CN105910883A - 扭转弹簧应力松弛寿命的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扭转弹簧应力松弛寿命的预测方法，属于预测扭转弹簧寿命的技术。其过程包括：绘制不同温度下扭转弹簧的扭矩‑时间曲线；绘制不同温度下扭转弹簧内应力‑时间曲线；推算松弛率与时间的半对数关系；计算松弛因子A_室温，B_室温；计算扭转弹簧的应力松弛寿命。本发明的优点，采用不同温度加速扭转弹簧的方式获得试验温度下的扭矩‑时间曲线，内应力‑时间曲线以及松弛率与时间对数曲线，再推导出扭转弹簧实际使用温度下的应力松弛方程，预测扭转弹簧应力松弛寿命。此方法预测准确率高，有效的减少了试验成本和周期，提高效率。

Description

扭转弹簧应力松弛寿命的预测方法

技术领域

本发明涉及一种扭转弹簧应力松弛寿命的预测方法，属于预测扭转弹簧寿命的技术。

背景技术

应力松弛的本质上是材料在应力作用下产生微塑性变形，并且逐渐积累，在保持应变或者位移不变的前提下，表现为应力随时间延续而减小的现象。应力松弛是一种相当普遍存在的现象，不仅存在于由金属材料制造的弹性元件或构件中，也存在于由非金属制造的构件中，是各种机械弹簧（如阀门弹簧及缓冲弹簧等）、螺栓等基础件、精密仪器及仪表中弹性元件的主要失效模式之一。这些现象在日常生活中并不少见，严重者会造成巨大的经济损失。

目前对弹簧寿命预测的方法有很多种，主要是通过测定基于温度加速弹簧条件下测定应力松弛曲线来推导弹簧的寿命，弹簧应力松弛的测试方法一般分为弯曲应力松弛试验法、螺旋弹簧应力松弛试验法以及扭转应力松弛实验法等几种。对于扭转弹簧而言，我国尚未制定扭转应力松弛试验标准，为了实现扭转弹簧在连续带温测量以及保证高的测量精度，根据实验用扭转弹簧的特点，测定扭转弹簧应力松弛曲线是在自行设计的电子高温式扭转试验机上进行的，试验机是由加载系统、传动系统、数据采集、处理、控制、显示系统等组成，适用于对各类扭转弹性元件、构件、螺栓等力学性能的试验。工序简单，测量精度高，可在较高温度下进行扭转弹簧的扭转试验，推导出不同温度下扭转弹簧的扭矩大小，从而得出扭转弹簧的内应力大小，通过计算进一步得出扭转弹簧的应力松弛曲线，进而推出扭转弹簧在实际温度下的寿命情况。

经过检索发现目前只有关于螺旋弹簧应力松弛预测寿命的报导，尚未发现用测定扭转弹簧的扭矩-时间，扭角-时间，扭矩-扭角等关系，推出扭转弹簧的应力松弛曲线来预测扭转弹簧寿命的论文或专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扭转弹簧应力松弛寿命的预测方法。该方法工序简单，操作可控，精度高，重复性强，预测扭转弹簧松弛寿命可靠性好。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种扭转弹簧应力松弛寿命的预测方法，该方法采用的试验装置为电子高温式扭转试验机，对扭转弹簧分别进行不同温度点下的试验，实时记录在各个温度点下，包括扭转弹簧的扭矩、扭角、试验时间参数，绘制扭矩-时间曲线，进而绘制扭转弹簧的内应力-时间曲线，进一步推导出扭转弹簧的应力松弛曲线，从而确定扭转弹簧的应力松弛寿命，其特征包括以下过程：

1）绘制不同温度下扭转弹簧的扭矩-时间曲线

在温度 100-220℃内选取等温差 4-6 个温度点，对应每一个温度点及以 0.05-1°/s的速度将弹簧扭转到给定扭角60-70°的条件下，测试扭转弹簧的扭矩，并保持测试时间达12h以上，扭转试验结束后以扭矩为纵坐标，时间为横坐标绘制不同温度下扭矩-时间的关系曲线 ；

