碟形彈簧在卷取機(jī)中的應(yīng)用及計(jì)算

閆紅濤

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

碟形彈簧在卷取機(jī)中的應(yīng)用及計(jì)算

閆紅濤

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

簡(jiǎn)單介紹了碟形彈簧及其特點(diǎn)，介紹了碟形彈簧在卷取機(jī)中的兩個(gè)應(yīng)用及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

碟形彈簧；卷取機(jī)；應(yīng)用；計(jì)算

1 碟形彈簧及其特點(diǎn)

碟形彈簧是用金屬板料或鍛壓坯料沖壓形成的截錐面的碟狀墊圈式彈簧。碟形彈簧常被應(yīng)用于重型機(jī)械（如壓力機(jī)）和大炮、飛機(jī)等武器中，作為強(qiáng)力緩沖和減振彈簧，用作汽車(chē)和拖拉機(jī)離合器及安全閥或減壓閥中的壓緊彈簧，以及用作機(jī)動(dòng)器的儲(chǔ)能元件，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為變形能儲(chǔ)存起來(lái)。

碟形彈簧的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：（1）剛度大，緩沖吸振能力強(qiáng)，能以小的變形承受大的載荷，適合于軸向空間要求小的場(chǎng)合；（2）具有變剛度特性，可通過(guò)適當(dāng)選擇碟形彈簧的壓平時(shí)變形量和厚度之比，得到不同的特性曲線(xiàn)，其特性曲線(xiàn)可以呈直線(xiàn)形、漸增形、漸減形或是它們的組合；（3）用同樣的碟形彈簧采用不同的組合方式，能使彈簧特性在很大范圍內(nèi)變化?？刹捎脤?duì)合、疊合的組合方式（如圖1所示），也可采用組合不同厚度、不同片數(shù)等不同的組合方式，以滿(mǎn)足不同的要求。當(dāng)疊合時(shí)，相對(duì)于同一變形，彈簧數(shù)越多則載荷越大；當(dāng)對(duì)合時(shí)，對(duì)同一載荷，彈簧數(shù)越多則變形越大。

2 碟形彈簧在熱軋卷取機(jī)中的應(yīng)用及計(jì)算

根據(jù)碟形彈簧承載能力大，軸向安裝空間小等特點(diǎn)，碟形彈簧在有色金屬加工設(shè)備的卷取機(jī)中有著很重要的應(yīng)用。結(jié)合最近由我公司為國(guó)內(nèi)某大型鋁加工集團(tuán)設(shè)計(jì)的鋁帶熱軋?jiān)囼?yàn)軋機(jī)的卷取機(jī)，介紹一下碟形彈簧在卷取機(jī)卷軸上的應(yīng)用及計(jì)算。

設(shè)計(jì)的此機(jī)組為實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的鋁帶熱軋機(jī)，整個(gè)機(jī)組配置力求簡(jiǎn)單，在帶材卷取厚度范圍為3～15mm的情況下，沒(méi)有設(shè)計(jì)助卷器。為滿(mǎn)足不同厚度帶材的卷取，本卷軸采用了大鉗口和小鉗口的雙鉗口形式，本卷軸采用的是閉式三斜楔結(jié)構(gòu)。卷軸縮徑狀態(tài)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由序號(hào)1空心主軸、序號(hào)2芯桿、序號(hào)3軸向斜楔、序號(hào)4徑向斜楔、序號(hào)5扇形板和大、小兩個(gè)鉗口裝置等組成，其中序號(hào)6為應(yīng)用于鉗口設(shè)計(jì)的碟形彈簧組，序號(hào)7為應(yīng)用于扇形板的碟形彈簧組。卷軸漲徑狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。小鉗口縮徑、漲徑時(shí)的開(kāi)口度分別為a、b，大鉗口縮徑、漲徑時(shí)的開(kāi)口度分別為A、B。

圖 2 卷軸縮徑狀態(tài)

圖3 卷軸漲徑狀態(tài)

