浮動簧的抗疲勞和可靠度分析

周 威，王 剛

（中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

隨著自動武器的快速發(fā)展，人們對自動武器各方面的性能提出了越來越高的要求。為降低武器射擊的后坐力和提高射擊精度，浮動技術(shù)被廣泛應(yīng)用于自動武器的反后坐中。浮動機是實現(xiàn)浮動射擊的裝置，常見的浮動機類型有以彈簧作為彈性介質(zhì)的彈簧式浮動機，也有以彈簧和其他材料作為彈性介質(zhì)的彈簧液壓式和彈簧摩擦墊式浮動機等［1］。在這些類型的浮動機中，浮動簧都是必不可少的一部分，其抗疲勞強度和可靠性直接關(guān)系到整個浮動機能否穩(wěn)定可靠的工作。

1 浮動簧斷裂失效的原因分析

通過對浮動簧原材料外觀檢查，發(fā)現(xiàn)其表面有銹蝕和結(jié)疤。用酸浸法進一步檢查發(fā)現(xiàn)材料表面有裂紋，材料的表面粗糙度越大，其疲勞極限下降的越多。其次，由于浮動簧一般使用車床繞制，受裝夾和心軸限制，使得加工后的彈簧表面出現(xiàn)劃痕。另外，防銹措施的不全面也會導(dǎo)致彈簧表面形成凹痕，其中的夾雜物是應(yīng)力集中源，在彈簧工作過程中會導(dǎo)致基體界面與夾雜物之間產(chǎn)生疲勞裂紋。最后，噴丸強化處理不徹底也會導(dǎo)致表層產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力不能有效消除，從而影響工作壽命。

2 浮動簧斷裂失效的可靠度分析

浮動簧工作時，裂紋可能會逐漸擴大導(dǎo)致彈簧斷裂，在彈簧的可靠度分析中以應(yīng)力強度因子k1表示裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力場強度，以應(yīng)力強度因子幅度Δk1作為描述促進疲勞裂紋擴展的參數(shù)。Δk1的表達式為：

其中：k1min，k1max分別為應(yīng)力強度因子的最小值和最大值；a為裂紋尺寸；α為修正系數(shù)，與裂紋的受力條件和幾何因素相關(guān)；σmin，σmax分別為作用于構(gòu)件上的應(yīng)力最小值和最大值。疲勞裂紋擴展特性可用應(yīng)力強度因子幅度Δk1與裂紋擴展速率da/dN（N為變負荷作用次數(shù)）的對數(shù)關(guān)系曲線描述［2］。疲勞裂紋擴展特性曲線如圖1所示。

圖1 疲勞裂紋擴展特性曲線

由圖1可知，Δk1＜kth（I區(qū)），裂紋不會擴展，門檻值kth的大小取決于受到的平均應(yīng)力大小和材料自身的性能；當Δk1≥kth時（II區(qū)），裂紋擴展的速率緩慢增大；當Δk1的值增加到一定程度時（III區(qū)），裂紋擴展速率急劇增加。當Δk1的最大值Δk1max超過彈簧的斷裂韌性kc（kc表示材料對裂紋擴展的抗力，其值取決于材料本身的性質(zhì)）時，彈簧斷裂。從力學(xué)角度考慮kc又是應(yīng)力強度因子幅度Δk1的臨界值，當Δk1＝kc時，裂紋體處于臨界狀態(tài)，即將斷裂。本文所進行的浮動簧抗疲勞斷裂研究是在kth≤Δk1＜kc的范圍內(nèi)（II區(qū)）進行的。

3 浮動簧的抗疲勞設(shè)計

在浮動機中彈簧件采用較多，而且要求全部為全壽命件，即工作壽命同浮動機壽命相同，所以需要對浮動簧進行抗疲勞設(shè)計。在目前技術(shù)水平下，抗疲勞的主要措施是強壓處理，強壓處理的方法是將彈簧壓并，并保持一定的時間。經(jīng)過壓并，使彈簧材料表層產(chǎn)生反向殘余應(yīng)力，提高了彈簧的承載能力。