2）绘制不同温度下扭转弹簧内应力-时间曲线

在静载荷一定的条件下，扭转弹簧的内应力与扭矩的对应关系式如式（1）：

（1）

式中： E：扭矩，N.mm，

σ为内应力，N/mm²，

，

其中C表示环绕比：，

d 表示簧丝直径，mm ，

D：扭转弹簧的内径，mm ；

故根据步骤1）绘制不同温度下扭转弹簧的扭矩-时间曲线及式（1），则可绘制不同温度下扭转弹簧内应力-时间曲线；

3）推算松弛率与时间的半对数关系：

步骤2）给出的扭转弹簧最大应力可预测扭转弹簧应力松弛。应力松弛满足阿伦尼乌斯公式，通常认为松弛率、温度T以及位错的激活能Q之间有：

（2）

式中：

为某一应力作用下，位错激活能（eV）；

为特定常数；

T是热力学温度（K）；

k为波尔兹曼常数（8.6×10^-5eV·K^-1）；

对（2）式两边取对数，得到：

（3）

4）计算松弛因子A _室温 ，B _室温

应力松弛方程如式（4）：

（4）

式中：，为松弛率

A _室温 ，B _室温 ：均表示松弛因子，

计算A _室温 ，B _室温以下过程得到：

定义激活能为 ： （5）

其中m为式（3）中关系中的斜率。

确定不同温度下的的对数与T的倒数直线关系后，根据式（5）就可求出此时的激活能。室温25℃条件下的应力松弛率即为：

这时所求出的的值即是中的系数,

将代入式（4）得到：

可见， 中的系数即为弹簧应力松弛1h后的松弛率，根据式（2），可以得到：

两边取对数得：

根据所测数据，确定弹簧在不同温度下的应力松弛方程后，可以得到室温25℃条件下：中的 。

5) 计算扭转弹簧的应力松弛寿命 ：

将系数、带入式（4）中，可计算出扭转弹簧预测寿命时间：t，也可通过弹簧的使用寿命年限推出弹簧的松弛率的大小，当松弛率小于限定值则该扭转弹簧可以满足实际年限使用需求，反之，则不符合使用年限要求。

本发明的优点 ：本发明采用电子高温式扭转试验机进行扭转应力松弛试验，与传统的扭转应力松弛试验法相比本方法能实时连续的记录试验数据，操作简单，精度高，可靠性好。本发明采用不同温度加速扭转弹簧的方式获得试验温度下的扭矩-时间曲线，内应力-时间曲线以及松弛率与时间对数曲线，再推导出扭转弹簧实际使用温度下的应力松弛方程，预测扭转弹簧应力松弛寿命。此方法预测准确率高，有效的减少了试验成本和周期，提高效率。

附图说明：

图1 为本发明实施例 1 中在 140℃、160℃、180℃和 200℃不同温度下扭转弹簧扭矩-时间关系曲线图。

具体实施方式

实施例 1

本实施例采用采用正火态铍青铜QBe2的扭转弹簧进行试验，弹簧的基本参数为：d_簧丝=0.55mm，n=19，D_内径=（2.4±0.25）mm。开始试验前，首先对仪器预加热 1h，以消除夹具热膨胀对试验结果的影响。选取140℃、160℃、180℃和 200℃四个温度点作为试验温度。由于簧丝很细，加载前对扭转弹簧进行 5min 的预热。再以0.5°/s 的扭转速度将弹簧扭转至扭角为65°保持不变。试验时长为 24h。试验中计算机每隔1s自动记录扭矩数据。

在140℃、160℃、180℃和 200℃四个温度点下，从扭转开始到试验结束每个温度点采集大约86400个点，每间隔 7200 s选取有代表性的点绘制扭转曲线。扭矩T（N.mm）数据如下表：

用Origin软件以时间（t）为用 Origin 软件以时间（t）为横坐标扭矩T为纵坐标绘制不同温度的扭矩-时间曲线见图1；即可得出不同温度下松弛率与时间对数的关系。由此得到：A _实=0.00671，B_实=0.00143，因此扭转弹簧松弛方程为：

