蝶形弹簧的受力分析及弹性拉压杆改造

吕明秀，李志强

（山钢股份莱芜分公司 炼铁厂，山东 莱芜271104）

莱钢股份炼铁厂现有4台带式烧结机（一台265 m2烧结机，三台105 m2烧结机），其主传动形式为挠性传动，挠性传动的挠性就是弹性拉压杆的弹性，因此都安装着弹性拉压杆。弹性拉压杆主要部件为蝶形弹簧，蝶形弹簧以其结构紧凑、强度高、垂直伸缩微量等特点，经常被应用于高压紧固，高强度缓冲等场合，烧结机主传动系统中的弹性拉压杆，就是一个典型的特例。近几年弹性拉压杆频繁出现损坏，造成烧结机停机，严重制约生产的稳定顺行，因此对烧结机弹性拉压杆受力情况进行了分析，并进行相应改造，提高了其使用寿命。

1 现状分析

弹性拉压杆主要部件蝶形弹簧一般成对安装，安装形式如图1所示，当蝶形弹簧受力时，外径会增大，内径会减少，这种压缩现象称之为最大压缩外径和最小压缩内径，因此蝶形弹簧在设计制造时，外径和内径分别留有规定的径向伸缩量。

图1 蝶形弹簧安装图

由于蝶形弹簧的安装形式和结构特点，一对蝶形弹簧在受力时会产生径向相对位移，这个径向相对位移使一对蝶形弹簧内径分别以不同方向与拉杆1圆柱外表面接触，拉杆1对蝶形弹簧实施导向作用。随着蝶形弹簧工作压力的增加，一对蝶形弹簧在径向相对位移的同时，会产生一对相反的水平力，压力增加，水平力增大，分别以不同方向作用在拉杆1圆柱外表面上，对拉杆1施加剪应力。一对蝶形弹簧每完成一个压缩工作周期都有如此过程，造成拉杆1受剪切挤压变形。同时也影响了蝶形弹簧正常工作强度和性能，其结构如图2所示。蝶形弹簧受力产生径向相对位移，在实际工作状态时，一对蝶形弹簧外径接触面不能全部接触，而且是局部接触或单边接触，造成蝶形弹簧局部受力或单边受力，从而造成蝶形弹簧工作强度成倍下降，同时也导致蝶形弹簧扭曲变形并撕裂。根据碟形弹簧实际分析如下：

图2 蝶形弹簧实际工作图

其中，δ为蝶形弹簧的厚度；d为蝶形弹簧的底面直径；D为蝶形弹簧的上部直径；H为蝶形弹簧的外深度;h为蝶形弹簧的内深度。(根据c=D/d=1.65查表得出)在理想状态下，当单个弹簧变形f=h（弹簧极限变形）时，弹簧负荷最大，即

在实际工作状态下，蝶形弹簧单边受力，单个弹簧变形f=0.5 h时就达到蝶形弹簧的临界负荷状态，即

也就是说，当负荷超过9 034.4公斤时，弹簧就会失效。同时在理想状态下，在拉杆1的径向受力面上产生一对作用力，大小相等，方向相反。而在实际的单边受力状态下则在不同平面上产生一对大小不等的相反方向的作用力，这就对拉杆1形成了剪切力。弹簧每加载和卸载一次对导杆剪切一次。长时间的工作后弹簧和拉杆1都受到较大的破坏。

分析认为，造成拉杆损坏，蝶形弹簧撕裂的原因是：蝶形弹簧在工作压力状态下产生的径向相对位移导致蝶形弹簧局部受力。

2 改造措施

在烧结机的检修和更换蝶形弹簧的实践中，找到了一种蝶形弹簧的使用方法，应用证明，该方法克服了蝶形弹簧的径向相对位移和局部受力，结构如图3所示。

图3 改进后的蝶形弹簧安装图

具体做法为：在一对蝶形弹簧之间加一垫片，将一对蝶形弹簧隔开，蝶形弹簧的锐角作用在垫片的平面上，与垫片平面全部接触，克服了蝶形弹簧失稳、扭曲变形状态，提高了蝶形弹簧的强度。

3 结束语

本项目的实施，使莱钢股份炼铁厂烧结机弹性拉压杆使用寿命由原来的8个月提高到了5年，每年节约烧结机拉压杆、减速机、万向联轴器等的消耗40万以上；降低了烧结机的故障停机率，提高了烧结机的作业率，作业率由93.67%提高到了98.34%，为高炉的稳产高产提供了充足的原料。烧结机拉压杆经过改造后，每年可降低成本150万元，取得了较好的经济效益，同时也大大减轻了职工的劳动强度，取得了一定的社会效益。