关于振动锤减振系统弹簧的设计分析.pdf

关于振动锤减振系统 弹簧的设计分析 文／赵伟民①胡长胜祖海英①冯欣华① 概述 在振动器的减振系统中，常采用螺旋压缩弹簧弹簧的工 作原理是利用材料的弹性和自身几何构造的特点，在工作时产 生大变形，把机械能转变为弹簧的变形能，反之也可以将变形 能转变为机械能 从几何形状分类来看钢丝直径d 、簧圈中径D ( 以下简称 圈径) 、节距t 和螺旋角a 是弹簧的4 大结构参数其全部保持 不变者，则是普通圆柱螺旋弹簧；其部分或全部随钢丝长度L 变 化者，则谓之变参数螺旋弹簧 变参数螺旋弹簧的刚度是变值，特别是变径弹簧，由于各 圈的自振频率不一样，因此对消除或缓和共振尤其是颤振更为 有效变参数螺旋弹簧具有如下优点： 减轻质量：由于可将顶死在簧座上的端部簧圈做成小圈， 且使该部分的丝径变细因此无效的“死”材料就相对减少，从 而减轻螺旋弹簧的总质量 充分发挥材料潜能：因为可在较小的簧圈上采用较粗的丝 径并可将其节距加大所以压并这种簧圈的载荷就将变得很大 只要不超过许用应力，有限的材料可以造就承受高载荷的螺旋 弹簧，从而充分发挥材料的潜能 应力分布合理：应力随载荷变化的关系普通螺旋弹簧的增 长速率和比应力都是相等的；而变参数螺旋弹簧其应力增长速 率和比应力皆是逐渐变小的部分变参数螺旋弹簧甚至能使高载 荷区段的应力随载荷的变大而减小，这就使材料得以更为合理 的利用。

由于变参数压缩螺旋弹簧的上述优点，在机械设备和仪表 器具等方面有着广泛的应用振动锤减振系统采用什么样的弹簧 更为合适是需要我们探讨的问题 图1 可适用于振动锤的变径弹簧 适用于振动锤的变径弹簧有如下几种，如图1 所示： a 为等径弹簧；b 为中间圆柱体，两端圆锥体弹簧；c 为锥 形弹簧；d 为一端圆柱体，一端圆锥体弹簧：e 为中间内凹弹簧； f 为中间外凸弹簧为了分析比较设弹簧的自由高度一样；最 大直径一样；最小直径应满足导向轴安装的要求 变参数螺旋弹簧的设计分析 图2 等径弹簧的有限元分析( 应力、应变) 1 2j 囊墩圉圈中国桩工机械行业专刊 令弹簧的自由高度L = 3 4 0 m m ，螺距P = 3 5 m m 弹簧丝直径 d = 2 5 m m 弹簧中径D = 1 0 0 r n m ，螺旋角a ·一去；一丽4 0 = 6 ．3 6 弹簧所受外载荷为交变载荷弹簧材料为6 0 S i 2 C N A ，塑性变形 时的屈服极限q = 16 6 5 M P a 和发生断裂时的强度极限 嘞= 1 8 6 5 M P a 由此可以确定许用应力【a ] = 1 0 6 5 M P a 。

衰1 等径弹簧极值表 缀淼‰ p 饿 馥罐勰糍瓣辫糍赫绺貔黼黝 糍潍赫镝％豳榭蕊g ㈣≥；，l 纛l g x 嬲糍㈣自磊镕《刺㈣ 应力( N ／m ‘2 ) 3 5 2 24 6 ．4 7 6 1- - 1 8 ．4 9 4 53 0 4 ，7 7 27 ．8 9 4 8 4 e + 0 0 9 淄矿 黪糍# 端％罐辨《辨群”耀嘲黪冁獬黪糍黪僦雅g # 獬黪移鬻黪翳嘲荆猁■搿翔 3 1 7 82 4 5 5 3 45 7 ．4 3 7 73 1 0 黧酗虢糍瓣勰毓瓣躺籀羹菇巍瓣‰§＆黼粪黼端躲毓翻搿糍虢霸赫盛∞镟趟瓤刎旒龋瓣貔赫貔瓣耘簇渤癞赫瓣瓣凇缀籀激瓣蒯 应变 2 4 9 4 4- - 8 ．6 7 9 2 24 6 ．2 1 4 2 3 ∞．4 7 72 ∞9 5 2 e —∞2 图3 弹簧的有限元结构分析 ( 中间圆柱、两端圆锥X 应力与位移) 裹2 中间圆柱，两端圆锥弹簧绝对极值表 隧纛㈣蕊壤虢缀巍泷赫翻敷象嫩眺毅纛缀黥‘磊㈣一㈣潮毓糍巍糍勰蕊溅辍l i 《藕 应力( N ／m ‘2 ) 3 5 0 5 3 8 ．9 6 4 - - 2 0 ．1 3 8 32 3 8 ．0 3 97 ．4 8 0 6 5 e 枷9 搿铲 缀缫臻辨镕㈣％镕镕※翳％《㈣辫谚糍嬲嗍删* 删㈣嬲嚣秽㈣∞鳓 觏貔舔黪魏糍蕊翁藏瓣绷 3 9 0 8 187 5 7 5 55 60 3 9 12 4 0 兹鳓魏缀缀巍糍燃缝瀚蠡㈣㈣虢貔糍瓣缀黼黝瓣罐缀耘渤蕊燃簸貔毓貔藏罐藏黝 应变 1 6 3 3 6- - 9 ．3 0 4 1 33 3 ．5 5 2 7 2 3 9 ．7 7 41 ．7 9 3 9 0 e —0 0 2 图4 圆锥弹簧的有限元分析( 应力与位移) 中国桩工机械行业专刊舞矬圈l1 3 C O N S T R U C T I O NE N T E R P R I S EM A N A G E M E N T 表3 圆锥弹簧绝对极值表 缓：㈣㈣；戳躲瓣秘虢㈣女纛。

