彈簧疲勞試驗夾具的設(shè)計與應(yīng)用

趙艷

(新鄉(xiāng)航空工業(yè)集團 (有限)公司，河南新鄉(xiāng) 453003)

彈簧疲勞試驗夾具的設(shè)計與應(yīng)用

趙艷

(新鄉(xiāng)航空工業(yè)集團 (有限)公司，河南新鄉(xiāng) 453003)

介紹一種在振動試驗臺上進行彈簧疲勞試驗時所需工裝——振動夾具的工作原理、設(shè)計及改進過程、結(jié)構(gòu)特點和操作方法。經(jīng)驗證，該振動夾具一次可裝夾28件彈簧，彈簧的性能試驗過程安全可靠。這種夾具結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用到其他尺寸彈簧的疲勞試驗。

彈簧;疲勞試驗;振動夾具

彈簧是工業(yè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)件之一，它在服役過程中，起到儲存能量、自動控制、緩沖平衡、回位定位、安全保險等作用，因此，它廣泛應(yīng)用于航空航天、國防裝備、機電設(shè)備、儀器儀表、石油化工、農(nóng)業(yè)機械、交通能源和日常生活用品中。如果彈簧失效將產(chǎn)生難以預(yù)料的損失，如:發(fā)動機氣門彈簧斷，氣門會掉入氣缸，活塞上行時與氣門碰撞將氣缸頂破;高壓油泵柱塞彈簧失效，油泵無法供油。

彈簧的疲勞試驗是彈簧性能檢測的關(guān)鍵工序，特別是發(fā)動機氣門彈簧、油泵柱塞彈簧、離合器彈簧、摩托車減振彈簧、汽車懸架彈簧等關(guān)鍵彈簧，必須對彈簧產(chǎn)品進行疲勞性能的可靠性評定和疲勞篩選試驗，未經(jīng)疲勞篩選試驗的彈簧在使用中往往會出現(xiàn)剛度下降、尺寸改變甚至斷簧等失效現(xiàn)象。

1 零件疲勞試驗要求

工廠新開發(fā)的產(chǎn)品中有一零件為補償彈簧，零件的形狀如圖1所示，材料為1Cr18Ni9Ti。根據(jù)零件技術(shù)要求，需做振幅為10 mm、頻率為10 Hz的疲勞試驗。

機械式彈簧疲勞試驗機是由電機、減速機連接凸輪帶動連桿做往復(fù)運動，實現(xiàn)對彈簧的壓縮運動。主要應(yīng)用于各種螺旋彈簧低頻率的疲勞性能試驗，它可以根據(jù)彈簧的技術(shù)要求，調(diào)整彈簧的振幅和頻率。根據(jù)工廠現(xiàn)有的試驗設(shè)備，彈簧的疲勞試驗將在振動試驗臺上進行。為了完成彈簧的疲勞試驗，需設(shè)計適用于試驗臺使用的振動夾具。

圖1 零件外形圖

2 夾具結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 振動夾具結(jié)構(gòu)特點

振動試驗夾具的功用是從振動臺把機械能傳給試件。在夾具總體設(shè)計方面所遇到的困難是必須設(shè)計出質(zhì)量最小、剛度最大、在試驗頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的夾具。夾具設(shè)計往往取決于經(jīng)驗，一個好的夾具至少應(yīng)滿足下列要求:

(1)在整個試驗頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦，夾具的第一階固有頻率應(yīng)高于最高試驗頻率，還應(yīng)避免發(fā)生夾具與產(chǎn)品的共振耦合;

(2)夾具與產(chǎn)品連接面上的各連接點的響應(yīng)要盡量一致，以確保試驗時激勵輸入的均勻性;

(3)夾具的剛度質(zhì)量比要足夠大;

(4)夾具的質(zhì)量最好是試件的2～4倍，或夾具的質(zhì)量可以接近振動臺臺面的質(zhì)量;

(5)夾具橫向運動 (指垂直于激振方向)要小。

2.2 夾具設(shè)計

在剛開始設(shè)計時采用如下的設(shè)計方案，振動夾具如圖2所示。

圖2 夾具簡圖

(1)主體結(jié)構(gòu)為安裝支座1放置在振動試驗臺上，彈簧安裝板4通過4根連接桿2與安裝支座1相連;零件9穿入彈簧安裝桿8后通過彈簧安裝板4連接在振動試驗臺上，彈簧安裝桿8由底板3固定在振動試驗臺中心的底板托起。

(2)工作時，先將夾具的活動部分整體反轉(zhuǎn);零件穿入彈簧安裝桿8后，再將彈簧安裝桿8穿入彈簧安裝板4;穿好所有彈簧后，用墊板5托住所有的彈簧安裝桿8將夾具的活動部分再次整體反轉(zhuǎn)，并放置在振動試驗臺上。

