伸缩臂滑块碟形弹簧的构造分析

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箱形伸缩臂是将滑块固定在其中-个伸缩部分的外侧或内壁上，另-个伸缩部分在滑块的表面滑动。受伸缩臂加工工艺和安装条件 的影响，滑块与伸缩臂之间属间隙配合，而且该间隙调节不便，这就不能保证伸缩臂之间滑块 自适应接触的调整，导致伸缩臂在伸缩 中滑块与伸缩臂表面间的接触或配合状态较差，严重影响伸缩臂的伸缩和随整机作业的平稳性，导致伸缩臂在伸缩和随整机作业中产生颤动、发抖和过大的侧向偏摆位移。本文 旨在研究-种能在伸缩臂伸缩过程中自行调整滑块与伸缩臂之间接触状态的碟形弹簧滑块组件，通过有限元分析该碟形弹簧不同构造对伸缩臂伸缩、转台回转起制动冲击的减振影响，得出碟形弹簧相应最优构造。为改善伸缩臂的伸缩和随整机作业的平稳性，减小伸缩臂在伸缩和随整机作业 中产生颤动、发抖和过大的侧向偏摆位移做有益的探索。

l 碟形弹簧结构模型分析1.1 碟形弹簧结构模型碟形弹簧又称贝勒维尔弹簧垫圈，是用高碳《起重运输机械》 2013(7)钢冲压成碟形的卞弹簧，呈浅锥状的轴对称回转体，所有的碟簧都经过奥氏体处理，具有优 良的硬度、延展性等机械性能。该弹簧主要用于承受轴向载荷。在图 1所示的轴向载荷 P的作用下，碟形弹簧的外缘圆周沿径向向外微胀，内缘圆周沿轴向向内微缩，圆锥角度变小，内锥高度变低，于是产生轴向变形，将机械能转换为弹簧的变形能和弹簧外缘膨胀过程中的摩擦产生的热能来实现缓冲吸振作用。

图 1 普通碟形弹簧示意图在-般的伸缩臂结构中，在内节臂根部和外节臂端部截面的 3个位置安装有滑块 ，其中内节臂上盖板和外节臂下盖板上左右安装有 2个滑块，腹板两侧各安装有 2个导向滑块。滑块为长方体，通过螺钉连接在伸缩臂上。为防止滑块在与伸缩臂表面滑动时转动，-般使用多个螺钉连接，或在滑块安装处开有凹槽 ，将滑块嵌入在 凹槽内再- 49 - 用螺钉连接在伸缩臂加强板上。本文所述的碟形弹簧结构 (图2)即安装在伸缩臂凹槽内，利用螺钉将碟簧结构和滑块连接在伸缩臂上 (图3)。在逮 毽 辨 (a)无支承面 (b)有支承面图2 碟形弹簧结构的结构尺寸图1.加强板 2.螺钉 3.垫圈 4.碟形弹簧结构5.内节臂 6.滑块 7.外节臂图 3 伸缩臂滑块模型图装配过程中，根据现巢装的实际间隙大小，通过连接的螺钉控制碟形弹簧结构的变形量实现定量无级调整间隙大校滑块可以通过压缩或释放碟簧结构变形量来适应在伸缩臂的伸缩过程中伸缩臂腹板平整度的变化。

1.2 碟形弹簧结构力学模型分析碟形弹簧的轴向位移量 ∞与其厚度 t为同-数量级l J。根据结构力学卞的大挠度弯曲理论 J，当挠厚比为0.2< / <6.0时，板壳内的薄膜应力与弯曲应力属于同-量级，薄膜应力使板壳的几何中面发生伸缩和挠曲变形，弯曲应力使板壳沿横向厚度方向发生弯曲和扭转变形，需采用大挠度弯曲理论全面考虑薄膜应力、弯曲应力和中面变形三者的共同效应。碟形弹簧结构的变形能则是描述弹簧结构吸收和储存能量能力的量度指标，是度量伸缩臂减振效果的重要依据～碟形弹簧结构的变形简化成具有初始挠度 微弯板大挠度问题，从而可利用卞变形理论进行分析。根据图2建立的坐标系，假定板在弯曲以后中面上各点发生的位移分别为 U、 、∞，建立卞大挠度弯曲的冯卡门方程。( 2 ) (了F旁 磐旁-2 ) 2 OX20y2 E[( a2Jy，I - Ox2 0x2 J式中：D为板的抗弯刚度。

