CN203130751U - 一种碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件，属于密封技术领域。所述的缓冲防松弛元件主要由至少两层碟形弹簧（1）、位于所述碟形弹簧（1）与碟形弹簧（1）之间的金属橡胶（2）组成，所述的金属橡胶（2）呈圆环形。本实用新型兼有碟形弹簧弹性储备大、防松弛能力强以及金属橡胶阻尼能量耗散大、减振缓冲性能好的优点，并可通过合理选择不同复合层数，碟形弹簧的结构和尺寸以及金属橡胶的相对密度和金属丝排列形式，设计出满足密封连接不同的工况条件和紧密性要求的防松弛元件。其设计的组合垫圈结构简单，体积小，拆装方便，易于更换维护，而且耐高温，寿命长，环境适应能力强。

Description

一种碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件

技术领域

本实用新型属于密封技术领域，尤其涉及一种碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件。 

背景技术

螺栓法兰连接是过程装备中应用最广泛的密封连接形式。螺栓法兰连接中，垫圈是一种常见的紧固件，在金属连接件中起到增加支撑面和防松的作用。现有技术中，中国专利申请号为200810061705.9申请文件公开了一种弹性垫圈及其加工方法，其包括相互压制的至少一层垫片本体，垫片本体中间制有通孔体，通孔体周围包箍至少一个网架体，网架体由至少一圈丝网体压制而成，丝网体至少为一层。虽然该采用压制的制作方式制作的垫圈具有较好的回弹性和防震性能，然而炼油、石化等过程工业的装置中有相当一部分设备和管道长期处于高温、高压下运行或者在较大的冲击载荷下运行，普通的弹性垫圈很容易变形失效。螺栓法兰连接在这种情况下不可避免地会发生应力松弛，导致螺栓工作应力不断下降，最终造成垫片密封应力过小而发生泄漏。甚至由于交变载荷引起的疲劳和松弛过程中的蠕变损伤累积往往导致服役螺栓断裂，最终导致连接系统的泄漏失效。 

南京工业大学顾伯勤、张育等[张育，顾伯勤，陈晔，朱瑞松.基于螺栓－法兰连接紧密性理论的弹性垫圈优化设计.润滑与密封，2006，182（10）：113～115，119]开发了一种结构类似于碟形弹簧的弹性垫圈，研究了该弹性垫圈的压缩回弹性能，结果表明该种垫圈能有效的弥补由于高温、载荷压力波动使螺栓、垫片产生蠕变松弛而产生的密封面的分离，从而保证密封连接的紧密性。该文献中所提到的弹性垫圈是一种仅仅在结构上类似于碟形弹簧的弹性元件。该元件可单个或多个层叠使用，用于防松弛，但没有明显的缓冲效果。 

发明内容

为了解决普通的弹性垫圈无法在高温、高压下或者在较大的冲击载荷下保持其回弹性能，变形失效减振缓冲效果差的问题，本实用新型公开了一种碟簧—金属橡胶复合缓冲防松弛元件。 

一种碟簧—金属橡胶复合缓冲防松弛元件，所述的缓冲防松弛元件主要由至少两层碟形弹簧1、位于所述碟形弹簧1与碟形弹簧1之间的金属橡胶2组成，所述的金属橡胶2整体上呈圆环形。 

金属橡胶2是一种均匀的弹性多孔物质。 

金属橡胶2是由金属丝采用冷冲压工艺形成的，金属丝的直径为0.05～2mm。 

碟形弹簧的厚度为0.5～10mm，层数为2～5层，自由高度h为0.2～4mm，内径为螺栓直径dB+(1～2)mm。 

金属橡胶2的厚度为1～3mm，层数为1～4层。 

金属橡胶2的最佳厚度为1.5～2.5mm，层数为1～4层。 

文献中所提到的弹性垫圈是一种仅仅在结构上类似于碟形弹簧的弹性元件。该元件可单个或多个层叠使用，用于防松弛，但没有明显的缓冲效果。本发明的缓冲防松弛元件由碟形弹簧和金属橡胶材料组合而成。 

碟形弹簧较之文献中所提到的弹性垫圈结构上相似，但厚度、自由高度等主要尺寸与弹性垫圈不同，其通常需根据缓冲和防松弛要求进行特殊设计，采用碟形弹簧和金属橡胶材料组合制成的缓冲防松弛元件在整体结构上是全新的。 

