碟形彈簧在卷取機中的應用及計算

閆紅濤

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

碟形彈簧在卷取機中的應用及計算

閆紅濤

（中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039）

簡單介紹了碟形彈簧及其特點，介紹了碟形彈簧在卷取機中的兩個應用及其設計計算方法。

碟形彈簧；卷取機；應用；計算

1 碟形彈簧及其特點

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。碟形彈簧常被應用于重型機械（如壓力機）和大炮、飛機等武器中，作為強力緩沖和減振彈簧，用作汽車和拖拉機離合器及安全閥或減壓閥中的壓緊彈簧，以及用作機動器的儲能元件，將機械能轉換為變形能儲存起來。

碟形彈簧的特點主要有以下幾點：（1）剛度大，緩沖吸振能力強，能以小的變形承受大的載荷，適合于軸向空間要求小的場合；（2）具有變剛度特性，可通過適當選擇碟形彈簧的壓平時變形量和厚度之比，得到不同的特性曲線，其特性曲線可以呈直線形、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變化。可采用對合、疊合的組合方式（如圖1所示），也可采用組合不同厚度、不同片數等不同的組合方式，以滿足不同的要求。當疊合時，相對于同一變形，彈簧數越多則載荷越大；當對合時，對同一載荷，彈簧數越多則變形越大。

2 碟形彈簧在熱軋卷取機中的應用及計算

根據碟形彈簧承載能力大，軸向安裝空間小等特點，碟形彈簧在有色金屬加工設備的卷取機中有著很重要的應用。結合最近由我公司為國內某大型鋁加工集團設計的鋁帶熱軋試驗軋機的卷取機，介紹一下碟形彈簧在卷取機卷軸上的應用及計算。

設計的此機組為實驗性質的鋁帶熱軋機，整個機組配置力求簡單，在帶材卷取厚度范圍為3～15mm的情況下，沒有設計助卷器。為滿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構。卷軸縮徑狀態的結構如圖2所示，主要由序號1空心主軸、序號2芯桿、序號3軸向斜楔、序號4徑向斜楔、序號5扇形板和大、小兩個鉗口裝置等組成，其中序號6為應用于鉗口設計的碟形彈簧組，序號7為應用于扇形板的碟形彈簧組。卷軸漲徑狀態時的結構如圖3所示。小鉗口縮徑、漲徑時的開口度分別為a、b，大鉗口縮徑、漲徑時的開口度分別為A、B。

圖 2 卷軸縮徑狀態

圖3 卷軸漲徑狀態

2.1 大、小兩個鉗口裝置中碟形彈簧的設計計算

鉗口是卷取機卷取帶材時，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，會導致卷取過程中鉗口夾不緊帶材，無法卷取。本卷取機卷取帶材的厚度范圍為3～15mm，分大、小兩個鉗口卷取不同厚度的帶材，初步分配如下：小鉗口對應的帶材厚度為3～9mm，大鉗口對應的帶材厚度為9～15mm。

用于鉗口中夾緊帶材的碟形彈簧設計步驟如下：（1）根據徑向斜楔尺寸，結合碟形彈簧標準系列中的外徑和內徑尺寸，初定碟形彈簧的外徑和內徑；（2）根據初定的外徑和內徑尺寸，選擇碟形彈簧標準中不同系列的碟形彈簧；（3）根據不同系列的碟形彈簧的特性，計算不同系列碟形彈簧的夾緊力；（4）比較夾緊力的計算結果，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，根據徑向斜楔的尺寸，參考碟形彈簧標準（GB/T 1972-1992）系列，選取碟形彈簧的外徑為φ45mm，內徑為φ22.4mm。此規格的碟形彈簧，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，取鉗口碟形彈簧數量為10個按照對合組合的方式安裝，安裝時取1mm的預緊變形量，則分攤到每個碟簧上的預緊變形量為1/10=0.1mm。初選小鉗口的最小開口度為b=2mm，大鉗口的最小開口度為B=8mm。三個系列的碟形彈簧組夾緊力計算如下。

2.1.1 系列A碟形彈簧組夾緊力計算

（1）小鉗口：最厚料夾緊時，帶材厚度為9mm，鉗口開口度縮小至最小（2mm）時，碟形彈簧組的變形量f1=9-2=7mm；單個碟形彈簧的變形量為f2=7/10=0.7mm；單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm；此時，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，帶材厚度為3mm，鉗口開口度縮小至最小（2mm）時，碟形彈簧組的變形量為f1=3-2=1mm；單個碟形彈簧的變形量為f2=1/10=0.1mm；單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm；此時，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，帶材厚度為15mm，鉗口開口度縮小至最小（8mm）時，碟形彈簧組的變形量f1=15-8=7mm；單個碟形彈簧的變形量為f2=7/10=0.7mm；單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm；此時，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，帶材厚度為9 mm，鉗口開口度縮小至最小（8mm）時，碟形彈簧組的變形量f1=9-8=1mm；單個碟形彈簧的變形量為f2=1/10=0.1mm；單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm；此時，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算

由于初選的大、小鉗口的最大開口度、最小開口度是一樣的，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。

根據系列A的結果，大鉗口的最薄料夾緊和最厚料夾緊時的變形量，與小鉗口的最薄料夾緊和最厚料夾緊時的變形量是相同的，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：最厚料夾緊時，根據系列A的計算結果，單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm，此時，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，根據系列A的計算結果，單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm，此時，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算

同理可算出系列C的夾緊力如下：

小鉗口和大鉗口時：最厚料夾緊時，根據系列A的計算結果，單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.7 =0.8mm，此時，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，根據系列A的計算結果，單個碟形彈簧的總變形量為f3=0.1+0.1 =0.2mm，此時，碟形彈簧的夾緊力為F=（f3/f）×P=（0.2/1.2）×1890=315N。

綜合以上計算結果，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

根據計算結果分析，系列B和系列C的夾緊力太小，在卷取過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，導致卷取失敗。系列A的夾緊力比較大，基本能滿足夾緊功能。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用

卷取機卷軸中的扇形板是帶材在卷取過程中用來形成并支撐帶卷，并在漲徑以后保證卷材內徑尺寸的部件。扇形板的漲徑過程是靠徑向斜楔的推力來完成的，縮徑過程是靠碟形彈簧組的恢復力來完成的，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計步驟如下：（1）根據扇形板的尺寸，結合碟形彈簧標準系列中的外徑內徑，初定碟形彈簧的外徑和內徑；（2）根據初定的外徑內徑尺寸選擇碟形彈簧標準中不同系列的碟形彈簧；（3）根據不同系列的碟形彈簧的特性，計算不同系列碟形彈簧漲徑過程中作用在扇形板上的恢復力；（4）比較不同系列碟形彈簧的恢復力與徑向斜楔和扇形板的重量，要保證恢復力大于徑向斜楔和扇形板的重量，選擇最合適、最經濟的碟形彈簧組。

具體計算過程可以參考鉗口裝置中碟形彈簧的設計計算過程，這里不再贅述。

3 結束語

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

（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備的設計與研發工作。

2014-03-28