摘要：通過某廠鍛錘隔振基礎改造的工程實踐，簡要介紹了碟簧在鍛錘隔振基礎改造中的應用；并對碟簧有關參數選擇、組合方式及反壓限幅等問題進行了探討。
關鍵詞：碟簧；鍛錘基礎；隔振

鍛錘基礎歷來都是采用砧座下設置硬質墊木的安裝方式。鍛錘工作時，由于砧座下墊木層剛度很大，高達800KN/mm以上，砧座動量激發的動壓力無法得以有效衰減，沿墊木、基礎、地基向四周傳播，造成地面強烈振動。減小地面振動的有效途徑是在砧座與基礎之間設置剛度相對較小的彈性元件和適當阻尼值的阻尼元件代替墊木，利用彈性元件的變形將砧座的動量轉變為彈性能，使作用于基礎的動壓得以有效衰減。但由于砧座與基礎底板之間空間尺寸有限，以M132A 1t自由鍛錘為例，豎向空間尺寸僅37cm，如采用圓柱彈簧隔振，空間尺寸難以滿足要求；如采用橡膠塊隔振，則橡膠老化現象比較嚴重，有效使用壽命過短。1991年，我校隔振課題組研制完成以碟簧為主要元件的鍛錘隔振器(圖1)，并于1993年應用于湖南長嶺煉油廠機械分廠M132A自由鍛錘基礎隔振改造。

圖1隔振器示意圖
1.上蓋板2.嵌套柱3.碟簧4.鋼絲繩元件5.下蓋板

該鍛錘隔振改造前，測得基礎位移1.8mm，基礎加速度為1.8g。隔振改造后，基礎位移減少了87%，基礎加速度降低了94%，隔振效果十分顯著(表1)。

表1改造后振動參數

一、碟簧參數選擇

碟簧在鍛錘隔振基礎中，承受主要外載荷，并提供阻尼，碟簧剖面見圖2。

圖2碟簧剖面

鍛錘隔振基礎中采用的碟簧應按載荷與變形關系，載荷大小、結構尺寸等要求進行選擇。以下一些參數的確定是重要的。

1.C值的選擇(C＝D/d)

碟簧單位體積作功能力與C值有關，一般在C≈1.7時，作功能力最大。因此，設計用于鍛錘隔振器的碟簧時，可取C＝1.6～2.5。C值對碟簧剛度特性曲線也有很大影響，C值越大，碟簧剛度越小。綜合上述因素，一般可取C≈2.0。

2.比值h0/δ的選擇

碟簧凈高h0與厚度δ的比值h0/δ變化時，碟簧載荷—變形曲線，將隨之改變，見圖3。

圖3碟簧載荷—變形曲線

當h0/δ≈0.4時，P—f特性曲線近于直線，變形隨負荷增大而呈線性增長。

當時，當變形f＝0.8h0，負荷達最大值；變形再增大時，負荷也不再增大，出現碟簧剛度趨于零的區域。

當時，特性曲線有轉折點。以h0/δ＝1.8為例，當f＝0.6h0時，負荷達最大值，f＞0.6h0時，隨著變形增大，負荷反而減小，出現所謂“負剛度”特性。這種“負剛度”和“零剛度”特性容易造成碟簧突然壓平、折斷。

鍛錘隔振基礎中，碟簧不能出現“零剛度”或“負剛度”特性，否則砧座位移將無法控制，呈現不穩定狀態。為防止“零剛度”及“負剛度”特性出現，h0/δ不應大于1.3。

3.變形值f的選擇

碟簧具有變剛度特性(見圖3)，隨著f/h0比值增大，變剛度特性漸趨突出，為保證隔振器平穩工作并具有足夠安全性，變形值f不宜大于0.6h0，而且，如選用60Si2MnA或50CrVA鋼材制造的碟簧，當f≤0.6h0時，其靜強度也必然滿足，不需校驗靜強度。

二、碟簧組合形式

由于隔振效率的要求，砧座振幅約為10mm左右，單片碟簧難以提供10mm變形量，應由數片碟簧對合組合(串聯)，另外，單片碟簧負荷能力也往往不夠，簧片還應疊合(并聯)，即采用“復合組合”形式(圖4)。

圖4復合組合碟簧

復合組合件由疊合(疊合片數n)和對合(對合片數i)碟簧復合而成。疊合片數n和對合片數i由負荷值和總變形量決定：

Pz＝nP(1)
Fz＝if(2)
Hz＝i［H+(n-1)δ］(3)

式中P——單片碟簧承受載荷，KN
Pz——復合組合碟簧組承受載荷，KN
n——碟簧疊合片數
f——單片磺簧的變形量，mm
Fz——復合組合碟簧組總變形量，mm
H——單片碟簧的自由高度，mm
Hz——復合組合碟簧組的總自由高度，mm

碟簧疊合組合后，不但碟簧承受載荷能力增加，而且簧片之間大面積接觸，振動過程中提供磨損阻尼。實測結果，當采用2片疊合時，阻尼功約為碟簧總變形功的8%。疊合片數n一般不超過3片。

為了保證復合碟簧組可靠工作，組合時，隔振器剛性嵌套柱上下蓋板應與碟簧外周邊相接觸。如有困難，至少上蓋板應與碟簧外周邊相接觸(見圖1，圖5)。

圖5碟簧復合組合相對位置
(a)合理(b)不合理

三、反壓限幅控制

碟簧只有在受壓變形時才做功，并且隨載荷Pz增大而增加(圖6)。當載荷Pz減小至零后，碟簧恢復原位；當Pz反向后，碟簧脫離工作。因而碟簧工作是單向的。而鍛錘工作中，砧座在原位附近上下振動，既有向下運動時刻，也有向上運動時刻，當砧座產生向上反彈時，可能使復合碟簧組中碟簧與碟簧之間脫離接觸退出工作，因而，必須對豎向向上位移予以控制。在鍛錘其它型式隔振基礎中，通常解決辦法是在砧座上部設置鋼梁抑制反彈，這種辦法增加技術改造的復雜性，而且有損結構系統的美觀。碟簧隔振器則在內部增設反壓限幅控制裝置，控制砧座反彈，克服碟簧只能單向工作的缺陷。這種反壓裝置體積小，構造簡單，使鍛錘隔振基礎的技術改造簡單可行。

圖6

當砧座向下運動時，反壓控制裝置不參與工作，當砧座恢復零位時，反壓控制裝置被啟動；當砧座繼續向上運動時，反壓控制裝置提供約束力，反壓控制裝置P—△曲線示于圖7。

圖7反壓控制裝置載荷—變形曲線

四、隔振器變形控制

圖8為隔振器載荷—變形曲線。正常打擊載荷處于載荷—變形曲線OA段內，此時碟簧內的應力較小，碟簧變形f＞0.6h0(h0為碟簧內側凈高)。超常工作時(如冷擊等)曲線將處于AB段，為了確保碟簧內應力不致過大，同時考慮到冷擊的次數有限，采用構造措施使載荷達到A點(此時，碟簧變形f＝0.6h0)后，再增加的載荷將全部轉移至由剛性嵌套柱承擔，碟簧本身不再增加新的載荷。此時，隔振器的載荷—變形曲線為豎直線AB。這樣既確保了碟簧的使用壽命。又保證了隔振器在意外情況下不會破壞。

圖8隔振器載荷—變形曲線

參考文獻
［1］振動計算與隔振設計組.振動計算與隔振設計.北京：中國建筑工業出版社，1976.
［2］張英會主編.彈簧.北京：機械工業出版社，1982.
［3］A.M.Whal.Mechanical Spring.McGraw－Hill,1961.