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碟形弹簧

在机械设备中,碟形弹簧由于具有抗冲击载荷强、变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小等显著优点,常作为弹性元件广泛使用。

碟形弹簧的生产和制造在欧洲由来已久,但在北美洲,碟形弹簧制造工业正在蓬勃兴起并逐渐被接受。碟形弹簧最早是100多年前法国J. Belleville发明的。20世纪30年代早期,工程师(G.M.)Almen and Laszio 发展了理论、制订了生产、质量标准 DIN 2092 和 DIN 2093。这些标准作为碟形弹簧的第一次工业标准被世界各地接受,并传遍了欧洲,目前已经被许多跨国公司广泛采用。日本制订了他们自己的相应标准,但美国还没有就碟形弹簧制定自己的工业标准。许多美国生产商以DIN 标准作为碟形弹簧质量标准。1980年我国也参照DIN规定制定了相应标准,1992年作了修订,标准号为GB/T1972-1992,它规定了碟形弹簧的尺寸系列、技术要求、试验方法、检验规则和设计计算。

(一)碟形弹簧的材料

我国碟形弹簧采用材料有高质量的弹簧钢60Si2MnA、50CrVA或特殊材料,如不锈钢、铬镍铁合金等。其中特殊材料不锈钢、铬镍铁合金等适用于高温和腐蚀性环境。大连高压阀门厂刘敏亮等2002年介绍采用铬镍铁合金碟形弹簧的高温高压硬密封球阀,密封可靠, 零泄漏, 可承受很大的轴向力, 适用于液体、气体和酸类等强腐蚀介质以及泥浆和砂类等强磨损介质,可广泛用于石油、化工和电力等行业。武汉锅炉股份有限公司工艺处薛松等2002年介绍镍基合金材料(0Cr15Ni70Ti3AlNb)制碟形弹簧可用于核反应堆设备。上海核工碟形弹簧制造有限公司在铬镍铁合金中主要添加了Al、Ti、Nb元素,使碟形弹簧的强度、弹性和塑性进一步提高。

标准范围

材料

Ck75

50 Cr V4

X12CrNI 177

X7CrNIAl 177

X35CrMo17

X22CrMoV 121

DIN标准号

1.1248

1.8159

1.4310

1.4568

1.4122

1.4923

化学组成(%)

C

0.7-0.8

0.47-0.55

0.12£

0.09£

0.35

0.2

Si

0.15-0.35

0.15-0.40

1.5£

0.3

Mn

0.6-0.8

0.7-1.1

0.6

P max

0.035

0.035

– -

–-

0.03

0.035

S max

0.035

0.035

–-

–-

0.03

0.035

Al

0.75-1.5

Cr

0.9-1.2

16-18

16-18

16.5

12

Ni

–-

6-9

6.5-7.75

0.6

V

0.1-0.2

0.6

Mo

1.15

1

弹性模量(N/mm2)

206000

206000

190000

195000

206000

206000

特殊应用场合

材料

Inconel X750

Inconel 718

Nimonic 90

A286 Alloy

FV520B

CuBe2

DIN标准号

–-

2.4668

2.4969

1.4980

–-

2.1247

化学组成(%)

C

0.08£

0.08£

0.09

0.08£

0.048

-

Si

0.5£

0.35

1

0.37

-

Mn

0.35

2

1.05

-

P max

–-

0.015

–-

–-

0.020

-

S max

0.01

0.015

0.015

–-

0.014

-

Al

0.4-1

0.2-0.8

1-2

0.35

– -

-

Cr

14-17

17-21

18-21

13.5-16

16-18

-

Ni

≤ 70£

50-55

Rest

24-27

5.47

Co=0.2-0.6

V

-

-

-

0.1-0.5

-

-

Mo

–-

2.8-3.3

–-

1-1.75

1.72

-

W

–-

–-

–-

–-

–-

-

Ti

2.25-2.75

0.65-1.15

2-3

1.9-2.3

0.10

-

Be

-

-

-

-

-

1.95

Cu

0.5

0.3

0.2

–-

2.08

Rest

Co

–-

1

15-21

– -

– -

–-

Fe

5-9

–-

2

–-

–-

–-

Nb

0.95

–-

–-

–-

–-

–-

弹性模量(N/mm2)

214000

208000

220000

199000

210000

135000

表中Inconel X750是高镍合金,用它制成的碟形弹簧适用于高温和腐蚀性环境。

(二)铬镍铁合金碟形弹簧的使用温度

大连高压阀门厂刘敏亮等2002年介绍铬镍铁合金在780 ℃时具有很高的强度、韧性和耐氧化性, 疲劳强度高。采用铬镍铁合金碟形弹簧的高温高压硬密封球阀温度可达600℃。自贡高压阀门股份有限公司朱永平2000年介绍广泛地用于石油、化工和冶金等工业的球阀,当采用的弹簧材料为0Cr17Ni8Al时,推荐使用温度为-250~300℃。上海核工碟形弹簧制造有限公司研制的碟形弹簧使用温度为-196℃~650℃,还可用于最高达816℃的高温环境和可达-253℃的超低温环境,并能有效防止螺栓预紧力的松弛。

美国Fandisc、英国Springmasters公司制备的高镍合金Inconel X750碟形弹簧,使用温度-200/ 500℃。

(三)铬镍铁合金碟形弹簧的生产厂商

国内有扬州弹簧有限公司(原扬州弹簧总厂)、扬州圣林弹簧厂、云南云弹经贸有限公司、上海核工碟形弹簧制造有限公司等。

国外有Fandisc、Springmasters等公司。Fandisc公司成立于1966年,是美国第一家生产DIN标准碟形弹簧的厂商,直径从6mm到260mm,还可以生产直径达到1000mm的弹簧。可以采用特殊材料,如高镍马氏体钢制备碟形弹簧,以用于高温、耐腐蚀环境,如核设备中。其采用高镍马氏体钢Inconel X750 材料制的碟形弹簧热处理后的力学性能为:

材料

拉伸强度

PSI

E-模量

(70° F)

PSI

Poisson's

比率 µ

使用温度 °F

INCONEL

X-750

/

31·106

0.29

可达 1200

(约649℃)

Springmasters公司是欧洲重要的碟形弹簧生产厂家之一,位于英国沃里克郡,可以生产铍铜、磷青铜、高镍合金等多种弹簧,直径从6mm到250mm。产品出口中东、非洲、中欧、东欧、西欧和北美洲。应用于特殊场合时碟形弹簧的材料也为Inconel X750、Inconel 718、Nimonic 90、A286 Alloy、FV520B、CuBe2(同前所述)。弹簧经过特殊的表面处理。