Исследование релаксационной стойкости винтовых цилиндрических пружин при длительной выдержке под нагрузкой

МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 62-272.22

Исследование релаксационной стойкости винтовых цилиндрических пружин при длительной выдержке под нагрузкой

В. П. Белогур, В. В. Ворошилин, Г. А. Данилин, А. В. Титов, Ю. С. Кукуня

Среди большого разнообразия упругих элементов наибольшее применение в изделиях машиностроения получили пружины. Для безотказной и долгосрочной работы в изделиях ответственного назначения пружины должны обладать высокими эксплуатационными свойствами. При этом важно понимать, какими свойствами будет обладать пружина, постоянно испытывающая нагрузки, спустя определенный срок эксплуатации. Для решения этой задачи было проведено исследование, которое заключалось в выдержке винтовых пружин сжатия и кручения в течение 8192 суток (около 22,4 года) под нагрузкой. С определенной периодичностью пружины разгружали и производили контроль силовых характеристик. На основе изменения силовой характеристики был сделан вывод о релаксации пружин в течение длительной выдержки под нагрузкой, а также была оценена релаксационная стойкость пружинных сталей 60С2А и 65С2ВА.

Ключевые слова: винтовая пружина сжатия, винтовая пружина кручения, выдержка во времени, релаксация, индекс пружины, рабочие напряжения, максимальные напряжения, сталь 60C2A, сталь 65C2ВА.

Введение

В машиностроении широко применяются разнообразные упругие элементы: пружины, рессоры, торсионы, гибкие валы и т. д. Упругими элементами называют гибкие детали, основным рабочим свойством которых является способность существенно деформироваться под нагрузкой, а после снятия нагрузки — восстанавливать свои размеры. Упругие элементы используются в машинах, приборах и механизмах. Среди разнообразия упругих элементов наибольшее применение в изделиях машиностроения получили пружины (рис. 1). Они применяются в качестве амортизаторов в подвеске автомобилей и различных машин, предохранительных и возвратных механизмов в клапанах для предотвращения удара и обеспечения обратного хода, в качестве блокирующих, открывающих и закрывающих механизмов в оружии и системах вооружений и т. д. Для безотказной и долгосрочной работы в таких механизмах пружины должны обладать высокими эксплуатационными

свойствами, которые обеспечиваются применением специальных сталей и сплавов, например 65С2ВА, 12Х18Н10Т, ХН77ТЮР, ВТ16, ВТ23, ТС6. Эксплуатационные свойства и характеристики оцениваются на готовых изделиях путем контроля геометрических размеров, силовых характеристик и проведением циклических испытаний. При этом важно понимать, какими свойствами будет обладать пружина, постоянно испытывающая нагрузки, спустя определенный срок эксплуатации. Прогнозировать изменения эксплуатационных характеристик пружин в процессе длительной нагрузки сложно, поскольку для этого требуются продолжительные прямые наблюдения.

Рис. 1. Упругие элементы

№ 3(81)/2014

Однако было запланировано и проведено экспериментальное исследование, направленное на оценку изменения эксплуатационных свойств пружин при длительном нагружении. В 1991 г. была заложена на длительное на-гружение партия винтовых цилиндрических пружин сжатия и кручения из углеродистых легированных сталей.

Экспериментальное исследование

Программа проведения испытаний на длительное нагружение (22,4 года = 8192 суток) отличается большим многообразием исследуемых факторов, потенциально влияющих на потерю несущей способности (релаксации напряжений) в процессе хранения, основными среди которых являются:

• марка пружинной стали;

• уровень напряжений (рабочих Т2 и максимальных Т3);

• твердость;

• индекс пружины.

Релаксация напряжений — изменение напряжений в теле во времени при постоянной деформации — определяется по формуле

Рис. 2. Винтовая цилиндрическая пружина сжатия

где И — релаксация напряжений; —к — усилие, контролируемое по окончании испытания; Fí — усилие, контролируемое до начала испытания.

