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碟簧在自由锻锤基础隔振改造中的应用 |
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作者：华中理工大学 徐荣光 何永标 |
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摘要：通过某厂锻锤隔振基础改造的工程实践，简要介绍了碟簧在锻锤隔振基础改造中的应用；并对碟簧有关参数选择、组合方式及反压限幅等问题进行了探讨。
关键词：碟簧；锻锤基础；隔振
锻锤基础历来都是采用砧座下设置硬质垫木的安装方式。锻锤工作时，由于砧座下垫木层刚度很大，高达800KN/mm以上，砧座动量激发的动压力无法得以有效衰减，沿垫木、基础、地基向四周传播，造成地面强烈振动。减小地面振动的有效途径是在砧座与基础之间设置刚度相对较小的弹性元件和适当阻尼值的阻尼元件代替垫木，利用弹性元件的变形将砧座的动量转变为弹性能，使作用于基础的动压得以有效衰减。但由于砧座与基础底板之间空间尺寸有限，以M132A 1t自由锻锤为例，竖向空间尺寸仅37cm，如采用圆柱弹簧隔振，空间尺寸难以满足要求；如采用橡胶块隔振，则橡胶老化现象比较严重，有效使用寿命过短。1991年，我校隔振课题组研制完成以碟簧为主要元件的锻锤隔振器(图1)，并于1993年应用于湖南长岭炼油厂机械分厂M132A自由锻锤基础隔振改造。
图1隔振器示意图
1.上盖板2.嵌套柱3.碟簧4.钢丝绳元件5.下盖板
该锻锤隔振改造前，测得基础位移1.8mm，基础加速度为1.8g。隔振改造后，基础位移减少了87%，基础加速度降低了94%，隔振效果十分显著(表1)。表1改造后振动参数
| 振动参数 | 频率Hz | 阻尼比 | 砧座位移mm | 基础位移mm | 基础加速度g×ms-2 | | 测试值 | 11 | 0.18 | 7.20 | 0.24 | 0.10 | | 理论设计值 | 11 | 0.18 | 8.00 | 0.40 | 0.20 | | 允许值 | 11 | - | 10.00 | 0.50 | 0.20 |
一、碟簧参数选择
碟簧在锻锤隔振基础中，承受主要外载荷，并提供阻尼，碟簧剖面见图2。
图2碟簧剖面
锻锤隔振基础中采用的碟簧应按载荷与变形关系，载荷大小、结构尺寸等要求进行选择。以下一些参数的确定是重要的。
1.C值的选择(C＝D/d)
碟簧单位体积作功能力与C值有关，一般在C≈1.7时，作功能力最大。因此，设计用于锻锤隔振器的碟簧时，可取C＝1.6～2.5。C值对碟簧刚度特性曲线也有很大影响，C值越大，碟簧刚度越小。综合上述因素，一般可取C≈2.0。
2.比值h0/δ的选择
碟簧净高h0与厚度δ的比值h0/δ变化时，碟簧载荷—变形曲线，将随之改变，见图3。
图3碟簧载荷—变形曲线
当h0/δ≈0.4时，P—f特性曲线近于直线，变形随负荷增大而呈线性增长。
当 时，当变形f＝0.8h0，负荷达最大值；变形再增大时，负荷也不再增大，出现碟簧刚度趋于零的区域。
当时，特性曲线有转折点。以h0/δ＝1.8为例，当f＝0.6h0时，负荷达最大值，f＞0.6h0时，随着变形增大，负荷反而减小，出现所谓“负刚度”特性。这种“负刚度”和“零刚度”特性容易造成碟簧突然压平、折断。
锻锤隔振基础中，碟簧不能出现“零刚度”或“负刚度”特性，否则砧座位移将无法控制，呈现不稳定状态。为防止“零刚度”及“负刚度”特性出现，h0/δ不应大于1.3。
3.变形值f的选择