D ：- 12(1- 。)式中： 为薄膜应力函数，E为板的弹性模量， 为板的泊松比。

卞大挠度弯曲应变能 U是弯矩、扭矩应变能 U 与薄膜应力的应变能 之和U U1-.I-U2其中 邻( 2(1[(o20， ，I - 等 dy t f；ar ou ( ) 磐[ Oy( ) ]- ( Ox Ox 3y)) dy2 碟形弹簧结构有限元模型2.1 计算参数伸缩臂采用 Q235钢，双 U形截面对焊而成，工作总长为L5.5 m，采用 2级伸缩。伸缩臂末端工作载荷 F≤2 000 N，为冲击载荷，方向不固定，材料弹性模量 E2.06 X 10Pa。

碟形弹簧结构采用 50CrVA ，取 L46 mm，L124 mm，b25 mm，H 4 mm，t2.5 mm ，d 9 mm，弹性模量 E2.06 X 10”Pa，泊松比 0.3，屈服极限 1.4 X 10 Pa。

2.2 冲击振动基本概念冲击是指系统受到瞬态激励，其位移、速度或加速度发生突然变化的现象。冲击是振动的-种特殊状态，它与-般状态的振动不同，具有其独特的特点 J：冲击过程是瞬态的，持续时间短《起重运输机械》 2013(7)暂；冲击是骤然的、剧烈的能量释放、能量传递与转换过程；冲击激励函数往往是非周期性的，其频谱是连续的，冲击过程-次性完成，不呈现周期性；冲击作用下系统所产生的运动为瞬态运动，运动状态与冲击持续时间及系统的固有周期有关。

从理论角度看，冲击响应是系统受到-种短暂的脉冲、阶跃或其他瞬态的非周期激励下的响应。冲击动力学过程是-系列随时间变化的动态过程。理想的规则冲击载荷波主要有矩形、半正弦、梯形、三角形、锯齿波等。针对不同的冲击载荷波形 (冲击形式)，系统的动态响应也不同。

代表规则波形冲击的主要特征要素有：冲击持续时间 f，冲击波的形状 P ( ，冲击波的峰值 Pn，， f冲击载荷波形包含的面积AJ P( dt。

川 2.3 碟形弹簧结构动力学分析伸缩臂结构在带载的情况下，伸缩和回转制动过程中会产生明显的冲击振动，而且振动的幅度较大。而这种非常显著的动态效应在实际的计算和分析过程中仅由动载系数来考虑，也就把-个较复杂的动态系统人为地转化为简单的静态系统，并没有准确地反映系统的实质，难以分析并解决伸缩臂结构的振动问题。

采用有限元分析软件 Ansys Workbench对碟形弹簧结构进行动力学分析，着重研究碟形弹簧结构在伸缩臂回转制动动载荷激励下的动态响应规律，以求得到结构在这-动态过程激励的动态响应过程，为研究伸缩臂结构的减振提供依据。

瞬态动力学分析 (时间历程分析)是用于确定结构关于随时间变化载荷的动力学响应的-种方法，可用其分析结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的任意组合作用下随时间变化的位移、应变、应力等参数。瞬态动力学分析的方法主要有完全法、缩减法和模态叠加法。

通过对碟形弹簧结构的静力求解，发现碟形弹簧结构受力与变形位移量之间呈-条直线，如图4所示，亦即二者成线性关系，此时可以将此结构看作-等效的弹簧，即在伸缩臂结构中能够起到缓冲、减振的作用▲-步对该结构进行动力学分析，根据图 5应力与应变关系的时间历程图得到应变滞后于应力，二者之间存在着相位差，即该结构中存在有不可忽略的阻尼。同时，在梯《起重运输机械》 2013(7)形冲击载荷的作用下，结构应变的峰值响应时间明显的缩短，波形也更加的顺滑。

463 379 2×1O l 01s/mm图4 力与位移之间关系图图 5 应力与应变关系的时间历程图3 结论1)碟形弹簧结构构造简单，具有良好的弹性变形性能，较强的滞回耗能能力。

2)在伸缩臂结构安装过程中，能通过控制碟形弹簧结构的预压缩量来调整伸缩臂的间隙。

3)在运行过程中，通过碟形弹簧结构的自变形性能，自行调整滑块与伸缩臂之间接触状态，减小伸缩臂在伸缩和制动过程中冲击载荷产生的抖动，提高伸缩臂在冲击载荷作用下的性能。