阀弹簧失效分析及解决办法

付 鹏（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁　沈阳　110144）



阀弹簧失效分析及解决办法

付 鹏
（中国有色（沈阳）泵业有限公司，辽宁沈阳110144）

摘要：阀弹簧是阀门的重要部件，保证阀门的开闭性能。工业应用部分弹簧未达到设计寿命，通过理论校核、有限元仿真方法，分析弹簧失效原因，找到提高寿命的方法。

关键词：弹簧；寿命；失效；有限元

阀弹簧的作用是压紧阀盘，减小关闭滞后，促进阀门密封。弹簧设计寿命60天，在某一现场运行30天左右，弹簧发生断裂，影响到阀门性能。本文将校核这一弹簧的设计寿命，辅以有限元仿真，分析提前失效的原因，并提出解决办法。

1 弹簧尺寸参数

根据图纸，该弹簧为圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧，材料直径d＝9mm，有效圈数n＝7，总圈数n1＝n＋1.5，端部磨平，支撑圈3/4圈，弹簧中径D＝110mm，自由高度H0＝227mm，最小工作载荷高度H1＝154mm，最大工作载荷高度Hn＝124mm；材料为60Si2Mn，热处理硬度为45HRC～55HRC；该材质切变模量G＝78GPa，弹性模量E＝196GPa，推荐硬度45HRC～50HRC。

2 运行参数计算

弹簧刚度

最小工作载荷P1＝（H0-H1）×P′＝（227-154）×6.8659＝501.2N

最大工作载荷Pn＝（H0-Hn）×P′＝（227-124）×6.8659＝707.2N

3 弹簧的稳定性、强度的验算

载荷作用次数，按连续运转60天，40 次/分种计算N＝40×60×24×60＝3456000＝3.456E6次

此冷卷弹簧按受循环载荷介于Ⅰ类和Ⅱ类弹簧之间，暂时按Ⅱ类弹簧分析。

（1）压弹簧稳定性验算

高径比

弹簧两端回转要求b≤2.6，稳定性满足要求。

（2）弹簧静强度验算

弹簧材料的强度极限σb＝1274MPa

弹簧材料的屈服极限τs＝1.12× （0.50×σb）＝1.12×0.5×1274＝713.4MPa

计算用系数C＝D/d＝12.22，K＝1.117

最大工作载荷所产生的最大切应力

静强度安全系数

许用安全系数（设计计算和材料试验精确度低时）Sp＝1.8～2.2≤S，静强度合格。

（3）弹簧疲劳强度验算

弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度τ0＝0.33×σb＝0.33×1274＝420.4MPa

最小工作载荷所产生的最小切应力

疲劳强度安全系数

许用安全系数Sp＝1.8～2.2≈S，疲劳强度基本合格。

4 有限元强度分析

按前文的尺寸建模，为了查看不同位置应力结果，整个弹簧分为3段，如图2所示，实体之间绑定，底面全约束，顶面加压缩量。

控制网格划分，单元大小约3mm，节点数约8万。

当顶面压缩量为73mm（最小工作载荷状态）时，中间段最大应力373.3MPa，如图3所示。

当顶面压缩量为103mm（最大工作载荷状态）时，中间段最大应力526.7MPa，如图4所示。

中间段最大切应力τ′max＝303.7MPa，如图5所示。

冷卷的油淬火-回火弹簧钢丝，作用次数N介于106～107次，可以根据使用情况参照有限或无限疲劳寿命设计。

有限疲劳寿命的许用切应力（0.40～0.50）σb，

无限疲劳寿命的许用切应力（0.35～0.40）σb，

取中间值许用切应力τp＝0.4σb＝0.4×1274＝509.6MPa

最大工作载荷时切应力值τ′max＝303.7MPa＜τp，弹簧的强度满足要求。

5 弹簧失效分析

按照正常计算，不考虑原材料质量、工作温度、产品缺陷、热处理工艺的影响，阀弹簧的寿命在60天以上，但现在部分弹簧的寿命只有30天，可能的原因如下：

（1）60Si2Mn材料不满足所用工况，钢丝的分类见表1。

静态级钢丝适用于一般用途弹簧，以FD表示；

中疲劳级钢丝用于离合器弹簧、悬架弹簧等，以TD表示；

高疲劳级钢丝适用于剧烈运动的场合，例如用于阀门弹簧，以VD表示。

FDSiMn（60Si2Mn）属静态级钢丝，不适用于较高疲劳运动场合。

（2）热处理硬度偏高、脱碳等原因造成弹簧脆断。

（3）含高浓度颗粒的料浆高速冲蚀、碱性环境腐蚀等原因造成弹簧表面破坏、受外力失稳、寿命降低。

（4）弹簧热处理工艺不良、产品缺陷等造成部分弹簧寿命偏低。

6 提高弹簧使用寿命的方法

（1）换更好的材质，TDSi Mn（60Si2MnA）钢丝可以用于低冲击低应力工况和有限寿命，高冲击恶劣工况下最好使用TDCrV（50CrVA）钢丝甚至VDCrV（50CrVA）钢丝；

（2）控制合理的热处理工艺，在强度、表面硬度、韧性等方面取得均衡，如果脱碳严重要加以保护；

（3）控制原料及生产过程，提高弹簧质量；

（4）适当减小弹簧自由高度，以提高稳定性和强度安全系数。

表1

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] JB/T 6399-1992，重型机械用弹簧钢[S].

[3] GB/T 1239-1976，圆柱螺旋弹簧设计计算[S].

[4] GB/T 18983-2003，油淬火-回火弹簧钢丝[S].

中图分类号：TH137

文献标识码：A