，即可得服役t = 10年扭转弹簧的应力松弛率：

实施例2

本实施例采用采用淬火态铍青铜QBe2的扭转弹簧进行试验，弹簧的基本参数为：d_簧丝=0.55mm，n=19，D_内径=（2.4±0.25）mm。开始试验前，首先对仪器预加热 1h，以消除夹具热膨胀对试验结果的影响。选取140℃、160℃、180℃和 200℃四个温度点作为试验温度。由于簧丝很细，加载前对扭转弹簧进行 5min 的预热。再以0.5°/s 的扭转速度将弹簧扭转至扭角为65°保持不变。试验时长为 24h。试验中计算机每隔1s自动记录扭矩数据。

在140℃、160℃、180℃和 200℃四个温度点下，从扭转开始到试验结束每个温度点采集大约86400个点，每间隔 7200 s选取有代表性的点绘制扭转曲线。扭矩T（N.mm）数据如下表：

同样用Origin软件以时间（t）为用 Origin 软件以时间（t）为横坐标扭矩T为纵坐标绘制不同温度的扭矩-时间曲线；以时间对数 (lnt) 为横坐标扭矩损失率 (ΔT/T) 为纵坐标绘制扭矩损失率与时间对数曲线。由此得到：A _实=0.001706，B_实=0.000559，因此扭转弹簧松弛方程为：

，即可得服役t = 10扭转弹簧的应力松弛率：

Claims (1)

1.一种扭转弹簧应力松弛寿命的预测方法，该方法采用的试验装置为电子高温式扭转试验机，对扭转弹簧分别进行不同温度点下的试验，实时记录在各个温度点下，包括扭转弹簧的扭矩、扭角、试验时间参数，绘制扭矩-时间曲线，进而绘制扭转弹簧的内应力-时间曲线，进一步推导出扭转弹簧的应力松弛曲线，从而确定扭转弹簧的应力松弛寿命，其特征包括以下过程：

1）绘制不同温度下扭转弹簧的扭矩-时间曲线

在温度 100-220℃内选取等温差 4-6 个温度点，对应每一个温度点及以 0.05-1°/s的速度将弹簧扭转到给定扭角60-70°的条件下，测试扭转弹簧的扭矩，并保持测试时间达12h以上，扭转试验结束后以扭矩为纵坐标，时间为横坐标绘制不同温度下扭矩-时间的关系曲线 ；

2）绘制不同温度下扭转弹簧内应力-时间曲线

在静载荷一定的条件下，扭转弹簧的内应力与扭矩的对应关系式如式（1）：

式中： E：扭矩，N.mm，

σ为内应力，N/mm²，

其中C表示环绕比：，

d 表示簧丝直径，mm ，

D：扭转弹簧的内径，mm ；

故根据步骤1）绘制不同温度下扭转弹簧的扭矩-时间曲线及式（1），则可绘制不同温度下扭转弹簧内应力-时间曲线；

3）推算松弛率与时间的半对数关系：

步骤2）给出的扭转弹簧最大应力可预测扭转弹簧应力松弛；应力松弛满足阿伦尼乌斯公式，通常认为松弛率、温度T以及位错的激活能Q之间有：

式中：

为某一应力作用下，位错激活能（eV）；

g为特定常数；

T是热力学温度（K）；

k为波尔兹曼常数（8.6×10^-5eV·K^-1）；

对（2）式两边取对数，得到：

式中：，为松弛率

A _室温 ，B _室温 ：均表示松弛因子，

计算A _室温 ，B _室温以下过程得到：

定义激活能为 ： （5）

其中m为式（3）中关系中的斜率；

确定不同温度下的的对数与T的倒数直线关系后，根据式（5）就可求出此时的激活能；

室温25℃条件下的应力松弛率即为：

这时所求出的的值即是中的系数，

将代入式（4）得到：

（7）

可见， 中的系数即为弹簧应力松弛1h后的松弛率，根据式（2），可以得到：

两边取对数得：

根据所测数据，确定弹簧在不同温度下的应力松弛方程后，可以得到室温25℃条件下：；

5) 计算扭转弹簧的应力松弛寿命 ：

将系数、带入式（4）中，可计算出扭转弹簧预测寿命时间：t，也可通过弹簧的使用寿命年限推出弹簧的松弛率的大小，当松弛率小于限定值则该扭转弹簧可以满足实际年限使用需求，反之，则不符合使用年限要求。