l ￡＆辫‰t“巍毅￡Q 赡i菇≤麓毗幽蠡麟鳓蹴盏羲瓣赫赫巍端澜 应力( N ／m ‘2 ) 3 3 8 2- - 4 9 ．4 8 4- 1 5 ．2 8 4 2 1 7 48 9 77 ．8 8 7 8 5 e - 1 ·0 0 9 缀酽 搿嚣群鞴搿㈣糍≈黪黪群搿㈤∞㈣％《婵8 孵《镕镕攀攀辫黪嘲糍黪獬 虢霸魏毓罐觏虢蝴虢猫嬲 3 0 2 4’9 ．1 1 9 5- 6 03 2 5 61 8 0 虢勰赫赫赫瓣瓣毓㈣糍《％蜥∞∞M 施“∞涮删％∞鞲赣藏赫赫醚黼瀚勰赣麓俄㈣ 甑《妊《黼瓣辩鬻虢# 应变 1 1 7 8 92 ．3 0 4 1 7- 4 9 ．1 6 4 11 7 1 ．3 2 82 ．0 1 9 8 7 e - 0 0 2 图5 一端圆柱体，一端圆锥体弹簧的有限元结构分析 ( 应力与位移) 裘4 一端圆柱体．一端圆锥体弹簧绝对极值表 缓急㈣貔∞编《㈣么纛渤臧芸编纫燃泓瀛—甥劂如黼蕴糍貔旗觏勰糍瓣瀚绷 应力( N ／m ‘2 ) 4 4 8 33 7 ．8 4 6 12 1 ．4 3 5 21 6 1 ．0 2 47 ，2 3 3 1 2 e + 0 0 9 獬鬻嘲鬻糍瓣黝铹群黪嚣} } l 蕈猁缨辫辨嘲嘲臻燃渊鬻阑 缀矿 3 4 8 S 2—4 l 。

3 6 2 63 76 8 8 2 { 6 5 黼黼蹴粼貔貔黼黼蒯‰蝴㈣黝黼瓣黼燃镕澎辫磊瓣黼溯蠹镒巍赫赫糍黼渤蒯糍鳓糍缓毓貔缓㈣黼箍貔巍瓣戮燃 应变 2 5 5 4 34 1 ．9 5 3 24 ，3 9 4 0 6 1 6 3 ．1 2 22 ．∞7 4 1 e ．一∞2 图6 中间内凹弹簧的有限元分析( 应力与位移) 袭5 中闻内凹弹簧绝对极值表 凌罴一 l J ，黑 ％臻罐醢籀瓣‰端∞自蜊罐激黼 ％辫糍《罐蕊瓤“；；羡；』《贼；；墓囊g M 瓣磊；≤自Q 嘲； 应力( N ／m ‘2 ) 3 5 0 9- 4 4 ．4 1 2 3- 3 7 ．5 8 7 91 7 3 ．2 81 ．0 0 9 3 5 e + 们0 搿矿 搿警移# 棒w 磷秽々# 卿《蛘《≈鬻黪《黪絮鬻虢鬻搿鬻擀糊∞嗡熊嬲聪黟# 黝 嬲—禺翔3 7 4 5 57 04 1 2 9- 52 7 3 2 1{ 7 4 9 5 4 鞲鼯鳓捌捌蹴勰燃∞# ∞㈣* ≤∞《§箍∞裂馥弛蝴端自《蕊日＆籀目蘸溉蘸蕊薅霸戮糍翻# 蠹眺幽蕊施辅簸蕊黼僦毹涮 应变 1 6 D 2 0 4 6 ．2 2 3 2 1 5 ．0 3 1 2 ，7 4 ．7 8 2 ．3 1 9 4 8 e - - 0 0 2 图7 中间外凸弹簧的有限元结构分析( 应力与位移) 表6 中间外凸弹簧绝对极值表 落夏赫 p 照 麓凌糍翰滋勰戳蝴毹瓣㈣ ‰女《《㈣㈣；荔∞1 9 9 翰k ，。

