弹簧在旋转接头中的作用是保证密封摩擦副的紧密贴合及动、静环磨损时给以补偿。特别是在起动的场合,弹簧力是保证初始密封的重要因素。在密封摩擦副的整个工作周期直至完全磨损,弹簧张力不应改变很大,这就要弹簧具有一定的刚性。
旋转接头中所用弹簧主要在动载荷作用下工作,因此要弹簧材料具有很高的抗拉强度极限,屈服极限,弹性极限和疲劳极限,同时要求具有高的冲击韧性和塑性,在高温、低温、腐蚀介质中等特殊条件下使用的弹簧,除上述要求外,还要求具有耐热、防蚀、导电、防磁、耐低温以及恒弹性等性能。因此设计弹簧时,选择合适的材料是一项技术性很强的工作。
弹簧的工作性能就是要求在不发生塑性变形的情况下,能够产生较大的弹性变形积蓄较大的变形能。弹簧材料单位体积所能积蓄最大变形能称为最大弹性变形能。最大弹性比变形能与材料弹性极限平方成正比,而与弹性模量成反比。因而提高材料的弹性极限和降低弹性模量,可以提高弹簧的积盖变形能。
材料的化学成分和组织,对弹性极限有很大影响,因此,优选合金成分,热处理和冷热加工方法,可以提高弹性极限,例如,弹簧钢的含碳量比一般结构钢高,目的是使材料内的碳化物增多,以利于提高弹性极限,弹簧中的硅锰元素含量比较高,它们可起强化固溶体的作用,从而提高钢的弹性极限。弹簧一般采用淬火后中温回火处理的原因,也是因为回火屈氏体具有较高的弹性极限和拉伸强度缘故。由于冷塑变形可以大大提高弹性极限和拉伸强度,故较小的弹簧大量采用冷拔或冷轧强化的钢丝。
弹性模量的大小,取决于金属原子本性和晶格类型,与原子间距离有密切关系,钢在退火后弹性模量最大,淬火后降低10%左右,这是因为淬火后转变为马氏体,晶体常数发生变化的缘故,而回火后弹性模量又随着回火温度的升高而升高,知道和退火后的弹性模量一样为止。温度升高,晶格常数增大,故金属弹性模量随着温度上升而减小,因而弹簧刚度下降,永久变形量增加。
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