本发明是采用碟形弹簧与金属橡胶材料复合组成的，所述的防松弛元件由至少两层碟形弹簧和位于两层碟形弹簧之间的金属橡胶组成，碟形弹簧其刚度大，回弹性能好，特殊的结构可以使其在受压缩时储备较大的弹性变形能，工作状态下较大的弹性储备可以弥补由于螺栓、法兰和垫片的高温蠕变松弛造成的螺栓法兰连接处的密封面的分离，从而保证密封连接的紧密性。但是碟形弹簧基本不具备抗冲击缓冲减振的效果。金属橡胶材料是由金属丝螺旋缠绕冲压制成的，在受力变形时由于其内部的金属丝的相对位移而产生的摩擦耗散振动和冲击产生的能量，具有阻尼耗能的效果，而且在组合结构中，碟形弹簧与金属橡胶的接触面之间也将产生摩擦力从而具有较大的阻尼，消散冲击能量。所以，本发明的整体结构是全新的，不仅具有普通弹性垫圈的防松弛效果，而且由于金属橡胶本身及其金属橡胶与碟形弹簧之间的阻尼作用使其还具有抗冲击减振的效果，其整体效果是明显的。 

金属橡胶作为一种阻尼减振材料，目前制作的金属橡胶减震垫的厚度范围一般为1～3mm，金属橡胶的减振效果用阻尼比和传递率H_XY即响应加速度与激振加速度之比来衡量，传递率计算公式为 

$H_{\mathrm{XY}}=\frac{\sqrt{1+{\left(2\mathrm{\ξ\γ}\right)}^2}}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\γ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ\γ}\right)}^2}}$

式中，ξ为阻尼比，γ为频率比，在共振时频率比γ=1，则阻尼比为 

$\mathrm{\ζ}=\sqrt{1/4(H_{\mathrm{XY}}^2-1)}$

金属橡胶厚度对减振效果的影响，金属橡胶厚度越大，H_XY越小，阻尼比越大，其抗冲 击减振效果越明显，因此，可以规定本发明采用的金属橡胶的最佳成型厚度在1.5～2.5mm之间，使得缓冲防松弛原件可以达到比较好的效果。 

上面确定了金属橡胶的厚度范围，在上述的厚度范围内抗冲击防松弛垫圈的抗冲击性能有较好的效果，再确定碟形弹簧的结构参数，使其具有最佳的弹性补偿能力，从而使抗冲击防松弛垫圈具有最佳的抗冲击、防松弛效果。 

碟形弹簧是用钢板或者钢材锻造坯料加工成碟状的弹簧，适用于轴向空间要求比较小的场合，其刚度大，压缩回弹性能好，可以弥补由于螺栓、垫片的高温蠕变松弛造成的螺栓法兰连接处的密封面的分离。 

当结构承受冲击或振动时，碟形弹簧由于刚度比较大，变形比较小，其轴向位移引起金属橡胶的变形，金属橡胶内部金属丝之间以及碟簧与金属橡胶接触面之间发生摩擦，吸收和耗散能量，达到减振缓冲的目的。碟形弹簧在连接系统预紧时储存了较大的弹性变形能，在工作条件下螺栓法兰连接系统发生蠕变松弛时，通过所储存的弹性变形能的释放，补偿连接系统蠕变松弛引起的密封面的分离。 

有益效果： 

采用本发明碟簧—金属橡胶复合缓冲防松弛元件其为一种复合结构，兼有碟形弹簧弹性储备大、防松弛能力强以及金属橡胶阻尼能量耗散大、减振缓冲性能好的优点，并可通过合理选择不同复合层数，碟形弹簧的结构和尺寸以及金属橡胶的相对密度和金属丝排列形式，设计出满足密封连接不同的工况条件和紧密性要求的防松弛元件。 

其设计的组合垫圈结构简单，体积小，拆装方便，易于更换维护，而且耐高温，寿命长，环境适应能力强。该元件能有效降低振动对系统的影响，而且能够减小冲击载荷作用下系统产生的峰值应力。该元件能够弥补由于螺栓、垫片高温蠕变松弛而产生的法兰密封面的分离，从而维持足够的密封比压，减少泄漏的发生。该元件可采用不同的组合方式、结构形式和材料制成，以满足密封连接的不同工况和紧密性要求。 

