蝶形彈簧的受力分析及彈性拉壓桿改造

呂明秀，李志強(qiáng)

（山鋼股份萊蕪分公司 煉鐵廠，山東 萊蕪271104）

萊鋼股份煉鐵廠現(xiàn)有4臺(tái)帶式燒結(jié)機(jī)（一臺(tái)265 m2燒結(jié)機(jī)，三臺(tái)105 m2燒結(jié)機(jī)），其主傳動(dòng)形式為撓性傳動(dòng)，撓性傳動(dòng)的撓性就是彈性拉壓桿的彈性，因此都安裝著彈性拉壓桿。彈性拉壓桿主要部件為蝶形彈簧，蝶形彈簧以其結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、垂直伸縮微量等特點(diǎn)，經(jīng)常被應(yīng)用于高壓緊固，高強(qiáng)度緩沖等場(chǎng)合，燒結(jié)機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中的彈性拉壓桿，就是一個(gè)典型的特例。近幾年彈性拉壓桿頻繁出現(xiàn)損壞，造成燒結(jié)機(jī)停機(jī)，嚴(yán)重制約生產(chǎn)的穩(wěn)定順行，因此對(duì)燒結(jié)機(jī)彈性拉壓桿受力情況進(jìn)行了分析，并進(jìn)行相應(yīng)改造，提高了其使用壽命。

1 現(xiàn)狀分析

彈性拉壓桿主要部件蝶形彈簧一般成對(duì)安裝，安裝形式如圖1所示，當(dāng)?shù)螐椈墒芰r(shí)，外徑會(huì)增大，內(nèi)徑會(huì)減少，這種壓縮現(xiàn)象稱之為最大壓縮外徑和最小壓縮內(nèi)徑，因此蝶形彈簧在設(shè)計(jì)制造時(shí)，外徑和內(nèi)徑分別留有規(guī)定的徑向伸縮量。

圖1 蝶形彈簧安裝圖

由于蝶形彈簧的安裝形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一對(duì)蝶形彈簧在受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向相對(duì)位移，這個(gè)徑向相對(duì)位移使一對(duì)蝶形彈簧內(nèi)徑分別以不同方向與拉桿1圓柱外表面接觸，拉桿1對(duì)蝶形彈簧實(shí)施導(dǎo)向作用。隨著蝶形彈簧工作壓力的增加，一對(duì)蝶形彈簧在徑向相對(duì)位移的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一對(duì)相反的水平力，壓力增加，水平力增大，分別以不同方向作用在拉桿1圓柱外表面上，對(duì)拉桿1施加剪應(yīng)力。一對(duì)蝶形彈簧每完成一個(gè)壓縮工作周期都有如此過程，造成拉桿1受剪切擠壓變形。同時(shí)也影響了蝶形彈簧正常工作強(qiáng)度和性能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。蝶形彈簧受力產(chǎn)生徑向相對(duì)位移，在實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)，一對(duì)蝶形彈簧外徑接觸面不能全部接觸，而且是局部接觸或單邊接觸，造成蝶形彈簧局部受力或單邊受力，從而造成蝶形彈簧工作強(qiáng)度成倍下降，同時(shí)也導(dǎo)致蝶形彈簧扭曲變形并撕裂。根據(jù)碟形彈簧實(shí)際分析如下：

圖2 蝶形彈簧實(shí)際工作圖

其中，δ為蝶形彈簧的厚度；d為蝶形彈簧的底面直徑；D為蝶形彈簧的上部直徑；H為蝶形彈簧的外深度;h為蝶形彈簧的內(nèi)深度。(根據(jù)c=D/d=1.65查表得出)在理想狀態(tài)下，當(dāng)單個(gè)彈簧變形f=h（彈簧極限變形）時(shí)，彈簧負(fù)荷最大，即

在實(shí)際工作狀態(tài)下，蝶形彈簧單邊受力，單個(gè)彈簧變形f=0.5 h時(shí)就達(dá)到蝶形彈簧的臨界負(fù)荷狀態(tài)，即

也就是說，當(dāng)負(fù)荷超過9 034.4公斤時(shí)，彈簧就會(huì)失效。同時(shí)在理想狀態(tài)下，在拉桿1的徑向受力面上產(chǎn)生一對(duì)作用力，大小相等，方向相反。而在實(shí)際的單邊受力狀態(tài)下則在不同平面上產(chǎn)生一對(duì)大小不等的相反方向的作用力，這就對(duì)拉桿1形成了剪切力。彈簧每加載和卸載一次對(duì)導(dǎo)桿剪切一次。長(zhǎng)時(shí)間的工作后彈簧和拉桿1都受到較大的破壞。

分析認(rèn)為，造成拉桿損壞，蝶形彈簧撕裂的原因是：蝶形彈簧在工作壓力狀態(tài)下產(chǎn)生的徑向相對(duì)位移導(dǎo)致蝶形彈簧局部受力。

2 改造措施

在燒結(jié)機(jī)的檢修和更換蝶形彈簧的實(shí)踐中，找到了一種蝶形彈簧的使用方法，應(yīng)用證明，該方法克服了蝶形彈簧的徑向相對(duì)位移和局部受力，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的蝶形彈簧安裝圖

具體做法為：在一對(duì)蝶形彈簧之間加一墊片，將一對(duì)蝶形彈簧隔開，蝶形彈簧的銳角作用在墊片的平面上，與墊片平面全部接觸，克服了蝶形彈簧失穩(wěn)、扭曲變形狀態(tài)，提高了蝶形彈簧的強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目的實(shí)施，使萊鋼股份煉鐵廠燒結(jié)機(jī)彈性拉壓桿使用壽命由原來的8個(gè)月提高到了5年，每年節(jié)約燒結(jié)機(jī)拉壓桿、減速機(jī)、萬向聯(lián)軸器等的消耗40萬以上；降低了燒結(jié)機(jī)的故障停機(jī)率，提高了燒結(jié)機(jī)的作業(yè)率，作業(yè)率由93.67%提高到了98.34%，為高爐的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供了充足的原料。燒結(jié)機(jī)拉壓桿經(jīng)過改造后，每年可降低成本150萬元，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也大大減輕了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了一定的社會(huì)效益。