碟形弹簧在卷取机中的应用及计算

闫红涛

（中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039）

碟形弹簧在卷取机中的应用及计算

闫红涛

（中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039）

简单介绍了碟形弹簧及其特点，介绍了碟形弹簧在卷取机中的两个应用及其设计计算方法。

碟形弹簧；卷取机；应用；计算

1 碟形弹簧及其特点

碟形弹簧是用金属板料或锻压坯料冲压形成的截锥面的碟状垫圈式弹簧。碟形弹簧常被应用于重型机械（如压力机）和大炮、飞机等武器中，作为强力缓冲和减振弹簧，用作汽车和拖拉机离合器及安全阀或减压阀中的压紧弹簧，以及用作机动器的储能元件，将机械能转换为变形能储存起来。

碟形弹簧的特点主要有以下几点：（1）刚度大，缓冲吸振能力强，能以小的变形承受大的载荷，适合于轴向空间要求小的场合；（2）具有变刚度特性，可通过适当选择碟形弹簧的压平时变形量和厚度之比，得到不同的特性曲线，其特性曲线可以呈直线形、渐增形、渐减形或是它们的组合；（3）用同样的碟形弹簧采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大范围内变化。可采用对合、叠合的组合方式（如图1所示），也可采用组合不同厚度、不同片数等不同的组合方式，以满足不同的要求。当叠合时，相对于同一变形，弹簧数越多则载荷越大；当对合时，对同一载荷，弹簧数越多则变形越大。

2 碟形弹簧在热轧卷取机中的应用及计算

根据碟形弹簧承载能力大，轴向安装空间小等特点，碟形弹簧在有色金属加工设备的卷取机中有着很重要的应用。结合最近由我公司为国内某大型铝加工集团设计的铝带热轧试验轧机的卷取机，介绍一下碟形弹簧在卷取机卷轴上的应用及计算。

设计的此机组为实验性质的铝带热轧机，整个机组配置力求简单，在带材卷取厚度范围为3～15mm的情况下，没有设计助卷器。为满足不同厚度带材的卷取，本卷轴采用了大钳口和小钳口的双钳口形式，本卷轴采用的是闭式三斜楔结构。卷轴缩径状态的结构如图2所示，主要由序号1空心主轴、序号2芯杆、序号3轴向斜楔、序号4径向斜楔、序号5扇形板和大、小两个钳口装置等组成，其中序号6为应用于钳口设计的碟形弹簧组，序号7为应用于扇形板的碟形弹簧组。卷轴涨径状态时的结构如图3所示。小钳口缩径、涨径时的开口度分别为a、b，大钳口缩径、涨径时的开口度分别为A、B。

图 2 卷轴缩径状态

图3 卷轴涨径状态

2.1 大、小两个钳口装置中碟形弹簧的设计计算

钳口是卷取机卷取带材时，将带材夹在卷筒上的装置，其夹紧带材的夹紧力大小由所选用的碟形弹簧组决定，如果夹紧力太小，会导致卷取过程中钳口夹不紧带材，无法卷取。本卷取机卷取带材的厚度范围为3～15mm，分大、小两个钳口卷取不同厚度的带材，初步分配如下：小钳口对应的带材厚度为3～9mm，大钳口对应的带材厚度为9～15mm。

用于钳口中夹紧带材的碟形弹簧设计步骤如下：（1）根据径向斜楔尺寸，结合碟形弹簧标准系列中的外径和内径尺寸，初定碟形弹簧的外径和内径；（2）根据初定的外径和内径尺寸，选择碟形弹簧标准中不同系列的碟形弹簧；（3）根据不同系列的碟形弹簧的特性，计算不同系列碟形弹簧的夹紧力；（4）比较夹紧力的计算结果，选择最合适的碟形弹簧。

卷筒钳口装置中的碟形弹簧是安装在径向斜楔里的，根据径向斜楔的尺寸，参考碟形弹簧标准（GB/T 1972-1992）系列，选取碟形弹簧的外径为φ45mm，内径为φ22.4mm。此规格的碟形弹簧，共有三种系列，尺寸及特性如表1。

表1 卷筒钳口装置中的碟形弹簧系列

根据大、小钳口夹紧带材的厚度范围和径向斜楔的径向尺寸限制，取钳口碟形弹簧数量为10个按照对合组合的方式安装，安装时取1mm的预紧变形量，则分摊到每个碟簧上的预紧变形量为1/10=0.1mm。初选小钳口的最小开口度为b=2mm，大钳口的最小开口度为B=8mm。三个系列的碟形弹簧组夹紧力计算如下。

2.1.1 系列A碟形弹簧组夹紧力计算

（1）小钳口：最厚料夹紧时，带材厚度为9mm，钳口开口度缩小至最小（2mm）时，碟形弹簧组的变形量f1=9-2=7mm；单个碟形弹簧的变形量为f2=7/10=0.7mm；单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.7 =0.8mm；此时，碟形弹簧的夹紧力为：F=（f3/f）×P=（0.8/0.75）×7720=8234.7N。

