多股簧鋼絲扭動(dòng)微動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、多股螺旋彈簧(簡(jiǎn)稱(chēng)多股簧)是由多股碳素鋼絲擰成鋼索繞制而成。在高速往復(fù)復(fù)位過(guò)程中,彈簧各股鋼絲緊密接觸,產(chǎn)生摩擦阻尼作用,可達(dá)到良好的吸振和減振效果,因此它是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)武器等產(chǎn)品的關(guān)鍵零件。多股簧還廣泛應(yīng)用于振動(dòng)設(shè)備(如振動(dòng)篩、振動(dòng)粉碎設(shè)備等)、高精度臺(tái)面和要求很平穩(wěn)的運(yùn)輸車(chē)輛等,以取代傳統(tǒng)的單股彈簧和橡膠彈簧。
　　目前的研究主要集中在多股簧的靜態(tài)響應(yīng)和成形方法,對(duì)多股簧鋼絲間的接觸機(jī)理研究較少。多股簧承受軸向載荷時(shí),鋼索

2、主要受到扭矩作用。經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力循環(huán)后,在鋼絲表面局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊金屬剝落,形成麻點(diǎn)或凹坑,最后導(dǎo)致彈簧失效,扭動(dòng)微動(dòng)磨損是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的重要原因。因此扭動(dòng)微動(dòng)應(yīng)力分布及鋼絲間接觸機(jī)理分析應(yīng)成為重點(diǎn)研究,但還未有此方面的研究工作。本文旨在通過(guò)計(jì)算扭動(dòng)微動(dòng)表層下應(yīng)力分布,深入研究多股簧損傷機(jī)理,完善相關(guān)理論研究基礎(chǔ)。本文主要進(jìn)行了如下研究工作:
　　首先,多股螺旋彈簧的各股鋼絲在空間結(jié)構(gòu)上為二次螺旋形式,通過(guò)空間坐標(biāo)變換的方法,

3、建立了彈簧中各股鋼絲中心線的空間曲線數(shù)學(xué)模型。利用三維建模軟件的螺旋掃描功能,建立了兩段并圈多股簧的三維實(shí)體模型。根據(jù)恢復(fù)力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了能夠真實(shí)反映多股簧動(dòng)態(tài)特性,并以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的指數(shù)模型;在MATLAB中擬合了加載,卸載及過(guò)渡曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式,為后續(xù)多股簧的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論提供了重要的計(jì)算模型。
　　第二,多股簧鋼絲為典型圓柱體接觸,本文通過(guò)理論推導(dǎo),證明了圓柱體接觸可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的球體接觸。建立了扭動(dòng)微動(dòng)模型,精確計(jì)算扭動(dòng)

4、微動(dòng)時(shí)的表層切向力、扭矩和扭轉(zhuǎn)角。由扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線形狀可知扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線呈橢圓形時(shí),接觸中心處于粘著狀態(tài),接觸邊緣發(fā)生微滑。當(dāng)扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線呈平行四邊形時(shí),扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行于完全滑移狀態(tài)。
　　第三,扭動(dòng)微動(dòng)處于卸載狀態(tài)時(shí),表面切向力表達(dá)式非常復(fù)雜,很難推導(dǎo)出表層下應(yīng)力分布解析解。本文采用半解析法,表層下的待求點(diǎn)應(yīng)力由表面壓力和切向應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力疊加得到,表面壓力及切向力和相應(yīng)影響系數(shù)由解析公式求得,利用離散

5、卷積和快速傅立葉變換提高求和計(jì)算效率。算法僅在關(guān)心的接觸區(qū)域劃分網(wǎng)格,縮短計(jì)算時(shí)間。通過(guò)對(duì)比加載情況下的應(yīng)力分布數(shù)值解和解析解來(lái)驗(yàn)證算法。結(jié)果顯示該算法是一種準(zhǔn)確、高效的數(shù)值計(jì)算方法。
　　第四,通過(guò)各股鋼絲間法向接觸力及角位移的數(shù)學(xué)模型所得到的試驗(yàn)參數(shù),在新型試驗(yàn)裝置上模擬了鋼絲間發(fā)生的扭動(dòng)微動(dòng);利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜(EDX)對(duì)材料進(jìn)行微觀分析,系統(tǒng)研究了不同試驗(yàn)工況對(duì)多股簧鋼絲扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行行為和損

6、傷機(jī)理的影響。研究了初始屈服點(diǎn)位置和材料磨損機(jī)制間對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)比不同粘著區(qū)域系數(shù)下的磨痕圖,當(dāng)最大應(yīng)力點(diǎn)在表層以下時(shí),磨損以輕微的氧化磨損,表面出現(xiàn)部分裂紋。最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在接觸表面時(shí),磨損機(jī)制主要是粘附磨損,磨損較為嚴(yán)重,伴有大塊材料剝落。
　　最后,根據(jù)多股簧鋼索結(jié)構(gòu),通過(guò)微分幾何的方法得到了多股簧相鄰鋼絲間接觸角。結(jié)合經(jīng)典Hertz理論建立了鋼絲間橢圓接觸模型,得到了鋼絲橢圓接觸表面長(zhǎng)半軸,短半軸,最大表面接觸壓力。計(jì)算鋼絲