碟形弹簧垫圈概述
碟形弹簧垫圈（又称碟形垫圈、Belleville垫圈）是一种截面为锥形的弹性垫圈，与传统的螺旋弹簧垫圈相比，具有载荷-变形特性可设计、刚度大、占用空间小等突出优势。GB/T 859-2018《碟形弹簧垫圈》是该类产品的国家标准，规定了碟形弹簧垫圈的尺寸规格、技术要求和检验方法。
碟形弹簧垫圈在高强度螺栓连接中主要用于补偿因材料蠕变、温度变化、振动等引起的预紧力损失，特别适用于汽轮机法兰、压力容器法兰、风电塔筒螺栓等需要长期保持恒定预紧力的工况。相关内容可参考GB/T 93 标准型弹簧垫圈技术规范了解传统弹垫的对比信息。
GB/T 859 碟形弹簧垫圈规格参数表
| 规格 | 内径d (mm) | 外径D (mm) | 厚度t (mm) | 高度h (mm) | 参考载荷 (N) | 适用螺栓 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 4 | 4.1 | 8 | 0.4 | 0.9 | 400 | M4 |
| 5 | 5.1 | 10 | 0.5 | 1.1 | 630 | M5 |
| 6 | 6.1 | 12 | 0.6 | 1.3 | 900 | M6 |
| 8 | 8.1 | 16 | 0.8 | 1.7 | 1600 | M8 |
| 10 | 10.2 | 20 | 1.0 | 2.1 | 2500 | M10 |
| 12 | 12.2 | 24 | 1.2 | 2.5 | 3600 | M12 |
| 16 | 16.2 | 30 | 1.5 | 3.1 | 5800 | M16 |
| 20 | 20.2 | 37 | 2.0 | 3.9 | 9200 | M20 |
| 24 | 25.2 | 44 | 2.5 | 4.7 | 13500 | M24 |
| 30 | 31.2 | 56 | 3.0 | 5.8 | 20000 | M30 |
| 36 | 37.2 | 66 | 3.5 | 6.8 | 28000 | M36 |
表中载荷为压平载荷参考值，实际选用时应根据工况计算所需补偿载荷，并考虑叠合使用的倍增效果。
碟形弹簧垫圈的载荷-变形特性
碟形弹簧垫圈的核心力学特征是其非线性的载荷-变形曲线。单个碟形垫圈在加载过程中，随着变形量的增加，载荷先上升后下降，呈现”S”形曲线。其设计的关键参数为h/t比值（高度与厚度之比）：
| h/t比值 | 载荷-变形特性 | 适用场景 |
|---|---|---|
| ＜1.0 | 近似线性弹性 | 普通预紧力补偿 |
| 1.0-1.4 | 渐增刚度（最优工作区） | 恒力补偿、热膨胀补偿 |
| 1.4-2.0 | 载荷平台特性（准恒力输出） | 要求恒定预紧力的精密连接 |
| ＞2.0 | 载荷下降区（不稳定） | 一般不推荐使用 |
碟形垫圈与标准弹簧垫圈的对比
| 对比项目 | 碟形弹簧垫圈（GB/T 859） | 标准弹簧垫圈（GB/T 93） |
|---|---|---|
| 结构形式 | 锥形截面 | 开口螺旋环 |
| 载荷特性 | 非线性，可设计 | 近似线性 |
| 补偿能力 | 强（可叠合增大） | 中等 |
| 轴向刚度 | 高（约为螺旋弹垫的3-5倍） | 较低 |
| 适用温度 | -200℃~300℃（视材料） | -200℃~300℃ |
| 典型应用 | 高温法兰、精密连接 | 普通防松 |
| 成本 | 较高 | 低 |
| 配套安装 | 可多片叠合或对合 | 单片使用 |
碟形弹簧垫圈的叠合使用方式
碟形弹簧垫圈的重要优势之一是可以通过不同的组合方式实现载荷和变形的灵活配置：
三种基本组合方式
