玻璃破碎器弹簧动力设计(编辑修改稿)

玻璃破碎器弹簧动力设计(编辑修改稿)内容摘要：

拉伸螺旋弹簧 压缩螺旋弹簧 有限元上主要受扭转应力的弹簧 扭杆弹簧 弹簧垫圈 蜗卷螺旋弹簧 有限元上主要受拉压应力的弹簧 —— 环形弹簧 卡紧弹簧 有限元上主要受复合应力的弹簧 弯曲螺旋弹簧 受横向载荷的螺旋弹簧 这种分类方法在螺旋弹簧最易说明间题，表 3 一 1 是螺旋弹簧的载荷状态 11 和将它分成若于有限元后，每个有限元上所受的主要应力。 表 3— 1 螺旋弹要受力状态和有限元上的主要应力 螺旋弹簧的载荷状态 有限元上的主要应力 拉伸 压缩 扭转 弯曲 横向载荷 扭转 扭转 弯曲 扭转和弯曲 扭转和弯曲 1） 在静态条件下使用的弹簧 — 例如安全阀弹簧、弹簧垫圈、秤盘弹簧、定载荷弹簧和钟表中的游丝。 在这种情况下，设计上主要应考虑的是静强度和稳定性问题。 2）在动态条件下使用的弹簧 — 例如利 用其回复性能的阀门弹簧、调速器弹簧等。 利用其减少振动的车辆用悬挂弹簧和防振弹簧。 利用其吸收能量的联轴器弹簧和电梯的缓冲弹簧等。 在这种条件下使用的弹簧主要应考虑弹簧的疲劳强度和共振的问题。 1）在普通环境室温下使用的弹簧； 2）在高温度下工作的弹簧 (或称耐热弹簧 )； 3）在腐蚀介质下工作的弹簧 (或称耐蚀弹簧 )。 1）冷卷或冷压成形弹簧。 2）热卷或热压成形弹簧。 1）Ⅰ级精度弹簧。 2）Ⅱ级精度弹簧。 3）Ⅲ级精度弹簧。 1)载荷 与变形成线性关系的弹簧 —— 一般的拉伸、压缩、扭转、单板、扭杆和平面蜗卷弹。 12 2)载荷与变形成非线性关系的弹簧 —— 其中有滞后作用的如多层板弹簧，蜗卷螺旋弹簧、环形弹簧和碟形弹簧。 无滞后作用的有不等节距弹簧、变径螺旋弹簧和组合式弹簧等。 弹簧的功能 1）控制机械的运动，如 内燃机 中的 阀门 弹簧、离合器中的控制弹簧等。 2）吸收振动和冲击能量，如汽车、火车车厢下的 缓冲弹簧 、 联轴器 中的吸振弹簧等。 3）储存及输出能量作为动力，如 钟表 弹簧、 枪械 中的弹簧等。 4）用作测力元件，如测力器、弹簧秤中的弹簧等。 弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。 弹簧是机械和电子行业中广泛使用的一种弹性元件，弹簧在受载时能产生较大的弹性变形，把机械功或动能转化为变形能，而卸载后弹簧的变形消失并回复原状，将变形能转化为机械功或 动能。 1）测量功能 我们知 道，在 弹性限度 内，弹簧的伸长（或收缩）跟外力成正比。 利用弹簧这一性质制成弹簧秤。 2）紧压功能 观察各种电器开关会发现，开关的两个触头中，必然有一个出头装有弹簧，以保证两个出头紧密接触，是导通良好。 如果接触不良，接触处的电阻变大，电流通过时产生的热量变大，严重时还会是接触处的金属融化。 卡口灯头的两个金属柱都装有弹簧也是为了接触良好；至于螺口灯头的中心金属片以及所有插座的接插金属片都是簧片，其功能都是使双 方紧密接触，以保持到同良好。 在何时磁带中，有一块磷青铜的簧片，利用它弯曲形变时产生的 弹力 使磁头与磁带密切接触。 在订书机中有一个长螺旋弹簧它的作用一方面是顶紧钉书钉，另一方面是当最前面的钉被推出后，可以将后面的钉送到最前面以备钉舒适推 13 出，这样，就能自动的将一个个钉推到最前面，直到钉全部推出为止。 许多机器自动供料， 自动步枪 中的子弹自动上膛都靠弹簧的这种功能。 此外，象夹衣服的 夹子 ， 圆珠笔 ， 钢笔 套上的夹片都利用弹簧的紧压功能夹在衣服上。 3）复位功能 弹簧在外力作用下发生形变，撤去外力后，弹簧就能恢复状 态。 很多工具和设备都是利用弹簧这一性质来复位的。 例如，许多建筑物大门的 合页 上都装了复位弹簧人们进出后，门会自动复位。 