2.1 大、小兩個(gè)鉗口裝置中碟形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

鉗口是卷取機(jī)卷取帶材時(shí)，將帶材夾在卷筒上的裝置，其夾緊帶材的夾緊力大小由所選用的碟形彈簧組決定，如果夾緊力太小，會(huì)導(dǎo)致卷取過(guò)程中鉗口夾不緊帶材，無(wú)法卷取。本卷取機(jī)卷取帶材的厚度范圍為3～15mm，分大、小兩個(gè)鉗口卷取不同厚度的帶材，初步分配如下：小鉗口對(duì)應(yīng)的帶材厚度為3～9mm，大鉗口對(duì)應(yīng)的帶材厚度為9～15mm。

用于鉗口中夾緊帶材的碟形彈簧設(shè)計(jì)步驟如下：（1）根據(jù)徑向斜楔尺寸，結(jié)合碟形彈簧標(biāo)準(zhǔn)系列中的外徑和內(nèi)徑尺寸，初定碟形彈簧的外徑和內(nèi)徑；（2）根據(jù)初定的外徑和內(nèi)徑尺寸，選擇碟形彈簧標(biāo)準(zhǔn)中不同系列的碟形彈簧；（3）根據(jù)不同系列的碟形彈簧的特性，計(jì)算不同系列碟形彈簧的夾緊力；（4）比較夾緊力的計(jì)算結(jié)果，選擇最合適的碟形彈簧。

卷筒鉗口裝置中的碟形彈簧是安裝在徑向斜楔里的，根據(jù)徑向斜楔的尺寸，參考碟形彈簧標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 1972-1992）系列，選取碟形彈簧的外徑為φ45mm，內(nèi)徑為φ22.4mm。此規(guī)格的碟形彈簧，共有三種系列，尺寸及特性如表1。

表1 卷筒鉗口裝置中的碟形彈簧系列

根據(jù)大、小鉗口夾緊帶材的厚度范圍和徑向斜楔的徑向尺寸限制，取鉗口碟形彈簧數(shù)量為10個(gè)按照對(duì)合組合的方式安裝，安裝時(shí)取1mm的預(yù)緊變形量，則分?jǐn)偟矫總€(gè)碟簧上的預(yù)緊變形量為1/10=0.1mm。初選小鉗口的最小開(kāi)口度為b=2mm，大鉗口的最小開(kāi)口度為B=8mm。三個(gè)系列的碟形彈簧組夾緊力計(jì)算如下。

2.1.1 系列A碟形彈簧組夾緊力計(jì)算

（1）小鉗口：最厚料夾緊時(shí)，帶材厚度為9mm，鉗口開(kāi)口度縮小至最?。?mm）時(shí)，碟形彈簧組的變形量f1=9-2=7mm；單個(gè)碟形彈簧的變形量為f2=7/10=0.7mm；單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm；此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為：F=（f3/f）×P=（0.8/0.75）×7720=8234.7N。

最薄料夾緊時(shí)，帶材厚度為3mm，鉗口開(kāi)口度縮小至最小（2mm）時(shí)，碟形彈簧組的變形量為f1=3-2=1mm；單個(gè)碟形彈簧的變形量為f2=1/10=0.1mm；單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm；此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為：F=（f3/f）×P=（0.2/0.75）×7720=2058.7N。

（2）大鉗口：最厚料夾緊時(shí)，帶材厚度為15mm，鉗口開(kāi)口度縮小至最?。?mm）時(shí)，碟形彈簧組的變形量f1=15-8=7mm；單個(gè)碟形彈簧的變形量為f2=7/10=0.7mm；單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm；此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為：F=（f3/f）×P=（0.8/0.75）×7720=8234.7N。

最薄料夾緊時(shí)，帶材厚度為9 mm，鉗口開(kāi)口度縮小至最?。?mm）時(shí)，碟形彈簧組的變形量f1=9-8=1mm；單個(gè)碟形彈簧的變形量為f2=1/10=0.1mm；單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm；此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為：F=（f3/f）×P=（0.2/0.75）×7720=2058.7N。

2.1.2 系列B碟形彈簧組夾緊力計(jì)算

由于初選的大、小鉗口的最大開(kāi)口度、最小開(kāi)口度是一樣的，卷取的帶材厚度范圍也是一樣的，所以不同系列的碟形彈簧組的變形量也是一樣的，只是不同碟形彈簧的剛度特性不一樣決定了不同碟形彈簧具有不同的夾緊力。