| 组合方式 | 载荷变化 | 变形变化 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 单片使用 | 基准载荷P | 基准变形f | 轻载荷、小变形补偿 |
| 叠合（同向叠加n片） | 载荷×n | 变形不变 | 需要更大补偿力 |
| 对合（背对背串联n片） | 载荷不变 | 变形×n | 需要更大变形量 |
| 混合组合 | 按需设计 | 按需设计 | 复杂工况定制 |
工程实例：在汽轮机高压缸法兰连接中，M30螺栓需要约40kN的预紧力补偿，单片30规格碟形垫圈的压平载荷约为20kN，因此采用2片叠合同向安装即可满足要求。关于高温法兰螺栓预紧力补偿的更多内容可参考高温环境紧固件预紧力损失与法兰密封选型实操问答。
碟形弹簧垫圈材料选择
| 材料 | 牌号 | 硬度 | 工作温度 | 适用环境 |
|---|---|---|---|---|
| 弹簧钢 | 65Mn / 60Si2Mn | HRC 42-50 | -40~200℃ | 常规工业环境 |
| 不锈钢 | 0Cr17Ni7Al (17-7PH) | HRC 40-47 | -200~350℃ | 腐蚀环境、高温 |
| 高温合金 | Inconel X-750 | HRC 35-45 | -200~600℃ | 汽轮机、航空发动机 |
| 铜合金 | 铍铜 C17200 | HRC 36-42 | -40~150℃ | 导电、无磁环境 |
选用计算方法
碟形弹簧垫圈的选用需根据螺栓预紧力损失量来计算所需补偿载荷：
- 确定预紧力损失量ΔF：根据法兰材料蠕变量、温度变化、垫片松弛等因素计算预紧力总损失（通常为初始预紧力的10-30%）。
- 确定变形补偿量Δf：由法兰间距变化量（螺栓伸长+垫片压缩+法兰变形）计算轴向位移量。
- 选择碟形垫圈规格：根据ΔF和Δf在产品手册中查找匹配的碟形垫圈型号，确保在工作变形范围内载荷满足补偿要求。
- 校核表面压力：碟形垫圈外径接触面的表面压力不得超过法兰面材料的许用挤压应力（碳钢≤400MPa，不锈钢≤300MPa）。
安装注意事项
- 方向正确：单片使用时凸面朝向被连接件（法兰面），凹面朝向螺母或螺头。反向安装会导致载荷特性异常。
- 润滑要求：碟形垫圈的接触面应涂覆MoS₂润滑脂或二硫化钨润滑剂，降低摩擦系数至0.05-0.10，确保载荷均匀传递。
- 叠合对齐：多片叠合使用时，各片之间应保持同心对齐，偏移量不超过外径的2%。
- 预压处理：首次安装时应先加载至压平状态再松开，重复2-3次后再正式安装，以消除残余应力。
- 定期复检：高温工况下使用的碟形垫圈，建议每年复检螺栓扭矩，确认预紧力补偿效果。
常见问题（FAQ）
Q1：碟形弹簧垫圈和锥形弹性垫圈（Schnorr型）有什么区别？
两者外形相似但功能不同。GB/T 859碟形弹簧垫圈提供弹性补偿功能，载荷-变形曲线可精确计算；Schnorr型锥形弹性垫圈（如DIN 6796）主要用于防松，通过弹性变形产生的摩擦力阻止螺母松退。碟形弹簧垫圈的厚度和刚度更大，适合高载荷高温补偿；Schnorr型更薄更软，适合一般防松。
Q2：为什么高温法兰推荐用碟形弹簧垫圈而不是普通弹簧垫圈？
高温法兰螺栓连接面临预紧力损失问题：法兰材料在高温下蠕变、螺栓松弛、垫片压缩，导致预紧力持续下降。碟形弹簧垫圈的弹性补偿能力远强于普通螺旋弹簧垫圈（刚度约为3-5倍），能在较小的轴向位移范围内提供更大的补偿力，有效维持法兰密封比压。
Q3：碟形弹簧垫圈可以反复拆装使用吗？
可以，但需要注意：每次拆装后应检查垫圈有无裂纹、变形超限或表面压痕。如果垫圈在压平状态下的残余变形超过初始高度的5%，应更换新垫圈。一般建议拆装次数不超过5次。
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