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安全阀整定用碟形弹簧优化改进
添加:2019-11-27 9:31:12    游览:1416    来源:网络

  【摘 要】介绍了碟形弹簧元件及其特性,分析了安全阀整定用碟形弹簧特性曲线的影响因素,提出了安全阀整定用碟形弹簧的优化改进措施,达到了提高安全阀整定用碟形弹簧特性曲线精度及稳定性的目的,进而能够提高安全阀的整定精度。

  【关键词】 安全阀;碟形弹簧;特性曲线;优化改进

  一、前言

  碟形弹簧是常用的弹性元件之一,常用于重型机械等的防松、强力缓冲及减振,也用于阀门的预紧和整定。安全阀是用于压力容器及装置进行超压保护的重要安全设备,在安全阀的设计中,常用碟形弹簧作为压力整定元件,安全阀整定压力精度及稳定性十分重要,决定安全阀在执行超压保护功能时的开启压力精度及稳定性。碟形弹簧的破坏及任何形式的失效、不稳定将使安全阀出现不同程度的故障,严重时将使安全阀失效,甚至导致重大事故。

  本文主要针对安全阀整定用碟形弹簧的特性曲线性能进行研究,着重探讨碟形弹簧特性曲线影响因素,并且提出碟形弹簧特性的优化改进措施。

  二、碟形弹簧

  碟形弹簧简称碟簧,如图1所示,是用金属带材、板材或锻造坯料冲压而成的鼓锥形薄片弹簧,它的负荷与变形呈非线性关系。

图1 碟形弹簧

  碟形弹簧的特点如下:

  1)刚度大、行程短,能以小变形承受大载荷,因此所需空间小。

  2)具有变刚度特性,具有很广范围的非线性特性。

  3)采用不同的组合方式,能使碟形弹簧特性在很大范围内变化,使用方便。

  4)维修更换容易,安全性高,寿命长。由于碟形弹簧的上述特点,因此碟形弹簧应用广泛,在很多领域逐渐替代螺旋弹簧,尤其是在一些特殊领域,是非常重要的零部件。

  三、碟形弹簧特性曲线影响因素

  碟形弹簧的特性曲线能够反映碟形弹簧的力值、精度、进回程误差、应力松弛及蠕变等性能。其特性曲线主要影响因素包括材料本身的力学特性、使用环境的影响(如高温下应力松弛率大)、加工制造精度(如厚度不均匀)、加工过程中产生的应力、后处理、组合结构形式、导向结构及其间隙等。这些因素的变化,将导致碟形弹簧特性曲线发生畸变,即表明碟形弹簧出现精度降低、应力松弛、进回程误差变大等现象。(相关阅读:碟形弹簧的刚度和特性曲线

  四、优化改进措施

  碟形弹簧特性曲线反映了碟形弹簧的性能,如果特性曲线出现畸变,则表明碟形弹簧出现精度下降、应力松弛等现象。

  在碟形弹簧的设计、制造及使用中可以采取一定的措施,提高碟形弹簧特性曲线的精度,抗应力松弛能力等。

  1.增加隔热元件,避免受热蠕变松弛

  碟形弹簧在高温下更容易发生蠕变松弛,导致力学性能下降,引起安全阀整定精度降低,甚至引起故障。为避免高温影响碟形弹簧的性能,在安全阀的设计时,应增加隔热元件(如波纹管等),使碟形弹簧与高温介质隔离开,避免碟形弹簧直接受热。

  2.提高制造精度

  碟形弹簧通常采用一次冲压成形,制造尺寸精度低,内外径尺寸、厚度尺寸、自由高度尺寸等偏差较大,均匀度较差。而碟形弹簧通常是组合使用,在组合配对中,每片碟形弹簧的尺寸不一致,将导致碟形弹簧组件整体特性精度可能降低,且有可能影响碟形弹簧特性的稳定。

  可以采用先精密车削或磨削碟片厚度,再冲压成形,在将碟形弹簧内外径精密车削到要求值,这样能够保证较高的尺寸精度,从而保证碟形弹簧特性曲线精度。

  3.加工支撑面

  通常情况下,直径较小(<100mm)的碟形弹簧不加工支撑面,但对用于安全阀整定的性能要求较高的碟形弹簧,建议加工支撑面,这样在碟形弹簧组合时,面与面的接触能够很好地保证其在运动过程中的特性曲线精度。

  4.强压处理

  进行强压处理能够提高碟形弹簧抗应力松弛能力及特性曲线精度。

  强压处理有两种方法:一是用不小于两倍的f=0.75h0时的负荷压缩碟簧,持续时间不少于12h;二是用同样负荷进行短时(建议在15min以上)压缩,压缩次数不少于5次。

  5.组合方式优化

  碟形弹簧作为弹性元件通常是一组碟形弹簧配对组合,组合方式有多种,常见的有对合组合、叠合组合及复合组合等。

  在安全阀中通常采用对合组合,对合组合形式有两种:小支撑面形式,即两端碟弹内径与支撑座或压盖对合;大支撑面形式,即两端碟弹外径与支撑座或压盖对合。尽量采用大支撑面组合方式,这样碟形弹簧组件在运动过程中更稳定,往复运动重复性较好。

  6.优化导向结构

  碟形弹簧导向结构对碟形弹簧运动特性有比较大的影响,而导向结构对于碟形弹簧运动特性影响的关键因素在于导向柱或导向套与碟形弹簧之间的间隙。间隙过大容易导致碟形弹簧在运动过程中产生移位、松动,间隙过小容易导致碟形弹簧在运动过程中与导向柱产生摩擦。导向间隙的确定应通过不同导向间隙下碟簧特性曲线测定试验确定,一般导向直径小于100mm的碟形弹簧导向间隙在0.2~0.6mm为宜。

  此外,导向柱或导向套的表面粗糙度至少应达到Ra=0.8μm,且表面应进行硬化处理(表面硬度应≥700HV或≥60HRC)为宜,以降低碟形弹簧在运动过程中的摩擦,提高碟形弹簧运动精度和减小进回程误差。

  五、改进对比试验

  采取以上改进措施,对碟形弹簧进行了改进,并利用弹簧试验机进行了碟形弹簧特性曲线测试,测试结果对比如图2所示。测试结果表明改进后碟形弹簧精度提高、进回程误差降低及稳定性得到提高。

  图2 碟形弹簧优化改进效果对比

图2a 碟形弹簧优化改进效果对比

图2b 碟形弹簧优化改进效果对比

  六、结语

  碟形弹簧作为安全阀的整定元件,对安全阀的整 定精度等性能有重要影响,通过研究,分析了碟形弹簧特性曲线的主要影响因素,提出了碟形弹簧优化改进措施,并进行了改进效果对比试验。通过优化改进,能够提高碟形弹簧特性曲线精度、运动稳定性等性能,进而提高安全阀的整定精度。

  参考文献

  [1]张英会,刘辉航,王德成,等.弹簧手册[M].北京:机械工业出版社, 2008.

  [2]苏德达.弹簧(材料)应力松弛及预防[M].天津:天津大学出版社, 2002.

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