電真空器件用金屬波紋管的疲勞壽命試驗
金屬波紋管作為儀器、儀表、閥門、電真空器件中的彈性敏感元件、補償元件、密封元件起到很重要的作用，儀器、儀表、閥門、電真空器件在工作時，其中的波紋管經常處于往復拉伸和壓縮的工作狀態(tài)，為了考核波紋管能夠承受往復拉伸和壓縮不失效的次數(shù)，引入了金屬波紋管的機械疲勞壽命試驗，本文結合具體實例，介紹了影響波紋管機械疲勞壽命的參數(shù)和在實踐中這些參數(shù)的合理選擇。
隨著電力系統(tǒng)和需要防爆的場所越來越多的使用真空滅弧室來接通和切斷電路，金屬波紋管作為密封和連接元件，也被廣泛應用到真空滅弧室當中起到隔絕外界空氣、隔離電弧和連接動導桿的作用，它是一個非常重要的零件，它必須滿足各類滅弧室的機械壽命和氣密可靠性的要求，所以金屬波紋管機械疲勞壽命的長短就直接影響到真空滅弧室的壽命。用在真空滅弧室上的金屬波紋管目前越來越多的使用非導磁不銹鋼制成，這主要是由于它具有操作壽命長，在制造過程中不受熱處理的影響而失去彈性，不易氧化和耐腐蝕等優(yōu)點。波紋管的結構種類很多，在真空滅弧室中一般只采用液壓成形波紋管和薄片焊接波紋管。
1、金屬波紋管的結構、材料和基本參數(shù)
1.1、結構
波紋管的一般結構如圖1所示，圖中D 為外徑，D1為外配合直徑，d1為內配合直徑，Rw為外波紋圓角半徑，Rn為內波紋圓角半徑，R 為過渡圓角半徑，L 為總長度，h1、h2為配合長度，a為波厚，t為波距，δ為壁厚。
圖1 波紋管結構
1.2、材料
波紋管一般用五種材料制造，如表1所示。
表1 波紋管所用材料
1.3、基本參數(shù)
按照國家專業(yè)標準ZBY-352-85的規(guī)定，金屬波紋管有以下的基本參數(shù)：有效面積、推薦內徑、推薦外徑、推薦波距、推薦波厚、單波剛度、單波最大允許位移、最大耐壓力(外壓)等，這些參數(shù)在不同程度上都對波紋管的機械疲勞壽命會產生影響。
2、波紋管的機械疲勞壽命試驗方法和試驗
盡管波紋管的基本參數(shù)多達八項，但是對于已經制造出來的波紋管，基本參數(shù)均已確定，影響其機械疲勞壽命的主要因素就是在使用時施加的單波最大位移量。為了保證產品能夠達到規(guī)定的使用壽命，我們對采購每個批次的波紋管都要抽樣進行機械疲勞壽命試驗，具體試驗方法是：將波紋管焊接在如圖2所示的結構中，波紋管和外殼形成的空間抽成真空并安裝鈦泵，真空度應達到1×10-4Pa，把裝置固定在試驗機上，按照規(guī)定的試驗頻率和位移交變幅度進行試驗，試驗頻率由曲柄連桿機構的轉速決定，波紋管的位移交變幅度由曲柄的長度決定，曲柄長度的2倍即為波紋管位移交變幅度，波紋管被拉伸和壓縮的次數(shù)由計數(shù)器自動記錄。
圖2 波紋管焊接結構
在循環(huán)開始時測量鈦泵電流并記錄，在達到一定的循環(huán)次數(shù)(一般每隔1×104 次檢測一次)時檢測鈦泵電流，以判斷是否漏氣，一旦因往復循環(huán)造成波紋管疲勞斷裂就會漏氣，真空室的真空即被破壞，鈦泵的電流就表現(xiàn)為超出測量范圍。當達到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)時如果鈦泵電流正常，則判斷為該波紋管的機械疲勞壽命符合要求，按照規(guī)定的抽樣方式進行抽樣檢驗即可判斷該批次波紋管的狀態(tài)。依據(jù)上面的試驗方法，開展了對尺寸、波節(jié)數(shù)、壁厚基本相近的波紋管在不同位移交變幅度的情況下做了對比試驗，來確定位移交變幅度大小對波紋管機械疲勞壽命的影響，表2為試驗數(shù)據(jù)。
表2 波紋管機械疲勞壽命試驗
通過表2試驗數(shù)據(jù)可以清楚地看出位移交變幅度的大小對波紋管機械疲勞壽命的影響，411批次和5010批次位移交變幅度相差6mm，壽命相差30多倍。試驗后經對照波紋管參數(shù)標準找到了問題所在，411批次的波紋管標準中規(guī)定單波最大允許位移量是0.8437mm，推薦工作位移量拉伸時小于最大允許位移量的75%，壓縮時小于最大允許位移量的25%，位移壽命試驗規(guī)定位移交變幅度為最大允許位移的50%，那么做該波紋管的位移壽命試驗時其總的位移交變幅度應該小于5.0622mm(該波紋管共12個波節(jié))，而按試驗規(guī)定的條件試驗時，其總的位移量是8mm，超出了規(guī)定位移交變幅度，所以壽命大大降低;5010批次的波紋管標準中規(guī)定單波最大允許位移量是0.86mm，位移壽命試驗規(guī)定位移交變幅度為最大允許位移的50%，那么做該波紋管的位移壽命試驗時其總的位移交變幅度應該小于3.44mm(該波紋管共8個波節(jié))，試驗規(guī)定的條件其總的位移量是2mm，小于規(guī)定位移交變幅度，所以壽命大大提高。
經過理論計算和大量的試驗證明，波紋管的機械疲勞壽命與它的位移交變幅度有密切的關系，理論分析表明，機械疲勞壽命與位移交變幅度的3.5次冪成正比例，要想提高波紋管的疲勞壽命，在某些情況下往往靠減小波紋管的位移交變幅度來滿足設計要求，當位移交變幅度一定時，根據(jù)設計的靈活性和結構上的可能可適當增加波節(jié)數(shù)量或改用兩個串聯(lián)波紋管的措施來改善疲勞壽命，圖3是某液壓成型波紋管機械疲勞壽命操作次數(shù)與單個波節(jié)位移量之間的關系。
另外，波紋管的機械疲勞壽命和工作時的溫度也有關系，例如真空滅弧室在分斷大的短路電流后，導電桿上的余熱可能傳遞到波紋管上，使波紋管達到相當高的溫度，這樣就會影響(降低)波紋管的壽命;磁控管在工作時溫度也相當高，其熱量傳遞給磁控管調諧機構中的波紋管，使波紋管的工作溫度升高，也會影響(降低)波紋管的機械疲勞壽命，所以對于長期工作在高溫狀態(tài)的波紋管在設計時除了考慮位移交變幅度對波紋管機械疲勞壽命的影響，還應當予以考慮溫度對波紋管機械疲勞壽命的影響，使設計的產品能夠達到預期的壽命。
圖3 液壓成型波紋管伸縮破壞次數(shù)
3、結束語
本文詳細介紹了波紋管機械疲勞壽命的試驗方法，并以試驗實例結合理論分析說明了波紋管的機械疲勞壽命與位移交變幅度之間的密切關系，提出了在使用波紋管時為了達到預期壽命應采取的措施，為實際使用波紋管時如何確定位移交變幅度和預期壽命具有一定的實用價值。
