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主题：【第六届原创】圆柱螺旋压缩弹簧负荷及刚度的检测

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limu1983

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发表于：2011/07/15 00:37:45 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

维权声明：本文为limu1983原创作品，本作者与仪器信息网是该作品合法使用者，该作品暂不对外授权转载。其他任何网站、组织、单位或个人等将该作品在本站以外的任何媒体任何形式出现均属侵权违法行为，我们将追究法律责任。

摘要

从速度对圆柱螺旋压缩弹簧负荷测试的影响、预载荷施加量对弹簧负荷测试的影响、弹簧刚度测试时弹簧变形量测试范围对弹簧刚度测试的影响几个方面分别进行实验并分析，确定了弹簧负荷以及刚度测试时的速度为（5mm/min～100 mm/min）；确定了预载荷的施加量为（0.2N～0.5N）；确定了弹簧刚度测试时的变形范围。

关键词：圆柱螺旋压缩弹簧、负荷、刚度、指定变形量、指定高度。

圆柱螺旋压缩弹簧（以下简称弹簧）在我国大量运用，但目前国内外还没有圆柱螺旋压缩弹簧负荷及刚度检测的国家及行业标准，因此在对弹簧负荷测试过程中的运行速度，以及在弹簧在指定变形量负荷测试时预载荷施加量，弹簧刚度测试时弹簧变形量的范围没有具体规定。但在弹簧负荷测试过程中, 快速压缩时自动采集的数据与慢速压缩或静止压缩采集的数据差别很大^[3]，另外，预载荷量的大小对指定变形量下弹簧负荷的测试也有影响。弹簧刚度的测量是在载荷的基础上进行的，测量刚度的办法是测量出弹簧的特性线，然后进行分析，而螺旋压缩弹簧的特性线是直线，其刚度就是特性线的斜率。但实际上弹簧的特性线不是理想的直线，这是由于弹簧的工作圈数有限、弹簧节距及其它几何参数的不均匀等原因使特性线的起始及结尾部分有些弯曲，所以测试弹簧的刚度应避开弯曲的部分^[4]，因此，必须对弹簧刚度测试时的变形量范围作出规定。

本文将从弹簧测试时速度、预载荷对弹簧负荷测试的影响以及变形量范围范围对弹簧刚度测试的影响几个方面讨论。

1：弹簧负荷的测量

在弹簧的负荷测试过程中，有两种方式：一种为指定变形量下的负荷（如图1），另一种为指定高度下的负荷（如图2）。在两种方法测试过程中，运行速度都会对弹簧负荷的测试结果有一定的影响。而在指定变形量下的负荷测试，必须先确定弹簧的自由高度才能对弹簧负荷进行进一步的测试，而在弹簧的生产过程中，每支弹簧的自由高度不一样，若对每一支弹簧都先进行自由高度的测试，不仅工作量繁琐，而且容易产生错误，因此在现有的微机控制电子式弹簧试验机程序编写中，都是先对弹簧施加一个预载荷，先测试出弹簧的自由高度，再进行弹簧指定变形下的负荷的测试。在此过程中，预载荷量的大小就对弹簧自由高度以及负荷的结果产生影响。

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2011/7/15 7:29:35 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

1.1 运行速度

弹簧负荷的测试主要为了反应弹簧在工作状态下的负荷，而快速压缩时自动采集的数据与慢速压缩或静止压缩采集的数据差别很大，而且，每批弹簧数量都很大，若采用很小的速度下进行，弹簧的测试时间长，工作效率低下。因此，弹簧负荷的测试时的载荷运行速度必须在一定的范围内进行。

在5mm/min、10 mm/min、20 mm/min、50 mm/min、100 mm/min的运行速度下分别对弹簧进行指定变形和指定高度下负荷的测试，弹簧的指定变形量为32.8mm，指定高度为190mm，静载荷保持时间为3s，指定变形量下负荷测试时的预加载为0.5N。每组数据测试为6次，计算其平均值，然后利用Origin软件对平均值相差较大的数据进行双向t检验，指定变形量的比较数据为20 mm/min和100 mm/min测出的弹簧负荷，指定高度下负荷的比较数据为5 mm/min和50 mm/min测出的弹簧负荷，分别得出的数据为图3、图4。

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2011/7/15 7:33:49 Last edit by limu1983

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从图3可以得出，当运行速度20mm/min和100mm/min时，测出的指定变形量下的弹簧负荷在0.05的显著性水平下的平均值是一致的，从图4可以得出，当运行速度5 mm/min和50mm/min时，测出的指定变形量下的弹簧负荷在显著性水平为0.05下的平均值是一致的。图3和图4比较的是平均值差异最大的值，而差异最大的值在显著性水平为0.05的平均值是一致的，可以认为在当运行速度在（5～100）mm/min的范围内时，在显著性水平为0.05下的平均值是一致的。因此，可以得出：当运行速度在（5～100）mm/min的范围内时，速度对弹簧负荷的检测没有影响。