3.1 強壓彈簧的適用范圍

強壓壓縮彈簧極限應(yīng)力的選擇范圍應(yīng)在強壓穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，表征該區(qū)域的標志是強壓系數(shù)Qy，且有Qy＝τb/σb，其中，τb為壓并應(yīng)力，σb為材料抗拉強度。

強壓系數(shù)Qy與彈簧材料及旋繞比C有關(guān)。Qy值應(yīng)在大于等于0.45但小于表1規(guī)定的范圍內(nèi)選取。另外，強壓彈簧只適合于有限壽命次數(shù)，一般不應(yīng)超過2×104次［3］。

表1 Qy值應(yīng)小于的值

3.2 疲勞強度校驗

假設(shè)浮動簧在負荷P1和P2之間不斷循環(huán)變化時，彈簧內(nèi)部所產(chǎn)生的最大和最小循環(huán)交變剪切應(yīng)力為：

其中：K為曲度系數(shù)；D2為彈簧中徑；d為鋼絲直徑。

疲勞強度的安全系數(shù)n應(yīng)滿足下式：

其中：τ0為彈簧材料的脈動疲勞極限，在變負荷作用次數(shù)N＝104次時，τ0＝0.45σb；［n］為許用安全系數(shù)，當彈簧設(shè)計計算精確、材料數(shù)據(jù)可靠時，?。踤］＝1.3～1.7，否則?。踤］＝1.8～2.2。

若已知kc和工作應(yīng)力，可以求出彈簧的臨界裂紋尺寸ac，即允許的最大裂紋尺寸，其值可由下式估算：

該裂紋判據(jù)可以定量地評估彈簧中出現(xiàn)裂紋后的安全性。

4 計算舉例

設(shè)計一個浮動簧，該浮動簧的工作變形量為Fz＝76mm，安裝高度H1＝70.5mm，要求工作負荷P2＝315N，彈簧中徑D2≤30mm，材料采用60Si2MnA，對應(yīng)的抗拉強度σb＝1 569N·mm－2。根據(jù)WJ/Z203標準可知彈簧的彈性模量G＝78 453N/mm2。

（1）初選鋼絲直徑d，計算彈簧旋繞比C及彈簧有效圈數(shù)m：初選d＝3mm，則C＝D2/d＝10，而曲度系數(shù)K＝（4C－1）/（4C－4）＋0.615/C＝1.145，圈數(shù)m＝Gd4F2/（8D23P2）＝7.1，取m＝7圈。

（2）計算壓并應(yīng)力τb：壓縮彈簧的工作變形量F2應(yīng)在壓并變形量Fb的20%～80%之間的范圍內(nèi)選取。取F2＝0.8Fb，則Fb＝F2/0.8＝95mm；又取P2＝0.8Pb，其中Pb為壓并壓力，則Pb＝P2/0.8＝394N。由此可得：

（3）驗算強壓系數(shù)Qy：已知σb＝1 569N/mm2，未進行強壓處理前，強壓系數(shù)Qy＝τb/σb＝0.813 5，查表1可知C＝10時，Qy＞0.75，不滿足要求。經(jīng)過強壓處理，在相同的工作條件下，可以將彈簧的疲勞強度提高5%～35%。取抗疲勞強化系數(shù)β＝1.1，此時的強壓系數(shù)Qy＝τb/（βσb）＝0.739＜0.75，滿足強度要求。已知60Si2MnA的斷裂韌度kc為75MPa·m1/2，強化后浮動簧的抗拉強度為1 725.9N/mm2，則浮動簧工作時的臨界裂紋尺寸為ac＝0.25（75/1 725.9）2＝4.72mm。

5 結(jié)論

通過對浮動簧進行抗疲勞設(shè)計，可以提高浮動簧的承載能力，相比于未經(jīng)強壓處理的彈簧，在設(shè)計中更容易滿足所要求達到的各個指標。

［1］王文記，趙國豪，趙舅，等.國內(nèi)外高炮浮動技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2007（3）：69-72.

［2］張強.噴油煤漿泵塞彈簧抗疲勞斷裂研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2007（2）：44-46.

［3］梁世瑞.現(xiàn)代火炮自動機技術(shù)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1995.