冲击载荷下的多股螺旋弹簧的失效机理研究

A stranded-wire helical spring rolled by multi steel wires is special elastic component with nonlinear damping characteristics has a strong buffer damping effect on impact load, which is often used as the key parts of heavy machinery, aerospace equipment and automatic weapons and other products. The failure of fatigue fracture and stress relaxation occurred due to the coupling effect of various strands of steel wire under the impact load, the study of stranded-wire helical spring’s failure is of great importance for the reliability of equipments. This research project re-induces parameter model of a stranded-wire spring. Based on the forming characteristics of single strand wire, the research decomposes a stranded-wire spring into parallel action of the double helix elastic thin rod steels with circular section. The research, based on wave theory of stranded-wire helical spring, focuses on the low-amplitude dual-rotary fretting mechanism lie in the full contact line between different steel wires, and investigates the effect of fretting on the dynamic properties of the stranded-wire spring, the organizational performance changes caused by contact stress, and finally reveals the interaction pattern between the dual-rotary fretting and the failure in service performance as fatigue fracture and stress relaxation, which can provide theory support and technical guarantee for the application of strand-wire spring in a wide range.

多股螺旋弹簧是由多股钢丝绕制而成的特殊弹性元件，它的非线性阻尼特性使其在承受冲击载荷时具有较强的缓冲减振作用，是重型器械、航天设备和自动武器等产品的关键零件。多股螺旋弹簧在冲击载荷作用下，因各股钢丝耦合作用、协调变形过程中而出现疲劳破坏和弹性减退，影响设备的可靠性，多股螺旋弹簧的失效问题研究凸显重要性。本项目研究重新归纳多股螺旋弹簧的参数模型，根据单股钢丝的成形特点，提出将多股螺旋弹簧分解为基于圆截面双螺旋弹性细杆束的并联作用。研究内容围绕冲击载荷下的多股螺旋弹簧振动的波动理论展开，研究多股螺旋弹簧股与层钢丝和层与层钢丝之间全接触线上的低振幅扭动-转动复合微动摩擦机理，探讨微动摩擦对于弹簧动态性能的影响，接触应力引起的多股螺旋弹簧组织性能的变化情况，揭示复合微动摩擦与多股螺旋弹簧的疲劳破坏和弹性减退失效服役性能之间的作用规律，为加快多股螺旋弹簧应用领域的广泛化提供理论支撑和技术保障。

多股螺旋弹簧是由多股钢丝绕制而成的特殊弹性元件，它的非线性阻尼特性使其在承受冲击载荷时具有较强的缓冲减振作用，是重型器械、航天设备和自动武器等产品的关键零件。多股螺旋弹簧在冲击载荷作用下，因各股钢丝耦合作用、协调变形过程中而出现疲劳破坏和弹性减退失效问题，多股螺旋弹簧的服役性能研究凸显重要性。本项目针对微动磨损引起的疲劳失效问题，首先，通过分析多股螺旋弹簧的加工特点和几何结构，对多股螺旋弹簧的参数体系进行了归纳整理，建立了多股螺旋弹簧的几何模型和有限元分析模型。其次，进行了多股螺旋弹簧性能分析的相关理论研究工作，并对多股螺旋弹簧动态性能的进行分析，包括理论分析和有限元模拟分析。最后，设定了钢丝微动摩擦磨损的实验方案，并进行了实验研究和数据分析。同时，也完成了微动摩擦磨损行为的有限元模拟分析工作。通过研究，在多股螺旋弹簧参数体系总结的基础上，完成了多股螺旋弹簧的计算分析模型建立；完成了多股螺旋弹簧波动、摩擦、弹塑性力学等相关理论工作和性能分析工作；将多股螺旋弹簧看作是具有二次螺旋结构的钢丝耦合，研究了钢丝表面的接触和微动磨损情况，为多股螺旋弹簧的失效分析提供了研究基础。本项目研究在一定程度上揭示了不同条件对多股螺旋弹簧钢丝之间的摩擦磨损的影响及程度，通过建模能够对摩擦磨损进行一定的预测，建立了钢丝之间的微动磨损与疲劳失效之间的关联。项目针对多股螺旋弹簧的理论分析较为全面，可以为多股螺旋弹簧的深入研究提供研究基础。摩擦磨损行为实验分析与有限元分析相结合的研究过程及解决方案，也完善了多股螺旋弹簧失效问题研究手段，为多股螺旋弹簧的寿命预测和可靠性研究提供技术支持。