Для исследования были изготовлены винтовые цилиндрические пружины сжатия и кручения из сталей 60С2А и 65С2ВА по стандартной технологии:

• навивка вхолодную;

• термическая обработка (на требуемую твердость);

• дробеструйная обработка;

• заневоливание.

Эскиз винтовой пружины сжатия представлен на рис. 2, параметры пружин приведены в табл. 1. Варианты изготовления пружин сжатия по уровню максимальных напряже--к ний тз (классификация по ГОСТ 13764-86):

I класс — 56 кгс/мм2;

Таблица 1

Конструктивные параметры пружин сжатия и условия их нагружения при длительном нагружении в отапливаемом помещении

И = -к -н 100 %,

Марка пружинной стали Максимальные касательные напряжения при кручении тз, кгс/мм2 Индекс пружины 1 Условия нагружения (коэффициент Класс пружин по классификации ГОСТ 13764-86 Длина в свободном состоянии Ь0, мм Наружный диаметр В, мм Шаг t, мм Диаметр проволоки в, мм

56 6 1 102 34,5 8,1

96 6 2 129 34,5 10,4

135 6 3 154 34,5 12,4

65С2ВА 87 4 1,0; 0,9; 0,8; 2 91 25,0 7,2 5,0

87 8 0,7; 0,6 2 192 45,5 15,6

87 10 2 273 55,0 22,3

123 4 3 115,5 25,0 9,2

123 10 3 349 55,0 28,5

56 6 1 32,8 11,2 2,6

96 6 2 41,4 11,2 3,3

135 6 3 49,8 11,2 4,0

87 4 1,0; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6 2 29,1 8,0 2,3

60С2А 87 8 2 60,4 14,4 4,9 1,6

87 10 2 84,4 17,6 6,9

123 4 3 32,5 8,0 2,6

123 8 3 75,8 14,4 6,2

123 10 3 110,8 17,6 9,1

№ 3(81)/2014

31В

11ЕШ1100ЬРАБ0ТКА

II класс — 96 кгс/мм2;

III класс — 135 кгс/мм2.

Варианты рабочих напряжений Т2 (ü2) определялись долей от максимальных расчетных напряжений

K = Т2

т3 а3 '

составляющей соответственно 1,0; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6. В целях определения влияния индекса на статическую стойкость проводилась дополнительная серия опытов на пружинах с индексами 4, 8 и 10 (пружины сжатия) и 6, 8, 10 (пружины кручения). Индекс пружины — отношение среднего диаметра пружины к диаметру проволоки, из которой изготовлена пружина (i = Dc/d).

В сжатом состоянии пружины были зафиксированы в приспособлениях (рис. 3) и хранились в таком состоянии в отапливаемых помещениях при средней температуре примерно 20 °С.

Свободную длину пружин сжатия определяли на измерительной плите штангенрейсмас-сом в двух диаметрально противоположных точках и рассчитывали как среднее арифме-

тическое. Силовые параметры контролировали на пружинных весах МИП-100 (до 1995 г.) и на машине 2139МИП-1 (после 1995 г.). Моменты пружин кручения измеряли на специально изготовленном приборе — моментомере.

Разгрузки пружин для контроля силовых и геометрических параметров производили в соответствии с геометрической прогрессией N = qn суток, где q = 2; n — показатель прогрессии, равный 1, 2, 3 и т. д.

Варианты изготовления пружин кручения по уровню максимальных напряжений — 150 (допускаемая норма расчетных напряжений по ОСТ 3-2564-78), 160, 180, 200, 220 кгс/мм2. Эскиз винтовой пружины кручения представлен на рис. 4, параметры пружин приведены в табл. 2.

