閥彈簧失效分析及解決辦法

付 鵬（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧　沈陽(yáng)　110144）

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閥彈簧失效分析及解決辦法

付 鵬
（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110144）

摘要：閥彈簧是閥門(mén)的重要部件，保證閥門(mén)的開(kāi)閉性能。工業(yè)應(yīng)用部分彈簧未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，通過(guò)理論校核、有限元仿真方法，分析彈簧失效原因，找到提高壽命的方法。

關(guān)鍵詞：彈簧；壽命；失效；有限元

閥彈簧的作用是壓緊閥盤(pán)，減小關(guān)閉滯后，促進(jìn)閥門(mén)密封。彈簧設(shè)計(jì)壽命60天，在某一現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行30天左右，彈簧發(fā)生斷裂，影響到閥門(mén)性能。本文將校核這一彈簧的設(shè)計(jì)壽命，輔以有限元仿真，分析提前失效的原因，并提出解決辦法。

1 彈簧尺寸參數(shù)

根據(jù)圖紙，該彈簧為圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧，材料直徑d＝9mm，有效圈數(shù)n＝7，總?cè)?shù)n1＝n＋1.5，端部磨平，支撐圈3/4圈，彈簧中徑D＝110mm，自由高度H0＝227mm，最小工作載荷高度H1＝154mm，最大工作載荷高度Hn＝124mm；材料為60Si2Mn，熱處理硬度為45HRC～55HRC；該材質(zhì)切變模量G＝78GPa，彈性模量E＝196GPa，推薦硬度45HRC～50HRC。

2 運(yùn)行參數(shù)計(jì)算

彈簧剛度

最小工作載荷P1＝（H0-H1）×P′＝（227-154）×6.8659＝501.2N

最大工作載荷Pn＝（H0-Hn）×P′＝（227-124）×6.8659＝707.2N

3 彈簧的穩(wěn)定性、強(qiáng)度的驗(yàn)算

載荷作用次數(shù)，按連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60天，40 次/分種計(jì)算N＝40×60×24×60＝3456000＝3.456E6次

此冷卷彈簧按受循環(huán)載荷介于Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)彈簧之間，暫時(shí)按Ⅱ類(lèi)彈簧分析。

（1）壓彈簧穩(wěn)定性驗(yàn)算

高徑比

彈簧兩端回轉(zhuǎn)要求b≤2.6，穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

（2）彈簧靜強(qiáng)度驗(yàn)算

彈簧材料的強(qiáng)度極限σb＝1274MPa

彈簧材料的屈服極限τs＝1.12× （0.50×σb）＝1.12×0.5×1274＝713.4MPa

計(jì)算用系數(shù)C＝D/d＝12.22，K＝1.117

最大工作載荷所產(chǎn)生的最大切應(yīng)力

靜強(qiáng)度安全系數(shù)

許用安全系數(shù)（設(shè)計(jì)計(jì)算和材料試驗(yàn)精確度低時(shí)）Sp＝1.8～2.2≤S，靜強(qiáng)度合格。

（3）彈簧疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算

彈簧在脈動(dòng)循環(huán)載荷下的剪切疲勞強(qiáng)度τ0＝0.33×σb＝0.33×1274＝420.4MPa

最小工作載荷所產(chǎn)生的最小切應(yīng)力

疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)

許用安全系數(shù)Sp＝1.8～2.2≈S，疲勞強(qiáng)度基本合格。

4 有限元強(qiáng)度分析

按前文的尺寸建模，為了查看不同位置應(yīng)力結(jié)果，整個(gè)彈簧分為3段，如圖2所示，實(shí)體之間綁定，底面全約束，頂面加壓縮量。

控制網(wǎng)格劃分，單元大小約3mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)約8萬(wàn)。

當(dāng)頂面壓縮量為73mm（最小工作載荷狀態(tài)）時(shí)，中間段最大應(yīng)力373.3MPa，如圖3所示。

當(dāng)頂面壓縮量為103mm（最大工作載荷狀態(tài)）時(shí)，中間段最大應(yīng)力526.7MPa，如圖4所示。

中間段最大切應(yīng)力τ′max＝303.7MPa，如圖5所示。

冷卷的油淬火-回火彈簧鋼絲，作用次數(shù)N介于106～107次，可以根據(jù)使用情況參照有限或無(wú)限疲勞壽命設(shè)計(jì)。

有限疲勞壽命的許用切應(yīng)力（0.40～0.50）σb，

無(wú)限疲勞壽命的許用切應(yīng)力（0.35～0.40）σb，

取中間值許用切應(yīng)力τp＝0.4σb＝0.4×1274＝509.6MPa

最大工作載荷時(shí)切應(yīng)力值τ′max＝303.7MPa＜τp，彈簧的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

5 彈簧失效分析

按照正常計(jì)算，不考慮原材料質(zhì)量、工作溫度、產(chǎn)品缺陷、熱處理工藝的影響，閥彈簧的壽命在60天以上，但現(xiàn)在部分彈簧的壽命只有30天，可能的原因如下：

（1）60Si2Mn材料不滿(mǎn)足所用工況，鋼絲的分類(lèi)見(jiàn)表1。

靜態(tài)級(jí)鋼絲適用于一般用途彈簧，以FD表示；

中疲勞級(jí)鋼絲用于離合器彈簧、懸架彈簧等，以TD表示；

高疲勞級(jí)鋼絲適用于劇烈運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，例如用于閥門(mén)彈簧，以VD表示。

FDSiMn（60Si2Mn）屬靜態(tài)級(jí)鋼絲，不適用于較高疲勞運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。

（2）熱處理硬度偏高、脫碳等原因造成彈簧脆斷。

（3）含高濃度顆粒的料漿高速?zèng)_蝕、堿性環(huán)境腐蝕等原因造成彈簧表面破壞、受外力失穩(wěn)、壽命降低。

（4）彈簧熱處理工藝不良、產(chǎn)品缺陷等造成部分彈簧壽命偏低。

6 提高彈簧使用壽命的方法

（1）換更好的材質(zhì)，TDSi Mn（60Si2MnA）鋼絲可以用于低沖擊低應(yīng)力工況和有限壽命，高沖擊惡劣工況下最好使用TDCrV（50CrVA）鋼絲甚至VDCrV（50CrVA）鋼絲；

（2）控制合理的熱處理工藝，在強(qiáng)度、表面硬度、韌性等方面取得均衡，如果脫碳嚴(yán)重要加以保護(hù)；

（3）控制原料及生產(chǎn)過(guò)程，提高彈簧質(zhì)量；

（4）適當(dāng)減小彈簧自由高度，以提高穩(wěn)定性和強(qiáng)度安全系數(shù)。

表1

參考文獻(xiàn)

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中圖分類(lèi)號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A