1.2 预载荷

在对弹簧压缩指定变形量下负荷测量时，必须先确定弹簧的自由高度，然后将弹簧压缩规定变形测试出弹簧的负荷。而每支弹簧的自由高度不同，因此在测量负荷之前必须先确定被测试的弹簧的自由高度，而现阶段弹簧自由高度的测量一般采用游标卡尺或高度尺进行人工测量。而一般的弹簧产量大，需测量弹簧负荷的弹簧数量多，若在弹簧负荷测量之前先人工确定弹簧的自由高度然后在进行弹簧负荷的测量，不仅效率低下，而且易于出错。因此，在现在微机控制的弹簧试验机的弹簧测量软件的编写中，都是先给定一个预载荷测量出弹簧的自由高度，然后对弹簧压缩指定变形量测量出弹簧的负荷。而对弹簧施加一个预载荷必定会对弹簧指定变形量下的负荷产生一定的影响。因此，必须对弹簧测量指定变形量下负荷时的预载荷量予以规定。

设定弹簧测试时的运行速度50mm/min的，分别对弹簧在检测指定变形量下的负荷设定预加载量为0.2N、0.5N、1.0N、1.5N、2.0N、2.5N，指定变形量为30mm，静载荷保持时间3s，每个点测试6次负荷，然后计算其平均值，绘出预载荷量对弹簧负荷测试影响图。

从图5可以看出，随着预载荷设定的增加，弹簧指定变形量下的负荷也增加，因此，设定的预载荷量越大，对弹簧指定变形量下的负荷的测量也越大，为了使预载荷量的施加对弹簧负荷测量的影响减少到最低，必须使预载荷的施加量越小越好，但若预载荷过小，由于试验机分辨力的原因，在预载荷过小的情况下测试弹簧负荷，试验过程中会出来试验机上压盘没有接触到所测试的弹簧而试验程序默认试验机接触了弹簧而测出弹簧的自由高度，从而影响弹簧负荷的测量。

因此，综合各方面的因素，将测试弹簧指定变形量下的负荷时的预加载设定为（0.2～0.5）N此时，若测定指定变形量下负荷为100N的弹簧，预载荷对弹簧的影响为0.2％～0.5％，因此，设定预载荷为（0.2～0.5）N可以将预载荷的施加对弹簧测量的影响降至很低。

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2011/7/15 7:43:47 地板管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

2 弹簧刚度的测量

弹簧的刚度是指负荷增量dF与变形增量df之比，即产生单位变形所需的负荷。弹簧刚度的测量是在弹簧负荷测量的基础上进行，测量弹簧刚度的办法是测出弹簧的特性线，然后进行分析，具有直线型特性线的弹簧刚度就是特性线的斜率，具有曲线型特性线的弹簧刚度是变值。但实际上即使是圆柱螺旋弹簧，其特性线亦不是理想的直线。这是由于弹簧的工作圈数有限、弹簧节距及其他几何参数的均匀等原因使特性线起始及结尾部分有些弯曲，如图6所示，所以测量弹簧的刚度应避免弯曲的部分。因此，测量弹簧刚度时就必须确定出在弹簧变形量多少范围内进行测定。

测量弹簧刚度的一般方法是在整个弹簧变形量的20％～80％范围内，均匀地多测几点负荷，如F₁（H₁）、F₂(H₂)、F₃（H₃）、…..F_n（H_n），共n点，再求出平均刚度F’。但是在实际生长过程中，由于每次弹簧测量的数量巨大，因此，测量弹簧刚度时选择在弹簧变形量在试验负荷下变形量的30%～70%之间选择两个点测量负荷，然后计算出弹簧的刚度。

压缩弹簧刚度的具体检测方法由如图7的两种程序，一为指定高度下的刚度，另一种为指定变形量下的刚度。

根据以上的几种测试程序，选择同一只弹簧设计试验程序。

（一）设定运行速度50mm/min，预载荷为0.5N，静载荷保持时间3s，将弹簧压缩指定，记录下此两点的弹簧负荷，每个点测试6次。

（二）设定运行速度50mm/min，静载荷保持时间3s，将弹簧压缩至指定高度，记录下此两点的弹簧负荷，每个点测试6次。

对得出的数据利用Origin软件进行双向t检验，得出数据见图8。从图8可以得出，在显著性水平为0.05的情况下，两种方法的平均值是一致的，因此，可以得出：两种测量程序得出的弹簧刚度是一致的。

3 结论

通过对速度对弹簧负荷测试时的影响以及预载荷对弹簧测试指定变形量下负荷测量影响的分析，可以得出：当速度在（5mm/min～100 mm/min），预载荷施加范围为（0.2N～0.5N）时，对弹簧负荷的检测没有影响。

弹簧刚度测试时选择在弹簧变形量在试验负荷下变形量的30%～70%之间选择两个点测量指定变形量或指定高度下的负荷，然后计算出弹簧的刚度。

弹簧负荷和刚度检测时的相对不确定度分别为0.7%，2.0%(k=2)。

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2011/7/15 17:33:57 Last edit by limu1983