电真空器件用金属波纹管的疲劳寿命试验

2013-08-23 许兆祥 甘肃虹光电子有限责任公司

　　金属波纹管作为仪器、仪表、阀门、电真空器件中的弹性敏感元件、补偿元件、密封元件起到很重要的作用，仪器、仪表、阀门、电真空器件在工作时，其中的波纹管经常处于往复拉伸和压缩的工作状态，为了考核波纹管能够承受往复拉伸和压缩不失效的次数，引入了金属波纹管的机械疲劳寿命试验，本文结合具体实例，介绍了影响波纹管机械疲劳寿命的参数和在实践中这些参数的合理选择。

　　随着电力系统和需要防爆的场所越来越多的使用真空灭弧室来接通和切断电路，金属波纹管作为密封和连接元件，也被广泛应用到真空灭弧室当中起到隔绝外界空气、隔离电弧和连接动导杆的作用，它是一个非常重要的零件，它必须满足各类灭弧室的机械寿命和气密可靠性的要求，所以金属波纹管机械疲劳寿命的长短就直接影响到真空灭弧室的寿命。用在真空灭弧室上的金属波纹管目前越来越多的使用非导磁不锈钢制成，这主要是由于它具有操作寿命长，在制造过程中不受热处理的影响而失去弹性，不易氧化和耐腐蚀等优点。波纹管的结构种类很多，在真空灭弧室中一般只采用液压成形波纹管和薄片焊接波纹管。

1、金属波纹管的结构、材料和基本参数

1.1、结构

　　波纹管的一般结构如图1所示，图中D 为外径，D1为外配合直径，d1为内配合直径，Rw为外波纹圆角半径，Rn为内波纹圆角半径，R 为过渡圆角半径，L 为总长度，h1、h2为配合长度，a为波厚，t为波距，δ为壁厚。

波纹管结构

图1　波纹管结构

1.2、材料

　　波纹管一般用五种材料制造，如表1所示。

表1　波纹管所用材料

波纹管所用材料

1.3、基本参数

　　按照国家专业标准ZBY-352-85的规定，金属波纹管有以下的基本参数：有效面积、推荐内径、推荐外径、推荐波距、推荐波厚、单波刚度、单波最大允许位移、最大耐压力(外压)等，这些参数在不同程度上都对波纹管的机械疲劳寿命会产生影响。

2、波纹管的机械疲劳寿命试验方法和试验

　　尽管波纹管的基本参数多达八项，但是对于已经制造出来的波纹管，基本参数均已确定，影响其机械疲劳寿命的主要因素就是在使用时施加的单波最大位移量。为了保证产品能够达到规定的使用寿命，我们对采购每个批次的波纹管都要抽样进行机械疲劳寿命试验，具体试验方法是：将波纹管焊接在如图2所示的结构中，波纹管和外壳形成的空间抽成真空并安装钛泵，真空度应达到1×10-4Pa，把装置固定在试验机上，按照规定的试验频率和位移交变幅度进行试验，试验频率由曲柄连杆机构的转速决定，波纹管的位移交变幅度由曲柄的长度决定，曲柄长度的2倍即为波纹管位移交变幅度，波纹管被拉伸和压缩的次数由计数器自动记录。

波纹管焊接结构

图2　波纹管焊接结构

　　在循环开始时测量钛泵电流并记录，在达到一定的循环次数(一般每隔1×104 次检测一次)时检测钛泵电流，以判断是否漏气，一旦因往复循环造成波纹管疲劳断裂就会漏气，真空室的真空即被破坏，钛泵的电流就表现为超出测量范围。当达到规定的循环次数时如果钛泵电流正常，则判断为该波纹管的机械疲劳寿命符合要求，按照规定的抽样方式进行抽样检验即可判断该批次波纹管的状态。依据上面的试验方法，开展了对尺寸、波节数、壁厚基本相近的波纹管在不同位移交变幅度的情况下做了对比试验，来确定位移交变幅度大小对波纹管机械疲劳寿命的影响，表2为试验数据。

表2　波纹管机械疲劳寿命试验

波纹管机械疲劳寿命试验

　　通过表2试验数据可以清楚地看出位移交变幅度的大小对波纹管机械疲劳寿命的影响，411批次和5010批次位移交变幅度相差6mm，寿命相差30多倍。试验后经对照波纹管参数标准找到了问题所在，411批次的波纹管标准中规定单波最大允许位移量是0.8437mm，推荐工作位移量拉伸时小于最大允许位移量的75%，压缩时小于最大允许位移量的25%，位移寿命试验规定位移交变幅度为最大允许位移的50%，那么做该波纹管的位移寿命试验时其总的位移交变幅度应该小于5.0622mm(该波纹管共12个波节)，而按试验规定的条件试验时，其总的位移量是8mm，超出了规定位移交变幅度，所以寿命大大降低;5010批次的波纹管标准中规定单波最大允许位移量是0.86mm，位移寿命试验规定位移交变幅度为最大允许位移的50%，那么做该波纹管的位移寿命试验时其总的位移交变幅度应该小于3.44mm(该波纹管共8个波节)，试验规定的条件其总的位移量是2mm，小于规定位移交变幅度，所以寿命大大提高。

　　经过理论计算和大量的试验证明，波纹管的机械疲劳寿命与它的位移交变幅度有密切的关系，理论分析表明，机械疲劳寿命与位移交变幅度的3.5次幂成正比例，要想提高波纹管的疲劳寿命，在某些情况下往往靠减小波纹管的位移交变幅度来满足设计要求，当位移交变幅度一定时，根据设计的灵活性和结构上的可能可适当增加波节数量或改用两个串联波纹管的措施来改善疲劳寿命，图3是某液压成型波纹管机械疲劳寿命操作次数与单个波节位移量之间的关系。

　　另外，波纹管的机械疲劳寿命和工作时的温度也有关系，例如真空灭弧室在分断大的短路电流后，导电杆上的余热可能传递到波纹管上，使波纹管达到相当高的温度，这样就会影响(降低)波纹管的寿命;磁控管在工作时温度也相当高，其热量传递给磁控管调谐机构中的波纹管，使波纹管的工作温度升高，也会影响(降低)波纹管的机械疲劳寿命，所以对于长期工作在高温状态的波纹管在设计时除了考虑位移交变幅度对波纹管机械疲劳寿命的影响，还应当予以考虑温度对波纹管机械疲劳寿命的影响，使设计的产品能够达到预期的寿命。

液压成型波纹管伸缩破坏次数

图3　液压成型波纹管伸缩破坏次数

3、结束语

　　本文详细介绍了波纹管机械疲劳寿命的试验方法，并以试验实例结合理论分析说明了波纹管的机械疲劳寿命与位移交变幅度之间的密切关系，提出了在使用波纹管时为了达到预期寿命应采取的措施，为实际使用波纹管时如何确定位移交变幅度和预期寿命具有一定的实用价值。