(3)開啟振動試驗臺，夾具底板開始振動，并帶動彈簧安裝桿8上的彈簧在彈簧安裝板4中振動。

(4)夾具的材料采用Q235鋼，該材料在夾具設(shè)計時經(jīng)常使用，且價格低廉。

此種方案的設(shè)計優(yōu)點是:夾具的整體質(zhì)量很輕，一個工人就能搬動。

此種方案的設(shè)計缺點是:在零件的安裝中需要整體反轉(zhuǎn)夾具的活動部分，這就需要其他工人的配合才能完成。

經(jīng)過實際驗證后發(fā)現(xiàn)，因為振動強度比較大，裝有彈簧的彈簧安裝桿與安裝板之間相互運動，零件在振動過程中容易脫出，振動夾具每次只能裝一件彈簧;又因為夾具的質(zhì)量較輕，振動過程中需人工壓緊才能完成試驗，加工效率低，工人操作也不安全。生產(chǎn)中每批彈簧100件，完成一次振動需0.5 h，完成一批次就需50 h，嚴重阻礙著生產(chǎn)的正常進行。

2.3 夾具改進

針對原來的振動夾具的缺陷，作者對夾具結(jié)構(gòu)做了以下改變，如圖3所示。

圖3 改進后夾具簡圖

(1)改進彈簧的安裝方式，將原來的定位銷結(jié)構(gòu)改為螺釘擰緊，即在彈簧安裝桿7上端增加螺紋部分，并通過螺母6將安裝桿7固定，防止彈簧在振動過程中脫出彈簧安裝桿;

(2)改進振動夾具與振動試驗臺的連接方式，原來的彈簧振動夾具是靠夾具自身的質(zhì)量固定，因為夾具的整體質(zhì)量很輕，試驗時需人工壓緊;改進后的振動夾具將直接與振動試驗臺的基座相連，不需人工固定。

(3)將圖2中的彈簧安裝板4和連接桿2改為圖3中的整體式彈簧安裝板5。

改進后的振動夾具經(jīng)過驗證，一次可同時完成28件彈簧的振力試驗，大大提高了加工效率，同時降低了工人的勞動強度。

3 效果比較

改進后的彈簧振動夾具，只是從夾具結(jié)構(gòu)上將原來的定位銷結(jié)構(gòu)改為定位螺釘擰緊，防止彈簧在振動過程中脫出;從彈簧振動夾具依靠夾具自身的質(zhì)量固定，強度較大時，振動夾具需人工壓緊才能完成試驗，改為夾具直接與振動試驗臺的基座相連，不需人工固定。這些改動，在零件的加工效率、經(jīng)濟性等方面也效果明顯，如表1所示。

表1 改進前后振動夾具效果比較

4 結(jié)論

與首次設(shè)計的振動夾具結(jié)構(gòu)相比，改進后的振動夾具有以下優(yōu)點:

(1)彈簧在振動過程中不會脫出，每次進行振動試驗時可以安裝的彈簧數(shù)量增加，試驗效率隨之大幅提升;

(2)振動夾具的連接固定方式改進后，不需人工壓緊，避免人為造成的操作風險，減輕工人勞動強度。

經(jīng)生產(chǎn)實踐證明:改進后的彈簧疲勞試驗夾具結(jié)構(gòu)合理、工作平穩(wěn)、安全可靠，零件的試驗條件達到了圖紙的技術(shù)要求。隨著這項技術(shù)的不斷成熟，這種夾具結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用到其他尺寸彈簧的疲勞試驗。

【1】朱耀祥，浦林祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

【2】劉繼承.某機載雷達天線振動試驗夾具設(shè)計［J］.振動測試與診斷，2003，23(3):210－212.

【3】胡波，何林.振動試驗夾具的設(shè)計［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2005，23(3):45－48.

Design and Application of Spring Fatigue Test Fixture

ZHAO Yan
(Xinxiang Aviation Industry Group，Xinxiang Henan 453003，China)

A vibration fixture for spring fatigue test on the vibration test stand was described.The emphases were mainly on the working principle，design and improvement process，structural characteristics and operating methods.Through verification，the vibration fixture can be used to clamp 28 springs at the same time，and the performance test process of the spring is safe and reliable.This fixture structure can also be applied to other size spring fatigue test.

Spring;Fatigue test;Vibration fixture

TG75

B

1001－3881(2014)8－033－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.012

2013－03－19

趙艷 (1979—)，本科，工程師，研究方向為小直徑彈簧的性能檢測。E－mail:757269219@qq.com。