阀门用碟形弹簧的计算

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2003 年第 4 期 阀
门 — 13 —
0 0 - β +γ δ - 015 δ α D2 1175 ×10 - 3 ×5 ×10 - 3 = × 01756 ×10 - 12 ×( 218 ×10 - 3 ) 2 5 1175 ×10 - 3 - 015 - 11208 + 11358 5 5 ×10 - 3 = 89M Pa 当 f 0 = 317mm 时 , f 0δ h0 f0 σ +γ - 015 0 = σⅢ = 2 - β δ δ α D 317 ×10 - 3 ×5 ×10 - 3 = × 01756 ×12 - 12 ×( 218 ×10 - 3 ) 2 5 ×10 - 3 317 ×10 - 3 - 11208 + 11358 - 3 - 0 15 5 ×10 5 ×10 - 3 = 314M Pa 因此 , 碟 簧 的 计 算 上 限 应 力 σⅢmax =
0123 0129 0131 0133 0136 0138 0141 0145 0149 0153 0157 0162 0167
0153 0155 0157 0159 0162 0165 0169 0173 0177 0182 0187 0192 0198
0177 0178 0179 0181 0183 0185 0187 0189 0192 0195 0198 1101 1105
阀 门 2003 年第 4 期 — 14 —
表1 常用硅锰钢热处理工艺规范及机械性能
材 料
55Si2Mn 60Si2Mn 60Si2Mn 70Si3MnA
淬火温度
/ ℃ 860～880 850～870 850～870 850～870
4 结语
度越薄 , 强度越高 , 当直径大于 6mm , 强度 明显较低 , 不宜用于制造弹簧 。奥氏体不锈 钢卷制的弹簧成形后只要进行去应力退火即 可 。去应力退火后外径变化规律是涨大 。 制造弹簧的沉淀硬化不锈钢丝带在供货 时 , 都已经过固溶处理和冷拉加工 , 冷卷成弹 簧后 , 需进行时效硬化处理 。通过沉淀硬化时 效处理后 , 可获得高强度和优良的综合力学性 能 。常用沉淀硬化不锈钢卷制弹簧后的时效处 理规范见表 4 。
关键词 碟形弹簧 ; 设计与计算 ; 制造工艺 中图分类号 : TH135 文献标识码 : A
Calculation of belleville spring used f or valve
YAN G Hong
( Xishan City Valve factory , Xishan 214117 , China)
回火温度 / ℃
450～500 450～550
簧 , 其热处理规范见表 3 。
表2 常用硅锰钢不同回火温度下的硬度值 HRC
材料
200 55Si2Mn 60Si2Mn 60Si2Mn 70Si3MnA 56 58 59 62 250 55 57 58 60
温度/ ℃
300 54 56 57 58 350 52 54 54 56 400 50 51 52 54 450 43 45 46 51 500 40 40 41 45 550 37 38 39 41
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伸长率 δ / %
4～6 4～6
制 造 弹 簧 的 奥 氏 体 不 锈 钢 主 要 有
1Cr18Ni9 、1Cr18Ni9 Ti 、1Cr18Ni12Mo2 Ti 和 1Cr18Ni12Mo3 Ti 。钢丝直径越细或钢带的厚
过 2 次 , 淬火回火后的硬度为 42 ～ 52 HRC 。 其单面脱碳层深度不得超过其厚度的 3 % 。压 强处理方法为 1 次压平持续时间不少于 12h , 短时压平次数不少于 5 次 , 压平力不少于 2 倍 的 Pf = 0175 h0 。承受变载荷的碟形弹簧应进行 喷丸或其他方法的表面强化处理 。碟形弹簧应 进行防腐处理 ( 如磷化 、氧化 、电镀 、电泳或 喷塑等) 。电镀处理后的碟形弹簧必须及时进 行去氢化处理 , 以防氢脆 。
根据已知条件 , 设弹簧变形 f = 0175 h0 时 的负荷为 P0 , 则 Pf = 0175 h0 ≈ P0 = 15 260N , 取 弹簧外圆 D ≈ D 0 = 218mm , 弹簧内孔 d ≈ d 0 = 112mm , 极限变形量 h 0 = 5mm , 弹簧钢板厚 度 δ = 5mm , 工作压力 P1 = 9 580N 。 辅助值α、 β、 γ根据 C = D/ d = 218/ 112 = 1195 , 用插入 法 计 算 ,α = 01756 TPa - 1 ,β = 11208 ,γ =
的危险应力点在 Ⅲ点
σ 1 = σⅢ =
f 1δ
h
f
314M Pa , 下限应力 σⅢmin = 89M Pa 。 从图 4 查
h0
λ
f = 0125 h 0 f = 015 h 0 f = 0175 h 0
δ
014 015 016 017 018 019 1 111 112 113 114 115 116
212 校核危险应力点
图1 无支承面普通碟形弹簧
由 δ = 1 和 C = 1195 , 从图 3 得碟形弹簧
h0
作者简介 : 杨虹 (1963 - ) , 女 , 高级工程师 , 从事阀门研究设计和开发工作 。
