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碟形弹簧在建筑工程中的发展趋势及应用

发布者:厦门力常弹簧有限公司  发布时间:2016-12-27 14:46
 碟簧是用金属板料或者用锻压坯料加工成型而成的截锥形截面的碟型式弹簧,具有刚度大、变刚度的特点,并且能够以小变形承受大载荷,因此被广泛应用在重型机械中。随着碟簧技术的发展,其制造精度不断提高,现已在建筑工程中得到使用。例如用作桥梁抗震和强力缓冲元件、高层及大型建筑的抗震、缓冲、减压及隔震作用的元件。

  1.应用实例

  碟簧在建筑工程应用我们以上海南站为例子进行介绍。上海南站站屋工程的设计就是充分利用了碟簧强阻尼和强耗能的作用,当建筑受到震、不平衡力作用时可用有效地减少破坏作用。如图1所示上海南站站房屋顶通过梁柱连接支撑起来的,各个节点通过活动主梁连接轴支撑。梁柱上部通过如图2所示的滑动轴相连,滑动轴两头使用两组碟簧组夹紧滑动轴。如图3所示为碟簧的安装位置图,通过对称弹簧组的作用,使滑动轴径向作用受力平衡,当滑动轴受到水平震动或者是扭曲变形时,弹簧组可以大大减少危害。

图1 图2

  2.碟簧组的设计

  在选择碟簧时,通常情况下都是参照国家标准的要求,如果国家标准不能满足实际使用要求时可以自行设计。

  根据变形特性的要求,首先选定h0/t,按照国标,碟簧有三个序列:

  序列A:D/t=18, h0/t=0.4(大刚度序列)

  序列B:D/t=28, h0/t=0.75

  序列C:D/t=40, h0/t=1.3(小刚度序列)

  h0/t的比值是选择碟簧组的重要依据。

  根据使用要求,此碟簧的作用是作为缓冲减震的元件,所以h0/t一般不宜过大其比值。不宜超过根号2,当h0/t大于根号2时弹簧就呈现零刚度特性,这样就会使弹簧在使用状态下具有不稳定特性,甚至使弹簧失效。如图4所示为碟簧理论特性曲线,在选择碟簧时可作为我们选择的重要参考依据。

图3 图4

  根据弹簧使用空间状况,确定弹簧的D或者d,在设计碟簧时,一般选取C=1.7-2.5之间,对于吸振和缓冲的弹簧C一般在1.7-2之间取,这样可以达到最大的吸振需要,但是也不是一定要满足的,在设计时最主要的还是要根据使用空间需要来确定。

  根据使用场合的强度条件确定弹簧的厚度及不同的组合形式,由于弹簧的设计要求刚度为2000N/mm,可以得出弹簧的厚度和组合形式。

  材料选择及使用应力:根据碟簧标准GB/T 1972-2005的要求,碟簧的标准材料为60Si2MnA和50CrVA,由于使用条件对弹簧的材料没有特殊要求,普通材料能满足使用要求,材料选择60Si2MnA,且受静载荷碟簧的压平时的应力a om接近材料屈服点a s。

  最终设计方案为:碟簧的外径D=160mm,内径d=113mm,厚度t=6mm,自由高度H0=10mm,h0/t=0.67,组合形式为8片单片对合为一组,其组合及装配形式如图5所示,弹簧的特性曲线如图6所示。

图5 图6

  3.使用效果分析

  从图3中可以看出,滑动轴两边各有一组碟簧组,这两组碟簧组的安装方式、安装数量级弹簧组的预压力工作状态是相同的,这就保证了两组弹簧组在正常使用状态下处于平衡的状态,即弹簧组在正常状态下承受静载荷,当滑动轴在径向受到稳定或者震动载荷作用,我们可以用简化模型进行分析,首先测试单片碟簧往返程曲线如图7所示。

图7

  从图7中可以看出,返程力减小20%左右,说明碟簧耗能非常强,由此可以分析,当两个碟簧组在使用中冲击载荷作用时,它的耗能能力将会更强。

  4.碟簧在建筑工程应用的展望

  从这几年碟簧行应用来看,碟簧的应用范围越来月光,在很大的范围内正在取代螺旋弹簧,并在建筑业得到不断地应用,例如在桥梁振动缓冲中得到很大应用,在建筑竖向减震中得到很大应用。随着我们机械制造水平的提高和材料加工精度的提高,我国的碟形弹簧产业在未来几年中将会得到长足的发展,全国年的总销售额有望突破10亿元,将会改变高精度碟形弹簧靠进口的局面。
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