蕊荔自Q 9 ％k磊澎嘲苏 应力( N ／m 4 2 ) 4 2 73 6 ．2 4 0 8- 2 4 ．0 9 1 1 - 1 6 7 ．3 0 67 ．6 5 5 17 e - I - 0 0 9 淄矿 刚哪獬帮瓣黪g秽≈g g ■鳓嚣鬻鳓辫帮黪糍棼攀㈣ 燃嚣铲鲫嘲警槲㈣ 赫涮蠢黼涮黼辅黼躺靛黼戳黼 6 9- 5 t ，1 4 2 2- 2 26 7 2 3- 1 7 0 ．0 4 黧赢鲻∞赫箍赫棼％蝴鼎㈣∞女繇≮霸㈥糍嘲女槠黼黼鳓㈣蕊馥巍鲻※自掀懒# 馥醯罐缓籀鹣蠡黝 应变 3 2 4 4 5- 3 3 ．9 1 9 7i ．9 9 8 9一1 6 9 ．8 1 61 ．7 8 1 3 7 e - 0 0 2 根据上述各个弹簧的有限元分析可知： 一、常用等径弹簧在受到l O t 载荷作用时，产生的最大应力 值为7 8 9 M P a 1 0 6 5 M P a 所产生的最大位移为7 2 m m 中间 内凹弹簧的应力最大，为1 0 0 9M p a ，位移为9 6 m m ；其他依次 为：圆锥弹簧的应力为7 8 8M p a ，位移为8 2 m m ；中间外凸弹 簧的应力为7 6 5M p a 。

位移为5 6 m m ；中间圆柱、两端圆锥弹 簧的应力为7 4 8M p a ，位移为6 0 m m ；一端圆柱体，一端圆锥 体弹簧的应力为7 2 3M p a ，位移为6 3 m m 以一端圆柱体，一 端圆锥体弹簧和中间圆柱、两端圆锥弹簧承载能力最强，变形 较小 图8 等径弹簧和中间外凸弹簧的断面应力变化情况 二、各个弹簧的最大应力与变形高度位置分别为：常用等 径弹簧为3 1 0 m m ，在载荷作用点附近；圆锥弹簧为1 8 0 m m ，中 间位置偏下一点；中间外凸弹簧为1 7 0 m m ，在中间位置；中间 圆柱、两端圆锥弹簧为2 4 0 r a m ，偏于载荷作用点；一端圆柱体 一端圆锥体弹簧为1 6 5 m m ，中间位置偏上一点这反映出：当 弹簧最大直径和螺距确定后，最大载荷与变形则出现在离载荷 最近的突变部位另外，从侧向偏移程度来看，以常用等径弹 簧和中间圆柱、两端圆锥弹簧为最好，这将避免弹簧在受载往 复运动时减少与导杆轴之间的摩擦 三、图3 —1 2 为等径弹簧和中间外凸弹簧的断面应力变 化情况由图可见，在弹簧钢丝截面上的应力由外向内逐渐 增大呈扭转状态这与大多数螺旋弹簧为扭转破坏的实际 情况相符。

从图中也可以看出，弹簧钢丝截面内侧的应力比 外侧要大截面的变载荷状态也是弹簧容易引起疲劳破坏的 要因 四、从各个弹簧的变形分析来看，由于螺旋弹簧的承载具 有不均匀性，容易产生偏移，所以振动锤减振系统所安置的弹 簧应左右旋配对使用，否则会引起振动锤的偏振，降低了激振 力的有效作用，从而降低了振动沉桩的效率，并产生对环境的 不良影响 结论 本文对振动锤可以使用的各种螺旋弹簧进行了有限元应力、 应变、位移的计算和分析从分析的结果看，在受到外载荷作 用时，各种弹簧产生最大应力和最大位移的顺序是：一端圆柱 体一端圆锥体弹簧 中间圆柱、两端圆锥弹簧 中间外凸弹 簧 圆锥弹簧 常用等径弹簧 中间内凹弹簧；产生最大位移 的顺序是：中间外凸弹簧 中间圆柱、两端圆锥弹簧 一 端圆柱体，一端圆锥体弹簧 常用等径弹簧 圆锥弹簧 中间 内凹弹簧 当弹簧最大直径和螺距确定后，最大载荷与变形则出现在 离载荷最近的突变部位从侧向偏移程度来看，以常用等径弹 簧和中间圆柱、两端圆锥弹簧为最好这将避免弹簧在受载往 复运动时，减少与导杆轴之间的摩擦；弹簧钢丝截面内侧的应 力比外侧要大，截面的变载荷状态也是弹簧容易引起疲劳破坏 的要因。

田 ( 作者单位①大庆石油学院机械学院．②哈尔滨工业大学 机电学院) t 4 I 尊地图中国桩工机械行业专刊 。