閥彈簧失效分析及解決辦法

付 鵬（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧　沈陽　110144）

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閥彈簧失效分析及解決辦法

付 鵬
（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧沈陽110144）

摘要：閥彈簧是閥門的重要部件，保證閥門的開閉性能。工業應用部分彈簧未達到設計壽命，通過理論校核、有限元仿真方法，分析彈簧失效原因，找到提高壽命的方法。

關鍵詞：彈簧；壽命；失效；有限元

閥彈簧的作用是壓緊閥盤，減小關閉滯后，促進閥門密封。彈簧設計壽命60天，在某一現場運行30天左右，彈簧發生斷裂，影響到閥門性能。本文將校核這一彈簧的設計壽命，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

根據圖紙，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n＝7，總圈數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；該材質切變模量G＝78GPa，彈性模量E＝196GPa，推薦硬度45HRC～50HRC。

2 運行參數計算

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 彈簧的穩定性、強度的驗算

載荷作用次數，按連續運轉60天，40 次/分種計算N＝40×60×24×60＝3456000＝3.456E6次

此冷卷彈簧按受循環載荷介于Ⅰ類和Ⅱ類彈簧之間，暫時按Ⅱ類彈簧分析。

（1）壓彈簧穩定性驗算

高徑比

彈簧兩端回轉要求b≤2.6，穩定性滿足要求。

（2）彈簧靜強度驗算

彈簧材料的強度極限σb＝1274MPa

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

計算用系數C＝D/d＝12.22，K＝1.117

最大工作載荷所產生的最大切應力

靜強度安全系數

許用安全系數（設計計算和材料試驗精確度低時）Sp＝1.8～2.2≤S，靜強度合格。

（3）彈簧疲勞強度驗算

彈簧在脈動循環載荷下的剪切疲勞強度τ0＝0.33×σb＝0.33×1274＝420.4MPa

最小工作載荷所產生的最小切應力

疲勞強度安全系數

許用安全系數Sp＝1.8～2.2≈S，疲勞強度基本合格。

4 有限元強度分析

按前文的尺寸建模，為了查看不同位置應力結果，整個彈簧分為3段，如圖2所示，實體之間綁定，底面全約束，頂面加壓縮量。

控制網格劃分，單元大小約3mm，節點數約8萬。

當頂面壓縮量為73mm（最小工作載荷狀態）時，中間段最大應力373.3MPa，如圖3所示。

當頂面壓縮量為103mm（最大工作載荷狀態）時，中間段最大應力526.7MPa，如圖4所示。

中間段最大切應力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N介于106～107次，可以根據使用情況參照有限或無限疲勞壽命設計。

有限疲勞壽命的許用切應力（0.40～0.50）σb，

無限疲勞壽命的許用切應力（0.35～0.40）σb，

取中間值許用切應力τp＝0.4σb＝0.4×1274＝509.6MPa

最大工作載荷時切應力值τ′max＝303.7MPa＜τp，彈簧的強度滿足要求。

5 彈簧失效分析

按照正常計算，不考慮原材料質量、工作溫度、產品缺陷、熱處理工藝的影響，閥彈簧的壽命在60天以上，但現在部分彈簧的壽命只有30天，可能的原因如下：

（1）60Si2Mn材料不滿足所用工況，鋼絲的分類見表1。

靜態級鋼絲適用于一般用途彈簧，以FD表示；

中疲勞級鋼絲用于離合器彈簧、懸架彈簧等，以TD表示；

高疲勞級鋼絲適用于劇烈運動的場合，例如用于閥門彈簧，以VD表示。

FDSiMn（60Si2Mn）屬靜態級鋼絲，不適用于較高疲勞運動場合。

（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沖蝕、堿性環境腐蝕等原因造成彈簧表面破壞、受外力失穩、壽命降低。

（4）彈簧熱處理工藝不良、產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，TDSi Mn（60Si2MnA）鋼絲可以用于低沖擊低應力工況和有限壽命，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，在強度、表面硬度、韌性等方面取得均衡，如果脫碳嚴重要加以保護；

（3）控制原料及生產過程，提高彈簧質量；

（4）適當減小彈簧自由高度，以提高穩定性和強度安全系數。

表1

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2] JB/T 6399-1992，重型機械用彈簧鋼[S].

[3] GB/T 1239-1976，圓柱螺旋彈簧設計計算[S].

[4] GB/T 18983-2003，油淬火-回火彈簧鋼絲[S].

中圖分類號：TH137

文獻標識碼：A