最薄料夹紧时，带材厚度为3mm，钳口开口度缩小至最小（2mm）时，碟形弹簧组的变形量为f1=3-2=1mm；单个碟形弹簧的变形量为f2=1/10=0.1mm；单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.1 =0.2mm；此时，碟形弹簧的夹紧力为：F=（f3/f）×P=（0.2/0.75）×7720=2058.7N。

（2）大钳口：最厚料夹紧时，带材厚度为15mm，钳口开口度缩小至最小（8mm）时，碟形弹簧组的变形量f1=15-8=7mm；单个碟形弹簧的变形量为f2=7/10=0.7mm；单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.7 =0.8mm；此时，碟形弹簧的夹紧力为：F=（f3/f）×P=（0.8/0.75）×7720=8234.7N。

最薄料夹紧时，带材厚度为9 mm，钳口开口度缩小至最小（8mm）时，碟形弹簧组的变形量f1=9-8=1mm；单个碟形弹簧的变形量为f2=1/10=0.1mm；单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.1 =0.2mm；此时，碟形弹簧的夹紧力为：F=（f3/f）×P=（0.2/0.75）×7720=2058.7N。

2.1.2 系列B碟形弹簧组夹紧力计算

由于初选的大、小钳口的最大开口度、最小开口度是一样的，卷取的带材厚度范围也是一样的，所以不同系列的碟形弹簧组的变形量也是一样的，只是不同碟形弹簧的刚度特性不一样决定了不同碟形弹簧具有不同的夹紧力。

根据系列A的结果，大钳口的最薄料夹紧和最厚料夹紧时的变形量，与小钳口的最薄料夹紧和最厚料夹紧时的变形量是相同的，故同系列碟簧大、小钳口的夹紧力也是相同的。

小钳口和大钳口时：最厚料夹紧时，根据系列A的计算结果，单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.7 =0.8mm，此时，碟形弹簧的夹紧力为F=（f3/f）×P=（0.8/0.98）×3660=2987.8N。

最薄料夹紧时，根据系列A的计算结果，单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.1 =0.2mm，此时，碟形弹簧的夹紧力为F=（f3/f）×P=（0.2/0.98）×3660=746.9N。

2.1.3 系列C碟形弹簧组夹紧力计算

同理可算出系列C的夹紧力如下：

小钳口和大钳口时：最厚料夹紧时，根据系列A的计算结果，单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.7 =0.8mm，此时，碟形弹簧的夹紧力为F=（f3/f）×P=（0.8/1.2）×1890=1260N。

最薄料夹紧时，根据系列A的计算结果，单个碟形弹簧的总变形量为f3=0.1+0.1 =0.2mm，此时，碟形弹簧的夹紧力为F=（f3/f）×P=（0.2/1.2）×1890=315N。

综合以上计算结果，不同系列碟形弹簧的夹紧力如表2所示。

表2 不同系列碟形弹簧的夹紧力

根据计算结果分析，系列B和系列C的夹紧力太小，在卷取过程中容易夹不住带材，使料头从钳口中滑脱，起不到夹紧作用，导致卷取失败。系列A的夹紧力比较大，基本能满足夹紧功能。故选择系列A的碟形弹簧组。

所选碟形弹簧组的工作图如图4所示。

图4 碟形弹簧组工作图

2.2 碟形弹簧在卷筒扇形板上的应用

卷取机卷轴中的扇形板是带材在卷取过程中用来形成并支撑带卷，并在涨径以后保证卷材内径尺寸的部件。扇形板的涨径过程是靠径向斜楔的推力来完成的，缩径过程是靠碟形弹簧组的恢复力来完成的，所以用在扇形板上的碟形弹簧组主要作用是能承受扇形板和径向斜楔的重量，并能有一定的预紧力能使扇形板缩径到位。

用于扇形板中的碟形弹簧选用设计步骤如下：（1）根据扇形板的尺寸，结合碟形弹簧标准系列中的外径内径，初定碟形弹簧的外径和内径；（2）根据初定的外径内径尺寸选择碟形弹簧标准中不同系列的碟形弹簧；（3）根据不同系列的碟形弹簧的特性，计算不同系列碟形弹簧涨径过程中作用在扇形板上的恢复力；（4）比较不同系列碟形弹簧的恢复力与径向斜楔和扇形板的重量，要保证恢复力大于径向斜楔和扇形板的重量，选择最合适、最经济的碟形弹簧组。

具体计算过程可以参考钳口装置中碟形弹簧的设计计算过程，这里不再赘述。

3 结束语

随着碟形弹簧在机械产品中的应用越来越广泛，人们对碟形弹簧性能的要求也越来越高。但是，碟形弹簧的高度和板厚在制造中如果出现不一致性，其成组特性也会有较大的偏差。因此碟形弹簧制造难度大，成品率低，和其他类型的弹簧相比，这是它的缺点。

（编辑：余东梅）

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

闫红涛（1981-），男，河南许昌人，工程师，主要从事有色金属压延加工设备的设计与研发工作。

2014-03-28