基于蠕变模型的波形弹簧弹力衰减特性分析及寿命预测研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.174

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (3): 413-420 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.174

基础零部件设计

基于蠕变模型的波形弹簧弹力衰减特性分析及寿命预测研究

邱海涛¹(

),王晓燕¹,胡鼎国²,胡洋²,李双喜²(

)

^1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002
^2.北京化工大学机电工程学院，北京 100029

Elasticity decay characterization analysis and life prediction of wave spring based on creep model

Haitao QIU¹(

),Xiaoyan WANG¹,Dingguo HU²,Yang HU²,Shuangxi LI²(

)

^1.AECC Hunan Powerplant Research Institute, Zhuzhou 412002, China
^2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

全文: PDF(2034 KB) HTML

摘要：

在高温环境下，波形弹簧的弹力会因弹簧应力松弛、材料老化等而衰减，从而影响密封效果，甚至导致密封装置无法正常运行。为此，基于波形弹簧弹力衰减试验数据，采用蠕变模型，建立了波形弹簧弹力衰减数值分析模型。研究了温度及初始弹力对波形弹簧弹力衰减的影响，并基于Arrhenius模型提出了波形弹簧寿命预测方法。研究结果表明，波形弹簧的弹力损失率随着温度的升高显著增大；初始弹力越大，弹力损失率越大，且弹力衰减过程分为急剧减小和缓慢减小等2个阶段；所建立的波形弹簧寿命预测模型能够准确预测波形弹簧的服役寿命。研究结果为波形弹簧在工程应用中的可靠性设计和寿命预测提供了依据。

关键词： 密封性能; 波形弹簧; 应力松弛; 弹力衰减; 寿命预测

Abstract:

In a high-temperature environment, the elasticity of wave spring will be attenuated due to the spring stress relaxation and material aging, which will affect the sealing effect and even cause the sealing device to fail to operate normally. For this reason, based on the test data of wave spring elasticity decay, a numerical analysis model of wave spring elasticity decay was established by using the creep model. The influence of temperature and initial elasticity on the wave spring elasticity decay was investigated, and a prediction method for the wave spring life was proposed based on the Arrhenius model. The research results showed that the elasticity loss rate of wave spring increased significantly with the increase of temperature. The larger the initial elasticity was, the higher the elasticity loss rate was, and the elasticity decay process was divided into two stages of sharp decrease and slow decrease. The established life prediction model could accurately predict the service life of wave spring. The research results provide a basis for the reliability design and life prediction of wave spring in engineering applications.

Key words: sealing performance wave spring stress relaxation elasticity decay life prediction

收稿日期: 2024-10-24 出版日期: 2025-07-02

CLC:

TH 135

基金资助: 国家重点研发计划资助项目(2018YFB2000800)

通讯作者: 李双喜 E-mail: 1441318633@qq.com;buctlsx@126. com

作者简介: 邱海涛（1995—），男，工程师，硕士，从事密封结构设计研究，E-mail: 1441318633@qq.com

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邱海涛,王晓燕,胡鼎国,胡洋,李双喜. 基于蠕变模型的波形弹簧弹力衰减特性分析及寿命预测研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(3): 413-420.

Haitao QIU,Xiaoyan WANG,Dingguo HU,Yang HU,Shuangxi LI. Elasticity decay characterization analysis and life prediction of wave spring based on creep model[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(3): 413-420.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.174 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I3/413

图1 波形弹簧在密封中的应用

图2 波形弹簧结构示意

图3 波形弹簧弹力衰减分析流程图

图4 压缩试验机

表1 试验用波形弹簧的结构参数

图5 不同温度下波形弹簧弹力衰减试验曲线

图6 波形弹簧应力随时间的变化曲线

表2 蠕变本构方程的参数

图7 波形弹簧网格划分

图8 波形弹簧边界条件示意

图9 不同压缩量下波形弹簧应力分布云图

图10 仿真与试验得到的波形弹簧弹力衰减曲线

图11 不同温度下波形弹簧弹力衰减仿真曲线

T/K	F₀/N	F₁/N	$(? F / F$ ₀)/%
298	11.48	11.09	3.40
373	11.48	11.07	3.57
423	11.48	11.05	3.75
573	11.48	11.02	4.01
723	11.48	10.99	4.27

表3 不同温度下波形弹簧弹力损失率

图12 弹力损失率与时间对数的关系

T/K	阶段	回归方程	R²
298	阶段1	$Δ F / F 0 = 0.007 ? 122 ? 5 l n t + 0.019 ? 884 ? 6$	0.981 93
298	阶段2	$Δ F / F 0 = 0.000 ? 868 ? 9 l n t + 0.029 ? 553 ? 6$	0.972 22
373	阶段1	$Δ F / F 0 = 0.007 ? 536 ? 8 l n t + 0.020 ? 402 ? 0$	0.991 62
373	阶段2	$Δ F / F 0 = 0.000 ? 997 ? 4 l n t + 0.030 ? 684 ? 6 ?$	0.990 08
423	阶段1	$Δ F / F 0 = 0.007 ? 752 ? 4 l n t + 0.021 ? 986 ? 7$	0.987 76
423	阶段2	$Δ F / F 0 = 0.000 ? 730 ? 7 l n t + 0.033 ? 331 ? 6$	0.920 95
573	阶段1	$Δ F / F 0 = 0.008 ? 205 ? 8 l n t + 0.024 ? 859 ? 1$	0.997 56
573	阶段2	$Δ F / F 0 = 0.000 ? 814 ? 1 l n t + 0.035 ? 727 ? 0$	0.977 76
723	阶段1	$Δ F / F 0 = 0.008 ? 699 ? 3 l n t + 0.026 ? 644 ? 9$	0.997 45
723	阶段2	$Δ F / F 0 = 0.001 ? 168 ? 2 ? l n t + 0.036 ? 658 ? 7$	0.991 48

表4 不同温度下弹力损失率与时间对数的回归方程

图13 不同初始弹力下波形弹簧弹力衰减曲线

T/K	F₀/N	F₁/N	$(? F / F$ ₀)/%
298	7.70	7.54	2.08
298	11.48	11.14	2.79
298	14.66	14.06	4.09
298	18.52	17.46	5.72

表5 不同初始弹力下波形弹簧弹力损失率

图14 波形弹簧应力松弛率对数与温度倒数的拟合曲线

图15 不同温度下积分常数对数与温度倒数的拟合曲线

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