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焊接波纹管在热声机械中的应用 |
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作者：中科院理化所 胡剑英 罗二仓 吴张华 戴巍 |
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摘要：焊接波纹管是近年来国内外兴起的一种新型元件，它有两突出的优点：变形量大，寿命长。利用其改进热声机械，有可能解决许多重大问题。文中介绍了焊接波纹管的结构，总结了其在热声机械中可能的几点应用，对其寿命也做了初步讨论。
关键词：焊接波纹管热声机械寿命效率
1引言
热声机械经过几十年的研究，已经获得了很大的发展，特别是近年来由于热声机械的长寿命、无污染的突出特点越来越受到了人们的关注。从最初的Sondhauss管振荡到今天的驻波、行波发动机、制冷机，从最初的Rayleigh准则到今天的线性热声理论，非线性热声学，可以说都发生了翻天覆地的变化，这使得我们完全有理由相信一个热声被广泛应用的时期即将来临。但是热声机械中也还存在着很多的问题有待解决，比方说怎样缩短谐振管，减少系统体积，使其更快的进入实用化的阶段;怎样抑制行波发动机中的热声直流，提高热声转换的效率等等。焊接波纹管是近年来国内外兴起的一种新型元件，它一般可用来做为敏感元件、密封元件、隔离介质、管路联接以及温度补偿器等。它除了耐压、耐温、耐腐蚀、密封性好等优点外，较之传统的成形波纹管还有两个突出的优点：变形量大，寿命长。利用焊接波纹管的这两个特点，把它创造性的应用于热声机械，相信可以解决许多困扰热声专家们多年的问题。
2焊接波纹管简介
波纹管是一种柔性可挠元件，从外观上来看大致可分为两种：一种是伸缩量较大的焊接波纹管(如图1中(a)图)，一种是伸缩量较少的成型波纹管(如图1(b)图)。他们都可以用于密封机械装置，或作为真空管路的膨胀节，在真空、半导体、石化、仪器、医疗、航空和军事等方面都有广泛的用途。成型波纹管为一体成型的，压缩量少、寿命短，在热声机械中除了在行波发动机环路上作为补偿热胀冷缩之用外[1]，目前还没有看到其他方面的报道。
图1两种常见的波纹管
焊接波纹管是一种由许多以冲压方式成型的薄形中空膜片，利用精密焊接所制成的高度可弯曲及伸缩的金属管，如图2所示。其组成方式是由两成型中空膜片以同心圆的方式作内缘焊接组成膜片对，再将多个膜片对堆垒一起作外缘焊接组成波纹段，再于两端和端板金属焊接组合成波纹管组，如此便可应外部的需要与其他运动部件一起作往复运动。图3为波纹管沿轴线方向的剖视图。
图2焊接波纹管组成方式
图3焊接波纹管沿轴线方向剖面
波纹管材料的选择是很严格的，除要求耐高温、耐腐蚀之外，还要求波纹管有足够的刚度。目前国内不少波纹管密封制造厂家所用波片材料为1Cr18Ni9Ti或国产AM350等不锈钢，使用表明这些材料的寿命远低于进口产品，存在易失弹、易开裂或易断裂的弊端，建议采用进口材料或国产Incone1718、HastelloyC等材料[3]。制作波纹管常用材料见表1。表 1金属波纹管的某些性能参数
 波纹管的焊接技术和焊后热处理工艺对波纹管质量起着同样关键的作用。波片在轧制且单体焊接后，一定要作时效处理，以消除内应力，增加波纹管的弹率或刚度，使用或正在开发的焊接技术有钨惰性气体保护焊、等离子焊、电力束焊和激光焊，其中等离子焊和激光焊较为常用。
膜片厚度一般为0.1～0.2mm之间，承压能力最高可以达到8MPa，使用温度为-200℃～450℃。有关其它信息还可以参考焊接金属波纹管机械密封标准JB/T8723-1998和焊接金属波纹管釜用机械密封标准JB/T3124-1998[4]。
3焊接波纹管在热声机械中的应用
(1)减少谐振管尺寸[5]
图4带波纹管-质量块的驻波热声系统
如图4所示为带波纹管、质量块的驻波热声系统简图。波纹管右端为谐振管，左端为质量块，左端大容器是为平衡谐振管内的高压，防止波纹管受压损坏的气库。文献[5]给出了此系统谐振时的频率方程：
其中M为质量块的质量，K为波纹管的弹性系数，ρ为系统内气体密度，S指管道截面积，a0指气体的当地声速，L指谐振管长度，k为波数，ω为角频率。
经过数值计算可知，这种方法可以有效地缩短谐振管的长度。目前本实验室正在努力将这一设想变为现实。
(2)用波纹管替代汽缸活塞
在使用带油活塞产生压力波动驱动热声制冷机时，润滑油容易被带进热声系统，影响制冷机性能，而其它方法一般无法产生大振幅的压力波，所以急需要解决活塞的润滑问题。在图5中，波纹管左端跟气缸焊接在一起，另一断通过端板与线性轴固定在一起，这样当线性轴左右移动时，端板就相当于一个活塞在汽缸内扫气，这样就彻底解决了活塞的润滑问题。本实验室已经对这一设想申请了专利[6]，并且正在试验中尝试这种方法。
图5用波纹管替代活塞设想图
(3)用波纹管抑制热声直流