Результаты испытаний пружин сжатия (I, II, III классов) из стали 65С2ВА

П р у ж и н ы III к л а с с а. Проведено исследование влияния напряжений, индекса на релаксацию напряжений пружин. Анализ результатов испытаний показывает, что релаксация пружин возрастает по мере увеличения уровней рабочих напряжений. Напри-

Рис. 3. Приспособление для выдержки при постоянной нагрузке:

1 — приспособление для выдержки во времени при постоянной нагрузке; 2 — фиксатор; 3 — винтовая цилиндрическая пружина сжатия

Рис. 4. Винтовая пружина кручения

1

2

3

№ 3 (81)/2014

Таблица 2

Конструктивные параметры пружин кручения и условия их нагружения при длительном нагружении в отапливаемом помещении

Марка пружинной стали Максимальные напряжения при изгибе Оз, кгс/мм2 Индекс пружины i Условия нагружения (коэффициент K1) Диаметр проволоки d, мм Наружный диаметр D, мм

65С2ВА 220; 200; 180; 160; 150 4 1,0; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6 3,5 17,5

6 24,5

8 31,5

10 38,5

60С2А 220; 200; 180; 160; 150 4 1,0; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6 1,6 8,0

мер, при рабочем напряжении Т2 = 80 кгс/мм2 (К1 = 0,6) за 8192 суток (22,4 года) осадка составляет 1,53 %, при напряжении Т2 = Т3 = = 135 кгс/мм2 (К1 = 1,0) — 6,24 %, т. е. наблюдается 4-кратное изменение релаксации в указанном диапазоне напряжений (рис. 5).

В целях определения влияния индекса на релаксацию напряжений проведены испытания пружин с индексами 4, 6, 8, 10 и рабочими напряжениями Т2 = 123 кгс/мм2 (К1 = 0,9). Анализ результатов испытаний позволил установить, что индекс пружины не оказывает сколь-либо существенного влияния на релаксацию напряжений у пружин с рабочими напряжениями Т2 = 123 кгс/мм2 (К1 = 0,9) и твердостью 55,2-57,1 НЩ,.

П р у ж и н ы II к л а с с а. Проведено исследование влияния напряжений, индекса и твердости на релаксацию напряжений

пружин. Исследуемые пружины разделены на две группы в зависимости от твердости:

1) 49,3-51,3 НЩ,;

2) 55,2-57,1 НЩ,.

Результаты испытаний пружин твердостью 49,3-51,3 НИ,Сэ показывают возрастание релаксации при увеличении рабочих напряжений. При переходе от наименьших (56 кгс/мм2) к наибольшим (96 кгс/мм2) напряжениям наблюдается примерно 6-кратное (3,1/0,5 %) увеличение релаксации напряжений пружин (рис. 6).

Результаты испытаний пружин твердостью 55,2-57,1 НИ,Сэ представлены на рис. 7. Характер изменения релаксации в зависимости от уровня рабочих напряжений сохраняется. Пружины твердостью 49,3-51,3 НИ,Сэ имеют максимальную релаксацию — 3,12 %, а пружины твердостью 55,2-57,1

R, %

0 1 16 32 64 128 256 512 1024 4096

2048 8192

T, сут

Рис. 5. Релаксация пружин III класса твердостью 55,2-57,1 HRC3:

—в— — пружина с напряжениями Т2 = Т3 = 135 кгс/мм2; —н--пружина с напряжениями Т2 = 80 кгс/мм2

R, %

2,5

1,5

0,5

Г

0 1 16 32 64 128 256 512 1024 4096

2048 8192

Т, сут

Рис. 6. Релаксация пружин II класса твердостью 49,3-51,3 НИСэ:

—в— — пружина с напряжениями Т2 = 96 кгс/мм2; —н--

пружина с напряжениями т2 = 56 кгс/мм2

№ 3(81)/2014

R, % 4

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5

/

/

г

R, % 1,4

0

1 16 32 64 128 256 512 1024„„ ,„4096 „„

2048 8192

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2

— I—

/ /

~9 -г* **

-4

-4

i—

0

1

16 32 64 128 256 512 1024 4096

2048 8192

T, сут

Рис. 7. Релаксация пружин II класса твердостью 55,2-57,1 HRC3:

—е--пружина с напряжениями Т2 = 96 кгс/мм2; —в--

пружина с напряжениями Т2 = 56 кгс/мм2

HRCa — 4,04 %. Таким образом, пружины с более высокой твердостью при одних и тех же напряжениях имеют большую склонность к релаксации.

