坑道鉆機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碟形彈簧承受載荷狀態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構形式，結合生產實際闡述了其良好的工藝性，為此類碟形彈簧的設計應用提供了依據。

關鍵詞：彈簧；技術改造；應力；壽命

中圖分類號：TD41 文獻標識碼：A

碟形彈簧在坑道鉆機中應用地比較廣泛，主要應用在鉆機的動力頭卡盤和夾持器部件上，通常采用常閉式結構設計。依靠碟形彈簧的預緊力夾緊鉆具，通過油壓松開，在突然斷電等異常情況時為夾緊狀態，安全可靠，有效防止跑鉆事故的發生。本文通過對碟形彈簧的結構形式和工作狀態分析，以及對其應力狀態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應力集中產生的裂紋，和在加工制造過程中產生不可避免的裂紋時，可以通過合理布置碟形彈簧的結構形式，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中主要應用形式

1.常閉式夾持器

常閉式夾持器（如圖1所示）結構，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卡瓦座，進一步壓縮碟形彈簧，使卡瓦徑向離開鉆具，達到松開鉆具的目的。鉆機工作時，每完成一次鉆進，需要壓縮碟形彈簧兩次，夾持器處于長時間頻繁松開卡緊狀態，極易達到其疲勞極限。此常閉式夾持器結構比較緊湊、工作比較可靠、對鉆具的夾持力大小取決于碟形彈簧預壓縮量，不受液壓油壓力的影響。并且可以在突然停電時，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生。

2.復合式夾持器

復合式夾持器（圖2）是坑道鉆機常用的結構形式，其工作原理是通過預壓縮碟形彈簧，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卡瓦座，使卡瓦徑向移動而達到松開的目的。復合式夾持器可以實現突然斷電時，操作夾持器，使液壓油快速釋放，碟簧快速推動卡瓦座徑向移動夾緊鉆具。

3.動力頭卡盤

動力頭式卡盤是在動力頭箱體的前端，一般為常閉式結構，其工作原理是碟形彈簧推動卡瓦座使卡瓦向內移動，卡住鉆桿。當高壓油進入卡盤體時，活塞克服彈簧推力，使卡瓦座向下移動，卡瓦松開鉆桿。

二、碟形彈簧理論研究

1.碟形彈簧的安裝結構形式

碟形彈簧具有剛度大、緩沖吸振能力強及結構緊湊等特點，適合于軸向空間要求小的場合，其在坑道鉆機等設備中得到了廣泛的應用。作為坑道鉆機常用的結構形式，碟形彈簧的特性和裝配要求已為行業內各廠家所熟知。設計碟形彈簧組時，彈簧組兩端一般設計為一端是彈簧外徑與安裝件接觸，另一端是彈簧內徑與安裝件接觸。碟形彈簧組的定位通常采用內徑定位，即導向桿或導向套與彈簧組之間要保留一定的間隙。導向件導向表面以及與碟形彈簧組兩端相接觸的安裝件表面須經熱處理表面淬火和拋光處理。

2.碟形彈簧的工作狀態

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，以及在進行裝配時的不同軸，會造成碟形彈簧相互之間在承受載荷狀態下產生不均勻的線性接觸。此不均勻的線性接觸會造成碟形彈簧內部應力分布不均勻，在頻繁往復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

坑道鉆機動力頭卡盤內，安裝在主軸上的碟形彈簧組，是隨著主軸高速旋轉的。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，其偏心的現象也越為明顯，這是導致主軸產生共振的關鍵因素之一。碟形彈簧具有比一般結構零件較高的屈強比和較高的疲勞強度，在循環作用動載荷下可靠地工作，因此碟形彈簧的內部質量和外表面質量的要求也比較嚴格，如果原材料存在內部缺陷或者熱處理工藝不適當，將會導致碟形彈簧在生產或使用過程中發生疲勞失效，或者斷裂等較為常見的失效形式。

4.預應力處理對碟形彈簧的影響

碟形彈簧經預應力處理后，其材料內部與表面產生反向殘余應力。使碟形彈簧在承受外部載荷時，在材料的中間部分會產生應力增加，而表層應力會減少，這就可以充分發揮碟形彈簧材料中間部分的潛力。標準型的碟形彈簧在經過預應力處理后，I處的殘余拉應力為最大。

結論

通過坑道鉆機中碟形彈簧的結構形式和工作狀態分析，以及對其應力狀態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應力集中產生的裂紋，和在加工制造過程中產生不可避免的裂紋時，可以通過合理布置碟形彈簧的結構形式，有效提高碟形彈簧的承載能力和疲勞壽命。

參考文獻

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