人们还利用这一功能制成了自动伞、自动铅笔 等用品，十分方便。 此外，各种按钮和按键也少不了复位弹簧。 4）带动功能 机械钟表，发条玩具都是靠上紧发条带动。 当发条被上紧时发条产生弯曲形变 ，存储一定的 弹性势能。 释放后，弹性势能转变为动能，通过传动装置带动转动。 在玩具枪和 发令枪 和军用枪支也是利用弹簧的之一性质工作的。 5）缓冲功能 在机车 汽车 车架与车轮之间装有弹簧，利用弹簧的弹性来减 缓车辆的颠簸。 6）振动发声功能 当空气从口琴，手风琴中的簧 孔中 流动时，冲击簧片，簧片震动发出声音。 14 4 弹簧材料 热轧成形的弹簧用钢 用于制造弹簧的钢，其交货状态有热轧和冷轧两种。 热轧材料中包括圆钢、扁钢、钢板和梯形钢等。 其规格和尺寸公差较大，表面质量较差，它们主要是用电炉或转炉熔炼后经热轧或锻造成形，并以退火状态供应，在以后制造弹簧的过程中，往往不再进行任何加工就直接加热卷绕。 由于钢材表面状态的好坏 对弹簧的性能有直接的影响，钢材表面如有缺陷就会增加弹簧表面的粗糙度，也易于形成表面裂纹，特别是在弹簧成形和以后的淬火回火热处理工序都需要依靠加热来完成，这也容易造成表面脱碳，从而使弹簧的疲劳强度下降，因此热轧材料只能用于疲劳性能要求不高的低 应力弹簧夕或是截面尺寸较大的重型弹簧，例如铁道车辆和汽车、拖拉机上的大型螺旋弹簧，重型板弹簧等。 这是价格最廉也是最易得到的弹簧钢，其表面质量不比合金钢差。 人们对碳素钢的热处理方法较熟悉，其中共析成分的碳素钢，如日本的 SUP3，即使进行普通的正火、退火也几乎不会出现初生的铁素体。 但是它的缺点是淬透性较差，当圆钢的截面直径超过 18mm 或板材厚度超过 11mm 时在油中就不能悴透，因此不宜用在大截面的弹簧上，通常只有在铁路车辆中 13毫米以下的板弹簧才用它。 过共析成分的碳素钢，如日本的 SUP4 或美国的 AISI1095，性能虽较 SUP3为好，但也只用于铁道车辆中直径在 19毫米以下的螺旋弹簧。 其热卷工艺是加 热到 870℃盘卷后空冷，然后在 845℃保温 20~40min 淬入油温小于 650℃的油中，不待其完全冷透，在弹簧仍具 90~150℃温度时，立即进行 450~510℃、 1~回火。 常用的为 65Mn，其淬透性较碳素钢好，脱碳倾向也小，但是它有过热敏感性和回火脆性等缺点，又易产生裂纹，因此国外已不采用，国内因其资源丰富，价格便宜，故仍列入弹簧钢标准中，一般多用于截面直径尺寸小于 15mm 的中小 15 型低应力弹簧。 在国内标准中有五种钢号，即 55Si2Mn、 55Si2MnB、 60Si2Mn、 60Si2MnA 和70Si3MnA。 日本 JIS 标准中列有 SUP6 和 SUP7 两种。 美国有 SAE9260 和 9255 两种。 其所以要添加硅锰两种元素是因为硅能固溶于铁素体和奥氏体中，从而提高了钢的硬度、强度、弹性极限、屈强比和疲劳强度，同时还能提高材料的回火稳定性和抗氧化性。 锰能提高材料的淬透性，使 25mm 以下的弹簧都能在油中淬透。 试验表明在含碳量 ～ %的钢中，加入 2%的硅和适量的锰， 经淬火回火后，屈强比可提高到 以上，弹性极限也大为提高。 但是硅含量提高了以后，易产生石墨化现象和增加表面脱碳倾向，同时在钢中易生成较多的硅酸盐夹杂物，易淬火开裂，因而在日本和美国己用得不多，在我国主要用于制造汽车、拖拉机、铁道车辆上的板弹簧，扭杆弹簧、螺旋弹簧，以及工作温度在250℃以下的中等应力的弹簧。 是在钢中加入 1%的铬和锰，在国内标准中有 50CrMn 钢一种。 