲勞失效分析與預防

一、引言

彈簧行業(yè)在整個機械制造業(yè)當中雖然是一個小行業(yè)，但其所起到的作用是不可低估的。隨著開放程度的不斷深入，在引進的機械制造業(yè)、汽車、石化及電力等工業(yè)裝備在國內得到了大量的應用。相應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金屬圓環(huán)上具有若干個峰谷的彈性元件。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(qū)別在于它不是簡單疊加的，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。

多層波形彈簧對峰式（串聯(lián)式）：彈力值與圈數成反對比，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(lián)式）：彈簧的力值與圈數成正比，在發(fā)生巨大彈力的同時，還可以保持波形彈簧所有的精確特性，在許多場合中可以用嵌套式（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(xiàn)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，無磁性等特性。一般不銹鋼溫度大于400？時就產生失效現(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到650？時還具備較高的抗松弛和疲勞性，是特殊工作場合下無法取代的材料。

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，我們可以通過公式將波形彈簧應力設計在低應力狀態(tài)下使用，波形彈簧疲勞失效就不明顯了。

（1） 單層波形彈簧計算公式：f=PKDm/Ebt3N4*ID/ODS=3IIPDm/4bt2N2；

（2）多層串聯(lián)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(lián)式波形彈簧計算公式；F=PKDm3/Ebt3N4Z*IDOD；S=3IIPDm/4bt2N2Z；

　　 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；

我們通過對波形彈簧進行疲勞試驗得出波形彈簧的疲勞壽命遠大于五十萬次，正常在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(guī)格波形彈簧經過某石化企業(yè)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，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。