低温制冷机用柔性弹簧结构类型和评价指标分析.docVIP

低温制冷机用柔性弹簧的结构类型和评价指标的分析 1　关于柔性弹簧 柔性弹簧是在中心开孔的圆形弹性片状材料上构造出一组具有适当几何尺寸的对称槽，形成可振动的弹性臂，从而使片状材料具有一定的轴向刚度和径向刚度。一般用于支撑往复运动的活塞，为活塞的往复振动提供足够的刚度和一定的行程，在低温制冷机中，用于支撑压缩活塞和膨胀活塞，不但可以保持运动过程活塞与气缸的密封间隙，还可以调节压缩活塞与膨胀活塞的相位差。 1.1　柔性弹簧的分类 （1）根据柔性弹簧的弹性臂数不同，可以分为二、三、四臂及多臂弹簧； （2）根据涡旋槽空间分布不同，可以分为同心型弹簧和偏心型弹簧； （3）根据涡旋槽宽不同，可以分为变槽宽弹簧和不变槽宽弹簧。 根据弹簧的几何结构和型线形式，柔性弹簧还有别的分类方法，不同类型的弹簧通过弹簧型线和弹簧臂空间分布的改变，能带来不同性能的柔性弹簧。 1.2　柔性弹簧的性能评价指标 板弹簧的性能主要体现在疲劳强度、轴向刚度、径向刚度及自振频率这四个方面，其中，疲劳强度对制冷机的寿命及稳定性影响最大. （1）疲劳强度。由于工作需要，弹簧往复运动超过20亿次，要求弹簧在工作时各处应力趋于一致，消除应力集中，并使最大应力远小于材料的疲劳极限； （2）轴向刚度。在低温制冷机中，直线压缩机的运动状态均为直线往复运动，作为振子系统的弹性部件，弹簧轴向刚度对于整个压缩机能耗和运行稳定性有非常重要的作用； （3）径向刚度。直线压缩机中弹簧直接与活塞相连，弹簧支撑活塞及电机动子组件，较大的轴向刚度能够保证活塞运动不受侧向力影响而偏离平衡位置，保证气缸和活塞之间的间隙密封。 （4）柔性弹簧组件自振频率。柔性弹簧随主轴作高速往复运动，其运动频率受制于弹簧片固有频率。为避免弹簧片板条发生共振而折断，则必须使运行频率避开弹簧固有频率。 2　国内外柔性弹簧型线的研究 柔性弹簧的性能与弹簧几何结构密切相关，其中可调整的结构参数有：弹簧厚度、型线方式、内外螺孔开口位置和开口大小、弹簧外径。其中，螺孔位置和外径受外界接口尺寸的限制，在型线不变的前提下弹簧厚度加大，轴向和径向刚度增大，在一定的材料疲劳极限的范围内，可提供的行程减小。当弹簧外径和接口尺寸受限，同时制冷机需要提供较大径轴向刚度和大活塞行程时，单一改变弹簧厚度就不能满足性能需求。因此，在柔性弹簧的设计中，构造出涡旋臂的涡旋型线显得尤为重要。 2.1　国外柔性弹簧型线的研究 早期牛津型斯特林制冷机所用的柔性弹簧为三涡旋臂弹簧，T.E.Wong等人对涡旋型弹簧进行了优化设计，以使它能满足当今线性压缩机系统的工作需要，并对施加动载荷条件下的柔性弹簧性能进行了有限元分析，提出了针对这种涡旋型线的无量纲设计曲线。针对这种弹簧，Marquardt和Radebaough提出了无量纲设计方法和涡旋臂近似设计方法。在随后的研究中，又分别利用有限元方法对柔性弹簧进行了详细分析，并且把分析结论表示成设计曲线。A.S.Guanekar在文章中利用有限元方法进一步分析总结了一系列此类涡旋柔性弹簧的性能，结果表明：对于直径处于25～50mm，厚度0.21～1mm之间的弹簧，轴向刚度与轴向位移之间存在线性关系。 Longthwort基于阿基米德螺线来构建涡旋臂，通过实验得到设计经验表达式，在表达式中，轴向力和应力被表示成弹簧厚度、外径等一系列几何参数的函数，方便了设计。C.C.Lee在列出了Archimedesspiralflexure（阿基米德涡旋弹簧）和Oxfordflexurespring（牛津型柔性弹簧），并采用多项式拟合的方法来处理Archimedes和Oxford弹簧型线，并基于实验数据开发了系列弹簧设计程序，方便了评价弹簧的性能。多项式拟合是处理未知曲线方程的通用方法，但由于存在有效阶数的影响，多项式拟合对曲线的描述通常是近似的。 美国宇航公司的一款弹簧采用了分体组装的方法，利用铆钉和焊接技术，将一个十字轴链接到环切悬臂弯曲叶片上。这种设计可以使受到的应力均匀地分布在弯曲叶片的整个宽度范围内，与现有技术条件下整体切割成型的柔性弹簧设计相比，大大地减小了应力集中，提高了弹簧的可靠性。D.T.Kuo和A.S.Loc所设计的0.5W@80K低温制冷机里使用的也是三角形弹簧，这种弹簧能够很好地消除振动噪声，同时由于这种特殊的压缩机气缸具有电绝缘性，柔性弹簧还能用作动圈的导线。 CarlD.Beckett和LaurenceB.Penswick在他们的一种活塞支撑专利中使用了柔性弹簧。这种弹簧的型线和结构经由有限元软件优化设计，具有较大的刚度，并且能使应力分布趋于平均，大大提高了弹簧的使