Исследования влияния индекса на изменения релаксации при рабочих напряжениях Т2 = 87 кгс/мм2 (K = 0,9) показали аналогично пружинам III класса слабую зависимость релаксации от кривизны витка.

П р у ж и н ы I к л а с с а. При исследовании релаксации напряжений пружин I класса в диапазоне рабочих напряжений от 33 до 56 кгс/мм2 установлено, что релаксация не превышает 1,2 % для = 56 кгс/мм2 и 0,71 % для Т2 = 33 кгс/мм2 (рис. 8).

Результаты испытаний пружин сжатия из стали 60С2А

Результаты испытаний показывают, что изменение релаксации пружин из стали 60С2А в зависимости от уровня рабочих напряжений и продолжительности испытаний аналогично изменению релаксации у пружин из стали 65С2ВА: увеличение релаксации при возрастании рабочих напряжений, незначительная (в пределах АР/^з « 0,8 %) зависимость от индекса.

T, сут

Рис. 8. Релаксация пружин I класса твердостью 49,3-51,3 HRC3:

—е--пружина с напряжениями Т2 = 56 кгс/мм2; —в--

пружина с напряжениями Т2 = 33 кгс/мм2

Выводы

Для п р у ж и н с ж а т и я:

1) в процессе испытаний при долгосрочном хранении (22,4 года) при различных рабочих напряжениях и двух вариантах твердости не было ни одного случая поломки пружин;

2) средние значения максимальной релаксации пружин К1 = 1,0 за 22,4 года хранения составили (индекс пружины 6):

сталь 65С2ВА (диаметр проволоки 5 мм) — пружины I класса (Т3 = 56 кгс/мм2) — Я = 1,2 % для 49,3-51,3 ИЩ;

пружины II класса (Т3 = 96 кгс/мм2) — Я = 3,12 % для 49,3-51,3 ИИС, и Я = 4,04 % для 55,2-57,1 ИЩ,;

пружины III класса (Т3 = 135 кгс/мм2) — Я = 6,24 % для 55,2-57,1 ИЩ,;

сталь 60С2А (диаметр проволоки 1,6 и 3,0 мм) —

пружины I класса (Т3 = 56 кгс/мм2) — Я = 3,52 % для 49,3-51,3 ИЩ,;

пружины II класса (Т3 = 96 кгс/мм2) — Я = 5,44 % для 49,3-51,3 ИЩ, и Я = 7,47 % для 55,2-57,1 ИИС,;

пружины III класса (Т3 = 135 кгс/мм2) — Я = 10,97 % для 55,2-57,1 ИЩ,;

3) сталь марки 65С2ВА при прочих равных условиях в 2-3 раза лучше противостоит релаксации напряжений в пружинах, чем сталь 60С2А.

№ 3(81)/2014

Для п р у ж и н к р у ч е н и я:

1) в процессе испытаний при долгосрочном хранении (примерно 25 лет) при различных рабочих напряжениях и двух вариантах твердости не было ни одного случая поломки пружин;

2) из исследуемых сталей 65С2ВА и 60С2А последняя показала в 1,5-2 раза меньшую способность противостоять протеканию релаксационных процессов в напряженном материале;

3) при обеспечении твердости 53,5-57 НИ,Сэ имеется возможность конструирования пружин с максимальными расчетными напряжениями до 170-200 кгс/мм2.

Литература

1. Пономарев С. Д., Андреева Л. Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.

2. Остроумов В. П., Карпунин В. А. Повышение динамической прочности пружин. М.: Машгиз, 1961. 115 с.

№ 3(81)/2014

збД