附图说明

图1是碟簧—金属橡胶复合缓冲防松弛元件的截面图。 

图2是碟形弹簧的结构图。 

图3是双层碟簧—金属橡胶组合防松弛元件。 

图4是螺栓法兰连接示意图。 

图5是螺栓的上紧顺序图。 

1—碟形弹簧；2—金属橡胶；3—垫片；4—螺栓；5—上法兰；6—防松弛元件；7—下法 兰；8—螺母。 

具体实施方式

缓冲防松弛元件主要由至少两层碟形弹簧1、位于所述碟形弹簧1与碟形弹簧1之间的金属橡胶2组成，所述的金属橡胶2整体上呈圆环形。金属橡胶2是一种均匀的弹性多孔物质，是由拉伸开的螺旋状金属丝按一定规律排列，采用冷冲压工艺形成的。成形后的金属橡胶在承受交变载荷或冲击载荷作用时，金属丝之间发生滑动变形，产生摩擦吸收和耗散能量，从而减少冲击或交变载荷传递到螺栓上的力，达到减振和缓冲的目的。金属丝的直径为0.05～2mm，缠绕的螺旋卷直径选取为金属丝直径的10～15倍，金属橡胶的相对密度为0.2～0.5，金属橡胶层所用的金属丝材料为奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti或0Cr18Ni9Ti。碟形弹簧的厚度为0.5～10mm，层数为2～5层，自由高度h为0.2～4mm，内径为螺栓直径dB+(1～2)mm。金属橡胶2的厚度为1～3mm，层数为1～4层。 

碟形弹簧的内径d=38mm，外径D=74mm，厚度为S=5mm，h=1.7mm，采用两层碟形弹簧，中间夹层为金属橡胶，金属橡胶层的厚度为2mm。 

金属橡胶是一种新型均质的弹性多孔材料，它是将直径为0.05～2mm金属丝制成螺旋卷；拉伸螺旋卷，使其具有均匀的螺距；根据成型后构件的受力特点，沿模具纵向、横向及其纵横相间的任意组合方向进行排列铺放，得到金属橡胶坯料；将坯料放入预先加工好的具有一定几何形状的模具中，在一定压力下成型；制成的坯件再经热稳定处理，形成最终的金属橡胶构件。制成后的金属橡胶构件其内部有很多孔洞，既呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能，同时又保持金属的优异特性，俗称金属橡胶（Metal Rubber）。 

本发明中所述的碟形弹簧和金属橡胶件均为非标准件。 

缓冲防松弛元件可以改为缓冲防松弛垫圈。 

实施例1：该防松弛元件的碟形弹簧为5层，金属橡胶为4层。碟形弹簧的内径为12.2mm，外径为25mm，自由高度为0.55mm，厚度为1.25mm，金属橡胶的金属丝材料为1Cr18Ni9Ti，丝线直径为0.18mm，金属丝的螺旋卷直径1.2mm，金属丝的螺距为1.2mm，金属橡胶的厚度为1mm。 

实施例2：该防松弛元件的碟形弹簧为4层，金属橡胶为3层。碟形弹簧的内径为20.4mm，外径为40mm，自由高度为0.9mm，厚度为2.25mm，金属橡胶的金属丝材料为1Cr18Ni9Ti，丝线直径为0.18mm，金属丝的螺旋卷直径1.4mm，金属丝的螺距为1.4mm，金属橡胶的厚度为1.5mm。 

实施例3：该防松弛元件的碟形弹簧为3层，金属橡胶为2层。碟形弹簧的内径为46mm， 外径为90mm，自由高度为2mm，厚度为5mm，金属橡胶的金属丝材料为1Cr18Ni9Ti，丝线直径为0.2mm，金属丝的螺旋卷直径1.6mm，金属丝的螺距为1.6mm，金属橡胶的厚度为2.5mm。 

实施例4：该防松弛元件的碟形弹簧为2层，金属橡胶为1层。碟形弹簧的内径为64mm，外径为125mm，自由高度为2.6mm，厚度为10mm，金属橡胶的金属丝材料为1Cr18Ni9Ti，丝线直径为0.2mm，金属丝的螺旋卷直径1.7mm，金属丝的螺距为1.7mm，金属橡胶的厚度为3mm。 

Claims (5)

1.一种碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件，其特征在于：所述的缓冲防松弛元件主要由至少两层碟形弹簧（1）、位于所述碟形弹簧（1）与碟形弹簧（1）之间的金属橡胶（2）组成，所述的金属橡胶（2）呈圆环形。 

2.根据权利要求1所述的碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件，其特征在于：金属橡胶（2）由金属丝形成的，金属丝的直径为0.05～2mm。 

3.根据权利要求1所述的碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件，其特征在于：碟形弹簧的厚度为0.5～10mm，层数为2～5层，自由高度h为0.2～4mm。 

4.根据权利要求1所述的碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件，其特征在于：金属橡胶（2）的厚度为1～3mm，层数为1～4层。 

5.根据权利要求4所述的碟簧金属橡胶复合缓冲防松弛元件，其特征在于：金属橡胶（2）的厚度为1.5～2.5mm，层数为1～4层。 

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