坑道钻机碟形弹簧的失效形式及分析

王申明

摘 要：本文通过对坑道钻机碟形弹簧承受载荷状态下失效形式理论研究，分析了碟形弹簧工作特性及安装的结构形式，结合生产实际阐述了其良好的工艺性，为此类碟形弹簧的设计应用提供了依据。

关键词：弹簧；技术改造；应力；寿命

中图分类号：TD41 文献标识码：A

碟形弹簧在坑道钻机中应用地比较广泛，主要应用在钻机的动力头卡盘和夹持器部件上，通常采用常闭式结构设计。依靠碟形弹簧的预紧力夹紧钻具，通过油压松开，在突然断电等异常情况时为夹紧状态，安全可靠，有效防止跑钻事故的发生。本文通过对碟形弹簧的结构形式和工作状态分析，以及对其应力状态及失效形式的理论研究，通过分析说明，在碟形弹簧工作状态应力集中产生的裂纹，和在加工制造过程中产生不可避免的裂纹时，可以通过合理布置碟形弹簧的结构形式，有效提高碟形弹簧的承载能力和疲劳寿命。

一、碟形弹簧在坑道钻机中主要应用形式

1.常闭式夹持器

常闭式夹持器（如图1所示）结构，是通过先压缩碟形弹簧，通过卡瓦座斜面将径向分力传递给卡瓦，从而将钻具夹紧。松开钻具是通过液压油推动卡瓦座，进一步压缩碟形弹簧，使卡瓦径向离开钻具，达到松开钻具的目的。钻机工作时，每完成一次钻进，需要压缩碟形弹簧两次，夹持器处于长时间频繁松开卡紧状态，极易达到其疲劳极限。此常闭式夹持器结构比较紧凑、工作比较可靠、对钻具的夹持力大小取决于碟形弹簧预压缩量，不受液压油压力的影响。并且可以在突然停电时，操作夹持器释放油压，使碟簧快速将推力传递到卡瓦，可靠地夹紧钻具，有效防止跑钻等事故的发生。

2.复合式夹持器

复合式夹持器（图2）是坑道钻机常用的結构形式，其工作原理是通过预压缩碟形弹簧，使卡瓦有足够的卡紧力来克服钻具自重，松开钻具是通过液压油推动卡瓦座，使卡瓦径向移动而达到松开的目的。复合式夹持器可以实现突然断电时，操作夹持器，使液压油快速释放，碟簧快速推动卡瓦座径向移动夹紧钻具。

3.动力头卡盘

动力头式卡盘是在动力头箱体的前端，一般为常闭式结构，其工作原理是碟形弹簧推动卡瓦座使卡瓦向内移动，卡住钻杆。当高压油进入卡盘体时，活塞克服弹簧推力，使卡瓦座向下移动，卡瓦松开钻杆。

二、碟形弹簧理论研究

1.碟形弹簧的安装结构形式

碟形弹簧具有刚度大、缓冲吸振能力强及结构紧凑等特点，适合于轴向空间要求小的场合，其在坑道钻机等设备中得到了广泛的应用。作为坑道钻机常用的结构形式，碟形弹簧的特性和装配要求已为行业内各厂家所熟知。设计碟形弹簧组时，弹簧组两端一般设计为一端是弹簧外径与安装件接触，另一端是弹簧内径与安装件接触。碟形弹簧组的定位通常采用内径定位，即导向杆或导向套与弹簧组之间要保留一定的间隙。导向件导向表面以及与碟形弹簧组两端相接触的安装件表面须经热处理表面淬火和抛光处理。

2.碟形弹簧的工作状态

碟形弹簧是成组对合装配的，因碟形弹簧在制造过程中存在不可避免的加工误差和热处理变形等，以及在进行装配时的不同轴，会造成碟形弹簧相互之间在承受载荷状态下产生不均匀的线性接触。此不均匀的线性接触会造成碟形弹簧内部应力分布不均匀，在频繁往复的压缩松开工作过程中，极大地影响了碟形弹簧的使用寿命。

3.失效形式

坑道钻机动力头卡盘内，安装在主轴上的碟形弹簧组，是随着主轴高速旋转的。越靠近碟形弹簧组中间部位的碟形弹簧，由于受离心力的作用，也就越容易偏离主轴轴线。碟形弹簧组总高度越大，其偏心的现象也越为明显，这是导致主轴产生共振的关键因素之一。碟形弹簧具有比一般结构零件较高的屈强比和较高的疲劳强度，在循环作用动载荷下可靠地工作，因此碟形弹簧的内部质量和外表面质量的要求也比较严格，如果原材料存在内部缺陷或者热处理工艺不适当，将会导致碟形弹簧在生产或使用过程中发生疲劳失效，或者断裂等较为常见的失效形式。

4.预应力处理对碟形弹簧的影响

碟形弹簧经预应力处理后，其材料内部与表面产生反向残余应力。使碟形弹簧在承受外部载荷时，在材料的中间部分会产生应力增加，而表层应力会减少，这就可以充分发挥碟形弹簧材料中间部分的潜力。标准型的碟形弹簧在经过预应力处理后，I处的残余拉应力为最大。

结论

通过坑道钻机中碟形弹簧的结构形式和工作状态分析，以及对其应力状态及失效形式的理论研究，通过分析说明，在碟形弹簧工作状态应力集中产生的裂纹，和在加工制造过程中产生不可避免的裂纹时，可以通过合理布置碟形弹簧的结构形式，有效提高碟形弹簧的承载能力和疲劳寿命。

参考文献

[1]机械工程手册编委会.机械工程手册[M].北京 ：机械工业出版社，1997.

[2]胡志忠.钢及热处理曲线手册[M].北京：国防工业出版社，1986.

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