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(bǔ)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(shí)，其中的波紋管經(jīng)常處于往復(fù)拉伸和壓縮的工作狀態(tài)，為了考核波紋管能夠承受往復(fù)拉伸和壓縮不失效的次數(shù)，引入了金屬波紋管的機(jī)械疲勞壽命試驗(yàn)，本文結(jié)合具體實(shí)例，介紹了影響波紋管機(jī)械疲勞壽命的參數(shù)和在實(shí)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(chǎng)所越來(lái)越多的使用真空滅弧室來(lái)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(yīng)用到真空滅弧室當(dāng)中起到隔絕外界空氣、隔離電弧和連接動(dòng)導(dǎo)桿的作用，它是一個(gè)非常重要的零件，它必須滿足各類滅弧室的機(jī)械壽命和氣密可靠性的要求，所以金屬波紋管機(jī)械疲勞壽命的長(zhǎng)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(lái)越多的使用非導(dǎo)磁不銹鋼制成，這主要是由于它具有操作壽命長(zhǎng)，在制造過(guò)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(diǎn)。波紋管的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、材料和基本參數(shù)

1.1、結(jié)構(gòu)

　　波紋管的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中D 為外徑，D1為外配合直徑，d1為內(nèi)配合直徑，Rw為外波紋圓角半徑，Rn為內(nèi)波紋圓角半徑，R 為過(guò)渡圓角半徑，L 為總長(zhǎng)度，h1、h2為配合長(zhǎng)度，a為波厚，t為波距，δ為壁厚。

圖1　波紋管結(jié)構(gòu)

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(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(duì)波紋管的機(jī)械疲勞壽命會(huì)產(chǎn)生影響。

2、波紋管的機(jī)械疲勞壽命試驗(yàn)方法和試驗(yàn)

　　盡管波紋管的基本參數(shù)多達(dá)八項(xiàng)，但是對(duì)于已經(jīng)制造出來(lái)的波紋管，基本參數(shù)均已確定，影響其機(jī)械疲勞壽命的主要因素就是在使用時(shí)施加的單波最大位移量。為了保證產(chǎn)品能夠達(dá)到規(guī)定的使用壽命，我們對(duì)采購(gòu)每個(gè)批次的波紋管都要抽樣進(jìn)行機(jī)械疲勞壽命試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方法是：將波紋管焊接在如圖2所示的結(jié)構(gòu)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(yīng)達(dá)到1×10^-4Pa，把裝置固定在試驗(yàn)機(jī)上，按照規(guī)定的試驗(yàn)頻率和位移交變幅度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率由曲柄連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，波紋管的位移交變幅度由曲柄的長(zhǎng)度決定，曲柄長(zhǎng)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(jì)數(shù)器自動(dòng)記錄。

圖2　波紋管焊接結(jié)構(gòu)

　　在循環(huán)開(kāi)始時(shí)測(cè)量鈦泵電流并記錄，在達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)(一般每隔1×104 次檢測(cè)一次)時(shí)檢測(cè)鈦泵電流，以判斷是否漏氣，一旦因往復(fù)循環(huán)造成波紋管疲勞斷裂就會(huì)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(cè)量范圍。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)時(shí)如果鈦泵電流正常，則判斷為該波紋管的機(jī)械疲勞壽命符合要求，按照規(guī)定的抽樣方式進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)即可判斷該批次波紋管的狀態(tài)。依據(jù)上面的試驗(yàn)方法，開(kāi)展了對(duì)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(duì)比試驗(yàn)，來(lái)確定位移交變幅度大小對(duì)波紋管機(jī)械疲勞壽命的影響，表2為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2　波紋管機(jī)械疲勞壽命試驗(yàn)

　　通過(guò)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以清楚地看出位移交變幅度的大小對(duì)波紋管機(jī)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(yàn)后經(jīng)對(duì)照波紋管參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)找到了問(wèn)題所在，411批次的波紋管標(biāo)準(zhǔn)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(shí)小于最大允許位移量的75%，壓縮時(shí)小于最大允許位移量的25%，位移壽命試驗(yàn)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(yàn)時(shí)其總的位移交變幅度應(yīng)該小于5.0622mm(該波紋管共12個(gè)波節(jié))，而按試驗(yàn)規(guī)定的條件試驗(yàn)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定單波最大允許位移量是0.86mm，位移壽命試驗(yàn)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(yàn)時(shí)其總的位移交變幅度應(yīng)該小于3.44mm(該波紋管共8個(gè)波節(jié))，試驗(yàn)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(jīng)過(guò)理論計(jì)算和大量的試驗(yàn)證明，波紋管的機(jī)械疲勞壽命與它的位移交變幅度有密切的關(guān)系，理論分析表明，機(jī)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(lái)滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)位移交變幅度一定時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的靈活性和結(jié)構(gòu)上的可能可適當(dāng)增加波節(jié)數(shù)量或改用兩個(gè)串聯(lián)波紋管的措施來(lái)改善疲勞壽命，圖3是某液壓成型波紋管機(jī)械疲勞壽命操作次數(shù)與單個(gè)波節(jié)位移量之間的關(guān)系。

　　另外，波紋管的機(jī)械疲勞壽命和工作時(shí)的溫度也有關(guān)系，例如真空滅弧室在分?jǐn)啻蟮亩搪冯娏骱螅瑢?dǎo)電桿上的余熱可能傳遞到波紋管上，使波紋管達(dá)到相當(dāng)高的溫度，這樣就會(huì)影響(降低)波紋管的壽命;磁控管在工作時(shí)溫度也相當(dāng)高，其熱量傳遞給磁控管調(diào)諧機(jī)構(gòu)中的波紋管，使波紋管的工作溫度升高，也會(huì)影響(降低)波紋管的機(jī)械疲勞壽命，所以對(duì)于長(zhǎng)期工作在高溫狀態(tài)的波紋管在設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮位移交變幅度對(duì)波紋管機(jī)械疲勞壽命的影響，還應(yīng)當(dāng)予以考慮溫度對(duì)波紋管機(jī)械疲勞壽命的影響，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠達(dá)到預(yù)期的壽命。

圖3　液壓成型波紋管伸縮破壞次數(shù)

3、結(jié)束語(yǔ)

　　本文詳細(xì)介紹了波紋管機(jī)械疲勞壽命的試驗(yàn)方法，并以試驗(yàn)實(shí)例結(jié)合理論分析說(shuō)明了波紋管的機(jī)械疲勞壽命與位移交變幅度之間的密切關(guān)系，提出了在使用波紋管時(shí)為了達(dá)到預(yù)期壽命應(yīng)采取的措施，為實(shí)際使用波紋管時(shí)如何確定位移交變幅度和預(yù)期壽命具有一定的實(shí)用價(jià)值。