小型圆锥压缩弹簧的设计及试验.pdf

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1、第3期-31-小型圆锥压缩弹簧的设计及试验倪三明，许林滔，张翀宇，周瑾瑜（台州市特种设备监督检验中心，浙江台州318000）[摘要]根据氨制冷热氨融霜的工艺条件，本项目预设上游压力0.8MPa、下游压力0.2MPa。根据预设限流装置的几何尺寸、弹簧行程，进行不锈钢弹簧钢丝小型圆锥弹簧设计，采用等节距形式。对该弹簧强度、设定形变时的钢丝切应力计算，制造完成后选用2件圆锥弹簧分别进行1-12mm的弹簧形变及弹簧载荷试验，记录其形成曲线，验证该弹簧刚度线性范围及与理论刚性设计值的差异。[关键词]小型圆锥弹簧；等节距弹簧；强度；线性刚

2、度本项目弹簧装置中需要一种小型压缩弹簧，1.3圆锥弹簧设计由于装置几何尺寸较小且弹簧形变较大，同时出最大载荷Fmax=△P×S=(0.8-0.2)×1400于弹簧减振的考虑，因此选择圆锥压缩弹簧的=0.6×1400≈840N，考虑流体阻力、腔体背压等多形式。为了形成相对较大的弹簧形变，本设计种因素，计算采用的最大工作载荷根据经验约定采用等节距且采用弹簧大端半径与小端半径之为Fz=0.65Fmax≈546N，该预设系数是否合理留待在差≥nd形式。涉氨环境建议采用不锈钢材料，参系统试验中加以验证。已知限流装置最大下行程考GB/T2

3、4588-2009《不锈弹簧钢丝》，本设计是9mm，弹簧有效圈数不少于2圈，节距6.5mm，弹簧预计钢丝直径3-4mm，不锈钢材料抗拉强度因此弹簧形变可以达到13.0mm，因此须F’≤42N/[1]σb=1450~1700MPa。参考张会英《弹簧手册》mm。3[2]第二版，不锈弹簧钢丝切变模量71.7×10MPa，圆锥弹簧的设计方式选择：根据式1进行圆锥2限流装置受力面积1400mm。弹簧有效工作圈数计算：1小型圆锥等节距弹簧设计1.1圆锥弹簧计算已知条件1.5表1圆锥弹簧已知条件（式1）已知条件P1-热氨融霜限流装置上游压力

4、MPa0.8n进行取整，n=2；弹簧理论刚度计算由式2计P2-热氨融霜限流装置下游压力MPa0.2算：2S-热氨融霜限流装置受力面积mm1400G-弹簧切变模量MPa71000L-限流装置最大行程mm9Fz-最大工作载荷N5461.2圆锥弹簧预设条件（式2）表2圆锥弹簧计算预设条件因R2-R1=18-9=9，nd=2.1×3.5=7.35，R2-预设条件R1≥nd，所以本次设计d’=0mm，上、下端支撑圈R1—弹簧最小工作圈中半径mm9分别取nz1=1、nz2=0.85，部分磨平后，则由于支R2—弹簧最大工作圈中半径mm18d

5、-弹簧钢丝直径mm3.5撑圈圈径由式3、式4计算可得：nz-两端支撑圈（磨平）1t-螺纹节距（mm）6.5作者简介：倪三明（1981—），男，浙江台州人，浙江工业大学σb-弹簧钢丝抗拉强度MPa1860机械工程及自动化专业毕业，工程硕士，高级工程师。现在浙江省台州市特种设备监督检验中心从事承压设备检验工作。石油和化工设备-32-论文广场2017年第20卷弹簧大工作圈开始压并时，弹簧形变由式6计算可得：（式3）（式6）（式4）C2=10，K2参照图1，K=1.15，切应力由式7计算可得：（式7）查图得K3=1.325，当小圈压并

6、时，取Ri=R1时，弹簧开始接触时，由式5、式6、式7计算可得：图1k-曲度系数弹簧旋绕比C=D/d，根据《弹簧手册》中关于旋绕比中的规定，C1=2×20.6/3.5=11.7，τ2=454符合材料许用范围之内，τ1=2100超C2=2×18/3.5=10.2，出范围。因此该弹簧在6.3mm以内属于正常范围，C3=2×9／3.5=5.14，C4=2×5.92/3.5=3.4。形变达到13.65时弹簧切应力严重。因此弹簧有效结合实际情况，本案例设计的弹簧属于形变不能大于13mm。Ⅱ类载荷，不锈钢弹簧材料切应力范围估算为假设工作圈

7、R3=15mm开始压并时，最大自由0.35~0.40；工作圈的载荷、形变、切应力根据式5、式6、式7σb=(0.35~0.40)×(1450~1700)=507~680M可得：F3=320N，f3=9.49mm，τ=670MPa。[2]Pa。因此当弹簧形变9mm时，不锈钢材料的切应2弹簧钢丝的强度验算力符合要求。为此本次活动盖帽下行行程9mm符当弹簧工作圈大圈开始压并时即取Ri=R2，弹合弹簧的切应力要求，设计符合要求。簧载荷按照式5计算可得：3圆锥压缩弹簧力学性能验证从加工弹簧里选取2件上下端面平行度较好的圆锥弹簧进行不同程

8、度的弹簧形变试验，分别记（式5）录形变及对应的弹簧载荷，见表3。表3弹簧形变及载荷试验数据表圆锥螺旋压缩弹簧1圆锥螺旋压缩弹簧2变形量/mm载荷/N区间弹簧刚度N/mm变形量/mm载荷/N区间弹簧刚度N/mmH1.028.1K1=28.1H1.025.9K’1=25.9H2.