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碟簧在锻锤基础隔振改造中的应用
添加:2015-10-16 9:43:55    游览:1703    来源:www.aosailuo.cn

  摘要:通过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;隔震

  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/mm2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自由锻锤1t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; 采用橡胶块隔振,则因橡胶老化现象比较严重,有效使用寿命过短。为此,本文研制成以碟簧为主要元件的锻锤隔振器(图1),并应用于某炼油厂M132A 自由锻锤基础的隔振改造。

 图1 隔振器示意图和图2 单个碟簧剖图

  该锻锤隔振改造前,锤击后测得基础位移1. 8mm ,基础加速度1. 8g。隔振改造后,基础位移减少87 %,基础加速降低94%,隔振效果十分显著,见表1所示。

表1 改造后振动参数

  一、碟簧参数选择

  单个碟簧在锻锤隔振基础中,承受主要外荷载, 并提供阻尼,碟簧剖面见图2。

  锻锤隔振基础中采用的碟簧应按荷载与变形关系、荷载大小、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h 0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。

  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 h0 /δ≈ 2时,当变形 f =0. 8 h0 ,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 h0 /δ > 2时,特性曲线有转折点。以 h0 /δ=1. 8 为例,当 f =0. 6 h0 ,负荷达最大值,当 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,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. 6 h0 ,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1碟簧组)。

  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:

  Px =np ( 1)

  Fx =i f ( 2)

  Hz =i〔H ( n -1) δ〕 ( 3)

  式中: P——单片碟簧承受载荷, kN ;

  Px ——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;

  F x——复合组合碟簧组总变形量,mm;

  H——单片碟簧组自由高度,mm;

  Hx——复合组合碟簧组的总高度,mm。

  碟簧叠合组合后,不但碟簧承受负荷能力增加,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。

  三、反压限幅控制

  磺簧只有在受压变形时才做功, 并且随负荷P x ,增大而增加。当负荷Px 减小至零后,碟簧恢复原位; 当 Px 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,可能使复合碟磺组中的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。在锻锤其他型式隔振基础中,通常的解决办法是在砧座上部设置钢梁以抑制反弹,这种办法增加了技术改造的复杂性,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。

  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位移 Δ时, 反压控制装置提供约束力P ,反压控制装置P -Δ曲线示于图3。

 图3 反压载荷-变形曲线和图4 隔振器载荷-变形曲线

  四、隔震器变形控制

  图4 为隔振器载荷-变形曲线。正常打击时,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. 6 h0 (h 0 为碟簧内侧净高)。当超常工作时( 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. 6 h0) 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。

  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

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