日本 JIS 标准中有 SUP9 和 SUP9A 两种，是在第二次世界大战后研制成功的低合金弹簧钢，它具有良好的热加工性和淬透性，即使 其直径达 50mm 也能淬透，由于铬的加入，使钢的强度和硬度都有所提高，同时还提高了它的回火稳定性和减少脱碳倾向，缺点是有回火脆性的倾向，因此回火后需快冷。 这类钢适宜用于制造铁路车辆和汽车的截面较大和较重要的板弹簧、扭杆弹簧和螺旋弹簧。 属于这类钢的有 60Si2CrA 和 60Si2CrVA，它是以 1%铬代替了硅锰钢中的一部分的锰，因而机械性能较高，过热敏感性降低，在工作温度较高时机械性能较稳定，还能降低含硅钢的石墨化倾向。 它主要用于承受高应力或受冲击载荷的弹簧和工作温度在 250~300℃的耐热弹簧。 是在硅锰钢 60Si2MnA中加入了 ~%的钨，在国内标准中有 60Si2MnWA，国外还没有相应的牌号，由于钨在钢中易形成难溶碳化物，从而有效地提高了钢的回火稳定性和高温时的蠕变抗力，使钢具有一定的红硬性。 钨还能增加淬 16 透性和提高钢的硬度。 它主要用于承受高载荷或耐冲击的弹簧，以及工作温度低于 350℃的弹簧。 国内标准中列有 30W4Cr2VA,由于加入了铬、钨、钒等合金元素，大大提高了钢的淬透性和回火稳定性，以及在高温下的抗松弛性能，因而主要用于温度≤ 500℃工作的弹簧。 是适应我国国内资源自行研制成功的合金弹簧钢，它是在硅锰弹簧钢的基础上加入了微量的钼、钒、妮、硼等元素，属于这类钢的有 55SiMnVB、 55SiMnMoV和石 50SiMnMoVNB 三种，由于这些微量元素的作用，使这三种钢都有较高的抗拉强度和弹性极限，而且有良好的塑性和韧性，因此适宜作高强度的板弹簧和螺旋弹簧。 它是在铬锰钢的基础上加入微量的硼，国内尚无相应的牌号，日本 JIS 标准中列有 SUP11，它的基本性能和铬锰钢相似，但具有更好的淬透性，通常用于制造超大型 的弹簧，例如推土机上的迭板弹簧，船舶上的大型螺旋弹簧和大型扭力弹簧等。 除了上述通常采用的碳素钢和低合金钢外，某些工具钢有时也能用作为弹簧钢，但在国外都没有将这些列入弹簧钢系列中。 例如工具中用得最广的 1841高速钢就是用得较普遍的一种高温弹簧钢材，通常用于工作温度在 415℃以下的弹簧。 但是作为弹簧钢有些数据如弹性极限值还不够完整，可它至少相等于或略高于通常所用的铬钒钢和铬硅钢，因此在设计时可以采用铬硅钢的数据，其热处理工艺和制作工具时不同，可以采用缓慢加热至 850℃均热后转入1280~1310℃的高温炉内，然后油淬至 100℃左右立即在 650~675℃回火 1~2h,这样可获得 HRC50~54 的硬度。 此外如油硬碳素工具钢有时也可用来制造弹簧。 这类钢在 780℃淬火， 360℃回火后可得到 HRC50~54 的硬度。 对于长期暴露在氧化性气氛中并在高温环境下工作的弹簧，日本采用 SEHI 钢，其化学成分为~%C， 3~%Si 和 %Cr，相当于我国的 4Cr9Si2 钢。 17 冷轧弹簧用钢 主要是依靠冷拉或冷轧而得到尺寸精度高、表面质量好和机械性能好的线材或带钢。 螺旋弹簧大多 是用线材盘卷而成。 属于这类钢材的有高碳弹簧钢、合金弹簧钢和不锈钢等，以高碳弹簧钢用得最普遍。 其供货状态一般有下列三种类型 : 1）以退火或高温回火状态供应。 这类材料在冷卷成形后，尚需进行淬火回火处理，如合金弹簧钢丝、不锈钢丝和冷轧钢带等。 2）在成形过程中经过强化加工的丝材和带材。 这类材料在冷卷成型后只需进行除应力处理，不必再进行淬火。 如冷拉碳素钢丝、琴钢丝、油回火弹簧钢丝和冷轧不锈钢带等。 3）直径大于 13mm 的冷拉圆钢，表面质量较高，需经热卷成型和淬火回火处理，如冷拉弹簧钢丝等。 弹簧钢 在这类钢中除了高碳钢外，也包括高碳锰钢在内，它是用得最多的一种冷卷弹簧钢，其特点是含碳量高、冷塑性变形程度。