影响弹簧失效的主要因素及其预防措施

2022-09-11

1 弹簧的重要性

弹簧是机械产品中的基础件之一, 它在工作过程中, 起到缓冲平衡, 储存能量, 自动控制, 回位定位, 安全保险等作用。它广泛应用于航空航天, 国防装备, 机电设备, 仪器仪表, 石油化工, 交通能源当中。它是保证机器正常运转, 提高设备使用效率, 避免发生灾难事故的关键零件。但是, 弹簧的过早断裂, 腐蚀, 变形等失效形式, 在各种机械及仪表的使用过程中经常发生。例如, 我国在一次飞行演习中, 一个支承炸弹的弹簧发生突然断裂, 炸弹失落, 造成了严重的事故。又如, 卫星的太阳能叶片控制器弹簧失效, 卫星就无法摄取能量, 导致地对空失去控制;飞机起落架的弹簧失效, 飞机就难以着陆;大炮击发器弹簧失效, 会贻误战机;钟表发条的实效, 钟表就会停摆;机动车辆刹车和悬挂弹簧失效, 将造成车毁人亡的后果;电厂和石化用的高压阀门弹簧失效将引起爆炸, 火灾等等。因此, 提高弹簧的质量无疑是十分重要的。

2 影响弹簧失效的主要因素及预防措施

2.1 弹簧疲劳断裂失效

弹簧零件的疲劳断裂往往是从某一微小的表面缺陷开始, 在交变载荷作用下逐渐出现一个微细裂纹, 这些细小裂纹经过一定的应力循环次数后便导致疲劳失效。

2.1.1 材料缺陷引起的弹簧疲劳失效

弹簧材料在轧制与拉拔等过程中往往容易产生各种表面缺陷:如裂纹、刻痕、斑疤、折叠、凹坑、微缩孔、脱碳及各种夹杂物等。在循环应力的作用下这些缺陷可成为先天的疲劳裂纹源, 从而导致弹簧的早期失效。实例:60Si2Mn钢制造的40t货车的摇枕簧在使用过程中发生了断裂。表面检查表明, 热处理时产生了横向微裂纹, 它们位于弹簧内表面处, 由此提供了先天的疲劳源, 并造成了疲劳断裂。

2.1.2 设计不当造成弹簧失效

弹簧的断裂失效时由于高应力造成的, 为了防止这种失效, 在设计弹簧时选取的工作应力不宜过高, 分布要均匀, 并且应避免尖角或“死弯”。这些是弹簧设计的主要要求。实例:某某型翻斗载重汽车后钢板弹簧在行驶了7500多公里以后发生了钢板弹簧严重断裂事故。经研究发现, 总数有60片弹簧发生了断裂, 主要集中在每付弹簧的第1、2片, 断口均分布在距端头200mm~250mm处。这是由于钢板弹簧单片长度设计不合理, 造成了第二, 三片间的级差过大, 使板簧上承受的压力很不均匀, 在第二片的近端部形成了高应力区, 造成了这批板簧的早期疲劳失效。

预防措施如下。

(1) 提高弹簧的表面质量, 清除麻坑等缺陷。

(2) 适当提高回火温度, 减少组织应力。

(3) 改进设计, 提高弹簧板的冶金质量。

2.2 工作环境对弹簧失效的影响

弹簧的工作环境是多种多样的, 在生产中, 有些弹簧是在腐蚀环境下工作的。在腐蚀环境中存在交变或反复应力时产生的腐蚀疲劳现象, 并且这种环境加速裂纹的萌生和扩展, 因而显著降低弹簧的疲劳性能。实例:某工厂排污泵上的水轮簧, 使用不到一个月时间里发生了断裂现象。宏观分析:大部分弹簧都是在一端发生断裂, 即第1~2个弹簧处, 对第1~2个弹簧圈并紧处的表面进行了观察, 发现钢丝有许多腐蚀留下的凹坑, 表面接触处有摩擦痕迹及蚀坑。这表明弹簧在水的浸蚀下, 已经发生腐蚀, 所以该簧在循环应力和腐蚀的交互作用下发生了腐蚀疲劳失效。

预防措施如下。

(1) 选择一种抗腐蚀的材料来制造弹簧, 比如:不锈钢丝, 铬钒钢丝等等。

(2) 在弹簧表面镀一种保护层, 如:镀锌, 镀铬等。

2.3 热处理不当对弹簧失效的影响

弹簧在加热或冷却期间表面和中心温度分布不均匀, 引起热应力和组织应力, 其总值超过材料的强度极限, 导致开裂。这种缺陷多见于尺寸较大的在水中淬火的弹簧, 其裂纹产生后无法修复只能报废。实例:X X厂60Si2Mn A热成型弹簧, d=25, D=120, n=5, n1=7, 在温度900℃~950℃卷制成型, 卷后一次淬火, 470℃~490℃回火。装车使用后弹簧连续几次发生早期失效。对已失效的弹簧进行检查, 发现个别弹簧出现淬火裂纹, 经炉气成分分析发现, 大约有一个月煤气成分不当, 发热量偏高, 使炉温过高, 个别弹簧过热, 奥氏体晶粒粗大, 水中淬火后出现淬火裂纹, 由于水的冷却能力强, 奥氏体向马氏体转变时迅速冷却, 使弹簧表面与心部温差增大, 表面到中心奥氏体转变的先后不同, 引起很大的组织应力, 因而出现裂纹。

预防措施如下。

(1) 控制炉温, 定期分析加热煤气成分, 保证热量供应。

(2) 为了减少变形, 控制弹簧在加热炉中的运转速度。

(3) 除了尺寸过大的热成形弹簧外, 一般热成形弹簧淬火介质采用在油中冷却。

2.4 使用不合理对弹簧失效的影响

弹簧使用中常出现的问题, 是在接近或超过极限载荷下使用或保护不当造成的。有5点要说明:第一, 载荷设计点选在弹簧的极限载荷;在一些军用产品中, 特别是飞行器等产品中, 为了节省空间, 无法安装最佳弹簧的几何尺寸和数量, 只好选用弹簧的极限载荷为计点, 造成弹簧过早失效, 寿命降低。第二, 弹簧安装孔或安装槽的深度不够, 造成弹簧变形失效。第三, 在产品的同一截面上, 安装不同高度或不同变形量的弹簧, 造成弹簧工作时承受载荷不均匀, 形成局部应力集中而失效。第四, 用户为了产品改型安装方便而私自磨削或截割弹簧, 使弹簧在工作状态下工作, 造成弹簧早期失效破坏。第五, 在维护时, 仅更换同一截面若干个弹簧中的一个或几个, 即新、旧弹簧混装, 造成承载大小不均, 引起承受载荷大的弹簧失效。

预防措施如下。

(1) 要向用户介绍同种弹簧在不同变形量下工作会达到不同的疲劳, 不要在接近或超过弹簧极限载荷下工作。

(2) 设计合理的安装孔和芯轴尺寸孔, 孔的尺寸不宜过大, 也不宜过小。孔的底部应平坦, 根部加工成直角, 以保证弹簧簧圈受力均匀。

(3) 用户不要随意改变弹簧的几何尺寸, 如减小高度、圈数, 磨削内、外经等, 若私自更改都会引起早期弹簧失效。

摘要：本文介绍了弹簧在机械行业中的重要性, 并举例说明四种因素对弹簧失效的影响, 提出了弹簧失效的预防措施。

关键词：弹簧,失效