Gedeon指出，只要系统中存在闭合环路，就有可能形成直流，只要有行波成分就存在Gedeon流，在行波热机中由于环路的存在，不可避免地存在热声直流。热声直流很大程度上降低了系统性能，热声专家们想出了各种办法来解决这个问题，但效果一直都不是很好。如果能够在行波环路中加入一个波纹管，截断Gedeon流产生的通道，而波纹管可以随声波一起振荡，使声波得以继续存在，那岂不是可以彻底解决热声直流的问题了吗?如果这一设想能够实现，对于提高行波热机效率将会是一个重要贡献。当然由于波纹管的存在，它对环路将会产生哪些影响还有待于进一步研究。
4焊接波纹管的寿命
要将波纹管真正应用于热声系统有一个很关键的问题需要首先解决，那就是波纹管的寿命，这里的寿命是指波纹管在交变应力作用下发生泄漏后应力作用的次数。前面我们所讨论的波纹管在热声机械中的三种用途都要求波纹管随声波作简谐振动，频率一般在几十到上百赫兹，较其在其它场合所承受的频率要高得多，在这么高的频率下要保证波纹管能够工作足够长的时间就要求其必须有非常长的寿命。
目前国内生产厂商及研究机构对焊接波纹管的寿命缺乏深入的研究，还停留在现场使用记录和试验判断的阶段，至今还没有其理论模型和试验研究的文献报道。厂商提供的寿命数据一般都是在十万以内。如果波纹管以五十赫兹振动，这个寿命才能工作半个多小时，这是远远不能满足我们热声试验的要求的。
在网上(http：//www.caep.cetin.net.cn/kjnb/nb/qw2002/catalog3/3-54.htm)有人提供了一种计算焊接波纹管寿命的方法：lgN=a-mlgσ(2)
其中：σ=(σ12+σ22-σ1σ2)1/2为危险点的等效应力，σ1，σ2为波纹管上的交变应力，N为波纹管的疲劳寿命。但是波纹管的寿命是与很多因素有关的，材质、焊接、成型角(膜片之间的夹角)、膜片形状等都会对其产生影响，而此模型并没有考虑这些因素，因此其有效程度还有待于进一步验证。
图6焊接波纹管疲劳试验装置
本实验室在这方面也做了一些初步的试验研究。图6为我们的试验台简图，波纹管下端被固定在弹簧高频疲劳试验机的底板上，上端端板和电枢片连接在一起，上面再用弹簧往下压，然后再往波纹管内部充3公斤(绝对压力)氮气，开启疲劳试验机，激振器通过电磁力对电枢片产生作用力，使得弹簧、电枢片、端板、波纹管系统产生简谐振动。在试验中我们选用的是沈阳金属所生产的1Cr18Ni9Ti波纹管，内径为57mm，外径为82，自由高度为35mm，波纹膜片36片，厚度为0.12mm。实验时我们先通过弹簧作用将波纹管压缩6mm，然后再让其做简谐振动，工作时谐振频率为47赫兹。波纹管内压力信号被引入到示波器，观测其是否发生泄漏。
在试验初期，我们将电枢片的振幅控制在6mm左右，累计振动了1038.4万次未发生泄漏，后来加大了电枢片的振幅到10mm左右，波纹管很快就发生了泄漏。经过补漏，我们再次将电枢片位移控制在6mm左右，目前振动了2.2亿次仍然完好。因此有理由认为在振幅较小时，波纹管可达到无限长的寿命。
显然，如果波纹管总的变形量固定，增加波片的数量，减少每个波片的变形量可以延长波纹管的寿命，但是增加膜片数量，加长波纹管也会导致新的问题。比方说振动时波纹管表面会产生波，如果端板振动频率不当，膜片之间就会发生剧烈碰撞，导致波纹管破坏。文献[7]虽然提供了波纹管的自振频率计算方法，但怎样防止波纹管表面波的形成还需进一步研究。另外波纹管较长时，轴向的稳定性变差，在其两端固定内部充气压力较高时，波纹管的中间部分可能向旁边弯曲变形，导致破坏。所以一味增加波片数量延长寿命也并不是有效的办法。
5结束语
对于许多热声工作者来说，对焊接波纹管可能还是比较陌生。将焊接波纹管应用于热声机械是一种非常新颖大胆的设想，初步的试验结果还是令人充满信心的，我们更期待着有更多的人来研究它，让焊接波纹管在热声机械中发挥更大的效用。
参考文献
[1]TetsushiBiwa，JSMETEDNewsletter，2003，(41)
[2]柯志伟.焊接型波纹管膜片断面形状最佳化设计.台湾元智大学硕士论文
[3]彭旭东等.高温泵密封的故障分析与改善.流体机械，1995，24(3)：41-45
[4]刘建华.焊接金属波纹管机械密封的特点及应用.机械，2000，27(4)：41-43
[5]刘浩.罗二仓.降低热声发动机(制冷机)共振频率的新方法探索.工程热物理学报，2002，23(增刊)：43-46
[6]罗二仓.一种产生压力波的方法及装置(中国发明专利).公开号：2003，1421660
[7]黎廷新.李添祥.多波波纹管的自振频率.力学与实践，1998，3：40-42(end)
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(2/13/2005) |
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