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Abstract : Int roduces st ruct ure characteristics , designing calculation , material selection and heat t reat ment of belleville spring used for valve. Key words : belleville spring ; design and calculation ; manufact ure processing 1 概述 21 1 相关参数
冷却剂 油 油 油 油
硬度
/ HRC > 58 > 60 > 60 > 62
回火温度
/ ℃ 440 440 440 430
硬度
/ HRC 47 48 48 52
抗拉强度 σ b/ MPa
1 340 1 680 1 680 1 820
屈服点 σ b/ MPa
1 180 1 470 1 470 1 610
得 , 当 σⅢmin = 89M Pa , 寿命 N = 2 ×10 - 6 时 , [σ] = 680 M Pa , 由于 σⅢmax < [σ] , 故所选用 的碟形弹簧安全 。
图2 按不同 h0 / δ值计算求得的弹簧特性曲线 图4 碟簧疲劳强度曲线
3 热处理 311 硅锰钢热处理
11358 。 弹簧极限负荷 Pf
Pf = h0 =
= h0
与变形根据公式为
3 δ h0 (5 × 10 - 33 ×5 ×10 - 3 = 2 = α D 01756 ×10 - 12 ×(218 ×10 - 3) 2
17 750N
P1 P0 9580 15260 = = 0154 , = = 0186 Pf = h0 17750 Pf = h0 17750 h0 5 δ = 5 = 1 , 由图 2 查得 f 1 = 0135 × h0 = 0135 ×5 = 1175mm f 0 = 0174 × h 0 = 0174 ×5 = 317mm
参 考 文 献
时效温度/ ℃
600～650 480～500 480～500 550～600 450～550 300～340 600～650 一次 780～790 二次 730～740 650～700
保温时间/ h
2～4 1～2 1～2 2～4 4 1～2 2～4 8 25 8～16
碟形弹簧成形后热处理的淬火次数不得超
表3 马氏体不锈钢弹簧热处理规范
钢 种
3Cr13 4Cr13
淬火温度/ ℃
1000～1050 1050～1100
冷却剂 油或空气 油或空气
硬度
HRC 42～48 45～50
抗拉强度 σ b/ MPa
1200～1600 1300～1700
屈服点 σ b/ MPa
1100～1400 1200～1500
制造弹簧的马氏体不锈钢有 3Cr13 和 4 Cr13 , 马氏体不锈钢中含有较多的合金元素 ,
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断面收缩率 φ / %
> 40 44 44 20
伸长率 δ / %
10 11 11 5
所以在空气中冷却也能淬硬 。淬火前预热温度 为 760～790 ℃, 预热时间 6mm 以下为 30min 。 厚度 ( mm) 回火保温时间按 1 + h 的公式计 25 算 。淬火后的硬度为 51 ～ 56 HRC , 淬火后有 较大的内应力 , 应及时回火 。马氏体不锈钢主 要用于制造耐蚀性要求较低和截面较大的弹
〔 1〕 弹簧手册联合编写组 . 弹簧手册 〔 M〕 . 北京 : 机械 工业出版社 , 1982. 〔 2〕 机械设计手册编写组 . 机械设计手册 〔 M〕 . 北京 : 化学工业出版社 , 1982. 〔 3〕 球阀设计与选用编写组 . 球阀设计与选用 〔 M〕 . 北 京 : 科学技术出版社 , 1994. 〔 4〕 杨源泉 . 阀门设计手册 〔 M〕 . 北京 : 机械工业出版 ( 收稿日期 : 2003101120) 社 , 1992.
碟形弹簧是固定球阀和清管阀的关键零 件 , 其性能直接影响阀门的密封效果 。因此设 计新型抗硫 、抗静电及防火清管器发射接收阀 时 , 在阀门用碟形弹簧的结构 、设计 、选材与 制造等方面进行了分析和研究 。 2 设计 碟簧选用硅锰钢或不锈钢制造 , 冷作和时 效处理后硬度为 45 ～ 48 HRC 。清管阀和固定 球阀选用普通无支承面碟形弹簧 ( 图 1 ) 。根 据清 管 阀 设 计 得 出 弹 簧 预 紧 作 用 力 P0 = 15 260N , 阀座所允许的碟簧空间尺寸 D 0 = 218mm , d 0 = 112mm 。
表4 沉淀硬化不锈钢卷制弹簧后的时效处理规范
牌 号
Ni36Cr TiAl 0Cr17Ni7Al 0Cr15Ni7Al Ni42Cr Ti Co40CrNiMo NCu28 - 215 - 115 Ni42Cr Ti Cr15Ni36W3 Ti Cr14Ni25Mo
新型抗硫 、抗静电及防火清管器发射接收 阀在研制过程中 , 由于碟形弹簧设计合理 , 计 算精确 , 质量优良 , 各项性能指标均达到要 求 , 因此阀门样机试验密封性能达到了零泄漏 指标 , 为清管阀质量和性能提供了保证 。
图3 无支承面碟形弹簧疲劳破坏的关键部位
硅锰钢为本质粗晶粒钢 , 过热敏感 , 脱碳 倾向大 , 易产生石墨化 , 所以在热处理时 , 淬 火温度和保温时间应严格控制 , 以防止晶粒粗 大和脱碳 , 常用硅锰弹簧钢的热处理工艺及机 械性能见表 1 和表 2 。
312 不锈钢热处理
预加负荷下的应力 σ 1 等于 f 1 = 1175mm 时的 σⅢ。 当 f 1 = 1175mm 时 ,
阀 门 2003 年第 4 期 — 12 —
文章编号 : 100225855 ( 2003) 0420012203
阀 门 用 碟 形 弹 簧 的 计 算
杨 虹
( 锡山市阀门厂 , 江苏 锡山 214117)
摘要 介绍了阀门用碟形弹簧的结构特点 , 设计计算 , 选材及热处理 。