波形弹簧疲劳失效分析与预防

波形弹簧疲劳失效分析与预防
一、引言弹簧行业在整个机械制造业当中虽然是一个小行业，但其所起到的作用是绝对不可低估的。随着开放程度 的不断深入，在引进的机械制造业、汽车、石化及电力等工业装备在国内得到了大量的应用。相应地我们也了解一些具有优越性能的新型零部件，多层波形弹簧就属于一种较新的弹性元件。  普通的单层波形弹簧是一个金属圆环上具有若干个峰谷的弹性元件。而多层波形弹簧看上去就是由若干个普通的单层波形弹簧组合而成的，区别在于它不是简单叠加的，而是通过一种特殊的连续绕制工艺加工而成。
二、分类与工作原理
波形弹簧通常分为：a、单层波形弹簧、 单层封闭型呈“O”形状波形弹簧、单层开口型呈“C”形状波形弹簧；b、多层峰对峰式（串联式）波形弹簧；c、多层叠峰式也称嵌套式（并联式）；单层波形弹簧：适用于短位移和中低弹力的工作条件、具有很好的可靠性和较高工作原理：波形弹簧具有圆柱弹簧和碟形弹簧的双重工作原理的精确度。多层波形弹簧对峰式（串联式）：弹力值与圈数成反对比，其主要应用于：大位移、中低弹力要求，是圆柱弹簧的替代品。嵌套式（并联式）：弹簧的力值与圈数成正比，在发生巨大弹力的同时，还可以保持波形弹簧所有的精确特性，在许多场合中可以用嵌套式（并联式）波形弹簧代替碟形弹簧使用。
三、材料、温度对疲劳失效影响就同一种材料而言：细晶粒组织的材料比粗晶粒组织的材料具有更高的屈服强度和疲劳弹度；表面强化处理的比未经过强化处理的疲劳寿命要高得多；材料表面粗糙度愈小，应力集中愈小，疲劳强度愈高；有冶金缺陷的材料疲劳寿命也就会大大降低，使弹簧提前产生疲劳失效。用普通弹簧钢生产的波形弹簧具有弹性好，导电性、耐磨性强，正常温度下（温度200时）弹簧疲劳失效处于正常范围以内。但弹簧随着温度的增加，弹性会逐渐减小，失效现象将会明显增加。
不锈钢材料加工的波形弹簧具有较高的疲劳寿命和良好的抗松弛性，同时不锈钢还有着极高的耐腐蚀性，无磁性等特性。一般不锈钢温度大于400时就产生失效现象，特殊不锈钢极高的耐腐蚀性、无磁性等特性、特殊不锈钢工作温度达到650时还具备较高的抗松弛和疲劳性，是特殊工作场合下无法取代的材料。

四、波形弹簧疲劳失效的预防

下面是波形弹簧负荷、应力计算公式，我们可以通过公式将波形弹簧应力设计在低应力状态下使用，波形弹簧疲劳失效就不明显了。  
（1）单层波形弹簧计算公式：f=PKDm/Ebt3N4*ID/OD              
S=3IIPDm/4bt2N2；
（2）多层串联式或称峰对峰式波形弹簧计算公式；f=PKDm3Z/Ebt3N4*ID/OD;     S=3IIPDm/4bt2N2   
(3)多层叠峰式也称嵌套式或称并联式波形弹簧计算公式；F=PKDm3/Ebt3N4Z*IDOD; S=3IIPDm/4bt2N2Z;
 式中：f=位移；P=负荷；K=多圈系数；Dm=平均直径；Z=圈数；E=弹性模量；b=材料宽度；
t=材料厚度；N=波数；ID=内圆直径；OD=外圆直径；S=弯曲应力；我们通过对波形弹簧进行疲劳试验得出波形弹簧的疲劳寿命远大于五十万次，正常在100万次以上。我公司生产的外径D=137mm、内径d=125mm、厚度t=0.8mm、波峰高度H=6mm、当工作位移3.5mm时、工作力值F=1225N该规格波形弹簧经过某石化企业三年多的使用，该弹簧寿命达了180万次，有的寿命甚至更高。
故我们在设计波形弹簧时应根据负荷、位移选择合理的波峰高度和材料厚度，有效控制波形弹簧的应力，利用可调整的波数更加有效控制波形弹簧疲劳失效。