坑道鉆機(jī)碟形彈簧的失效形式及分析

王申明

摘 要：本文通過對坑道鉆機(jī)碟形彈簧承受載荷狀態(tài)下失效形式理論研究，分析了碟形彈簧工作特性及安裝的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際闡述了其良好的工藝性，為此類碟形彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：彈簧；技術(shù)改造；應(yīng)力；壽命

中圖分類號(hào)：TD41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

碟形彈簧在坑道鉆機(jī)中應(yīng)用地比較廣泛，主要應(yīng)用在鉆機(jī)的動(dòng)力頭卡盤和夾持器部件上，通常采用常閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。依靠碟形彈簧的預(yù)緊力夾緊鉆具，通過油壓松開，在突然斷電等異常情況時(shí)為夾緊狀態(tài)，安全可靠，有效防止跑鉆事故的發(fā)生。本文通過對碟形彈簧的結(jié)構(gòu)形式和工作狀態(tài)分析，以及對其應(yīng)力狀態(tài)及失效形式的理論研究，通過分析說明，在碟形彈簧工作狀態(tài)應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋，和在加工制造過程中產(chǎn)生不可避免的裂紋時(shí)，可以通過合理布置碟形彈簧的結(jié)構(gòu)形式，有效提高碟形彈簧的承載能力和疲勞壽命。

一、碟形彈簧在坑道鉆機(jī)中主要應(yīng)用形式

1.常閉式夾持器

常閉式夾持器（如圖1所示）結(jié)構(gòu)，是通過先壓縮碟形彈簧，通過卡瓦座斜面將徑向分力傳遞給卡瓦，從而將鉆具夾緊。松開鉆具是通過液壓油推動(dòng)卡瓦座，進(jìn)一步壓縮碟形彈簧，使卡瓦徑向離開鉆具，達(dá)到松開鉆具的目的。鉆機(jī)工作時(shí)，每完成一次鉆進(jìn)，需要壓縮碟形彈簧兩次，夾持器處于長時(shí)間頻繁松開卡緊狀態(tài)，極易達(dá)到其疲勞極限。此常閉式夾持器結(jié)構(gòu)比較緊湊、工作比較可靠、對鉆具的夾持力大小取決于碟形彈簧預(yù)壓縮量，不受液壓油壓力的影響。并且可以在突然停電時(shí)，操作夾持器釋放油壓，使碟簧快速將推力傳遞到卡瓦，可靠地夾緊鉆具，有效防止跑鉆等事故的發(fā)生。

2.復(fù)合式夾持器

復(fù)合式夾持器（圖2）是坑道鉆機(jī)常用的結(jié)構(gòu)形式，其工作原理是通過預(yù)壓縮碟形彈簧，使卡瓦有足夠的卡緊力來克服鉆具自重，松開鉆具是通過液壓油推動(dòng)卡瓦座，使卡瓦徑向移動(dòng)而達(dá)到松開的目的。復(fù)合式夾持器可以實(shí)現(xiàn)突然斷電時(shí)，操作夾持器，使液壓油快速釋放，碟簧快速推動(dòng)卡瓦座徑向移動(dòng)夾緊鉆具。

3.動(dòng)力頭卡盤

動(dòng)力頭式卡盤是在動(dòng)力頭箱體的前端，一般為常閉式結(jié)構(gòu)，其工作原理是碟形彈簧推動(dòng)卡瓦座使卡瓦向內(nèi)移動(dòng)，卡住鉆桿。當(dāng)高壓油進(jìn)入卡盤體時(shí)，活塞克服彈簧推力，使卡瓦座向下移動(dòng)，卡瓦松開鉆桿。

二、碟形彈簧理論研究

1.碟形彈簧的安裝結(jié)構(gòu)形式

碟形彈簧具有剛度大、緩沖吸振能力強(qiáng)及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，適合于軸向空間要求小的場合，其在坑道鉆機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。作為坑道鉆機(jī)常用的結(jié)構(gòu)形式，碟形彈簧的特性和裝配要求已為行業(yè)內(nèi)各廠家所熟知。設(shè)計(jì)碟形彈簧組時(shí)，彈簧組兩端一般設(shè)計(jì)為一端是彈簧外徑與安裝件接觸，另一端是彈簧內(nèi)徑與安裝件接觸。碟形彈簧組的定位通常采用內(nèi)徑定位，即導(dǎo)向桿或?qū)蛱着c彈簧組之間要保留一定的間隙。導(dǎo)向件導(dǎo)向表面以及與碟形彈簧組兩端相接觸的安裝件表面須經(jīng)熱處理表面淬火和拋光處理。

2.碟形彈簧的工作狀態(tài)

碟形彈簧是成組對合裝配的，因碟形彈簧在制造過程中存在不可避免的加工誤差和熱處理變形等，以及在進(jìn)行裝配時(shí)的不同軸，會(huì)造成碟形彈簧相互之間在承受載荷狀態(tài)下產(chǎn)生不均勻的線性接觸。此不均勻的線性接觸會(huì)造成碟形彈簧內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，在頻繁往復(fù)的壓縮松開工作過程中，極大地影響了碟形彈簧的使用壽命。

3.失效形式

坑道鉆機(jī)動(dòng)力頭卡盤內(nèi)，安裝在主軸上的碟形彈簧組，是隨著主軸高速旋轉(zhuǎn)的。越靠近碟形彈簧組中間部位的碟形彈簧，由于受離心力的作用，也就越容易偏離主軸軸線。碟形彈簧組總高度越大，其偏心的現(xiàn)象也越為明顯，這是導(dǎo)致主軸產(chǎn)生共振的關(guān)鍵因素之一。碟形彈簧具有比一般結(jié)構(gòu)零件較高的屈強(qiáng)比和較高的疲勞強(qiáng)度，在循環(huán)作用動(dòng)載荷下可靠地工作，因此碟形彈簧的內(nèi)部質(zhì)量和外表面質(zhì)量的要求也比較嚴(yán)格，如果原材料存在內(nèi)部缺陷或者熱處理工藝不適當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致碟形彈簧在生產(chǎn)或使用過程中發(fā)生疲勞失效，或者斷裂等較為常見的失效形式。

4.預(yù)應(yīng)力處理對碟形彈簧的影響

碟形彈簧經(jīng)預(yù)應(yīng)力處理后，其材料內(nèi)部與表面產(chǎn)生反向殘余應(yīng)力。使碟形彈簧在承受外部載荷時(shí)，在材料的中間部分會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力增加，而表層應(yīng)力會(huì)減少，這就可以充分發(fā)揮碟形彈簧材料中間部分的潛力。標(biāo)準(zhǔn)型的碟形彈簧在經(jīng)過預(yù)應(yīng)力處理后，I處的殘余拉應(yīng)力為最大。

結(jié)論

通過坑道鉆機(jī)中碟形彈簧的結(jié)構(gòu)形式和工作狀態(tài)分析，以及對其應(yīng)力狀態(tài)及失效形式的理論研究，通過分析說明，在碟形彈簧工作狀態(tài)應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋，和在加工制造過程中產(chǎn)生不可避免的裂紋時(shí)，可以通過合理布置碟形彈簧的結(jié)構(gòu)形式，有效提高碟形彈簧的承載能力和疲勞壽命。

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