碟簧具有变刚度特性(见图3)，随着f/h0比值增大，变刚度特性渐趋突出，为保证隔振器平稳工作并具有足够安全性，变形值f不宜大于0.6h0，而且，如选用60Si2MnA或50CrVA钢材制造的碟簧，当f≤0.6h0时，其静强度也必然满足，不需校验静强度。
二、碟簧组合形式
由于隔振效率的要求，砧座振幅约为10mm左右，单片碟簧难以提供10mm变形量，应由数片碟簧对合组合(串联)，另外，单片碟簧负荷能力也往往不够，簧片还应叠合(并联)，即采用“复合组合”形式(图4)。
图4复合组合碟簧
复合组合件由叠合(叠合片数n)和对合(对合片数i)碟簧复合而成。叠合片数n和对合片数i由负荷值和总变形量决定：
Pz＝nP(1)
Fz＝if(2)
Hz＝i［H+(n-1)δ］(3)
式中P——单片碟簧承受载荷，KN
Pz——复合组合碟簧组承受载荷，KN
n——碟簧叠合片数
f——单片磺簧的变形量，mm
Fz——复合组合碟簧组总变形量，mm
H——单片碟簧的自由高度，mm
Hz——复合组合碟簧组的总自由高度，mm
碟簧叠合组合后，不但碟簧承受载荷能力增加，而且簧片之间大面积接触，振动过程中提供磨损阻尼。实测结果，当采用2片叠合时，阻尼功约为碟簧总变形功的8%。叠合片数n一般不超过3片。
为了保证复合碟簧组可靠工作，组合时，隔振器刚性嵌套柱上下盖板应与碟簧外周边相接触。如有困难，至少上盖板应与碟簧外周边相接触(见图1，图5)。
图5碟簧复合组合相对位置
(a)合理(b)不合理
三、反压限幅控制
碟簧只有在受压变形时才做功，并且随载荷Pz增大而增加(图6)。当载荷Pz减小至零后，碟簧恢复原位；当Pz反向后，碟簧脱离工作。因而碟簧工作是单向的。而锻锤工作中，砧座在原位附近上下振动，既有向下运动时刻，也有向上运动时刻，当砧座产生向上反弹时，可能使复合碟簧组中碟簧与碟簧之间脱离接触退出工作，因而，必须对竖向向上位移予以控制。在锻锤其它型式隔振基础中，通常解决办法是在砧座上部设置钢梁抑制反弹，这种办法增加技术改造的复杂性，而且有损结构系统的美观。碟簧隔振器则在内部增设反压限幅控制装置，控制砧座反弹，克服碟簧只能单向工作的缺陷。这种反压装置体积小，构造简单，使锻锤隔振基础的技术改造简单可行。
图6
当砧座向下运动时，反压控制装置不参与工作，当砧座恢复零位时，反压控制装置被启动；当砧座继续向上运动时，反压控制装置提供约束力，反压控制装置P—△曲线示于图7。
图7反压控制装置载荷—变形曲线
四、隔振器变形控制
图8为隔振器载荷—变形曲线。正常打击载荷处于载荷—变形曲线OA段内，此时碟簧内的应力较小，碟簧变形f＞0.6h0(h0为碟簧内侧净高)。超常工作时(如冷击等)曲线将处于AB段，为了确保碟簧内应力不致过大，同时考虑到冷击的次数有限，采用构造措施使载荷达到A点(此时，碟簧变形f＝0.6h0)后，再增加的载荷将全部转移至由刚性嵌套柱承担，碟簧本身不再增加新的载荷。此时，隔振器的载荷—变形曲线为竖直线AB。这样既确保了碟簧的使用寿命。又保证了隔振器在意外情况下不会破坏。
图8隔振器载荷—变形曲线
参考文献
［1］振动计算与隔振设计组.振动计算与隔振设计.北京：中国建筑工业出版社，1976.
［2］张英会主编.弹簧.北京：机械工业出版社，1982.
［3］A.M.Whal.Mechanical Spring.McGraw－Hill,1961.(end)
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(4/24/2007) |
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