根據(jù)系列A的結(jié)果，大鉗口的最薄料夾緊和最厚料夾緊時(shí)的變形量，與小鉗口的最薄料夾緊和最厚料夾緊時(shí)的變形量是相同的，故同系列碟簧大、小鉗口的夾緊力也是相同的。

小鉗口和大鉗口時(shí)：最厚料夾緊時(shí)，根據(jù)系列A的計(jì)算結(jié)果，單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm，此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為F=（f3/f）×P=（0.8/0.98）×3660=2987.8N。

最薄料夾緊時(shí)，根據(jù)系列A的計(jì)算結(jié)果，單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm，此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為F=（f3/f）×P=（0.2/0.98）×3660=746.9N。

2.1.3 系列C碟形彈簧組夾緊力計(jì)算

同理可算出系列C的夾緊力如下：

小鉗口和大鉗口時(shí)：最厚料夾緊時(shí)，根據(jù)系列A的計(jì)算結(jié)果，單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm，此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為F=（f3/f）×P=（0.8/1.2）×1890=1260N。

最薄料夾緊時(shí)，根據(jù)系列A的計(jì)算結(jié)果，單個(gè)碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm，此時(shí)，碟形彈簧的夾緊力為F=（f3/f）×P=（0.2/1.2）×1890=315N。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，不同系列碟形彈簧的夾緊力如表2所示。

表2 不同系列碟形彈簧的夾緊力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，系列B和系列C的夾緊力太小，在卷取過(guò)程中容易夾不住帶材，使料頭從鉗口中滑脫，起不到夾緊作用，導(dǎo)致卷取失敗。系列A的夾緊力比較大，基本能滿(mǎn)足夾緊功能。故選擇系列A的碟形彈簧組。

所選碟形彈簧組的工作圖如圖4所示。

圖4 碟形彈簧組工作圖

2.2 碟形彈簧在卷筒扇形板上的應(yīng)用

卷取機(jī)卷軸中的扇形板是帶材在卷取過(guò)程中用來(lái)形成并支撐帶卷，并在漲徑以后保證卷材內(nèi)徑尺寸的部件。扇形板的漲徑過(guò)程是靠徑向斜楔的推力來(lái)完成的，縮徑過(guò)程是靠碟形彈簧組的恢復(fù)力來(lái)完成的，所以用在扇形板上的碟形彈簧組主要作用是能承受扇形板和徑向斜楔的重量，并能有一定的預(yù)緊力能使扇形板縮徑到位。

用于扇形板中的碟形彈簧選用設(shè)計(jì)步驟如下：（1）根據(jù)扇形板的尺寸，結(jié)合碟形彈簧標(biāo)準(zhǔn)系列中的外徑內(nèi)徑，初定碟形彈簧的外徑和內(nèi)徑；（2）根據(jù)初定的外徑內(nèi)徑尺寸選擇碟形彈簧標(biāo)準(zhǔn)中不同系列的碟形彈簧；（3）根據(jù)不同系列的碟形彈簧的特性，計(jì)算不同系列碟形彈簧漲徑過(guò)程中作用在扇形板上的恢復(fù)力；（4）比較不同系列碟形彈簧的恢復(fù)力與徑向斜楔和扇形板的重量，要保證恢復(fù)力大于徑向斜楔和扇形板的重量，選擇最合適、最經(jīng)濟(jì)的碟形彈簧組。

具體計(jì)算過(guò)程可以參考鉗口裝置中碟形彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，這里不再贅述。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著碟形彈簧在機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)碟形彈簧性能的要求也越來(lái)越高。但是，碟形彈簧的高度和板厚在制造中如果出現(xiàn)不一致性，其成組特性也會(huì)有較大的偏差。因此碟形彈簧制造難度大，成品率低，和其他類(lèi)型的彈簧相比，這是它的缺點(diǎn)。

（編輯：余東梅）

Application and Calculation of Disk Spring to Coiler

YAN Hong-tao
(China Nonferrous Metals Processing Technology Co.,Ltd, Luoyang 471039,China）

The characteristics of disk spring were introduced simply, and two applications of disk spring to coiler and designing calculation mechods were introduced as well.

disk spring; coiler; application; calculation

TG333.2+4，TH135

A

1005-4898(2014)04-0023-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.06

閆紅濤（1981-），男，河南許昌人，工程師，主要從事有色金屬壓延加工設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。

2014-03-28