涡旋柔性弹簧及组件性能实验研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com低温与超导低温技术Cryo．＆Supercon摹站舂4^薯Cr}，ogenicsV‘】1．33N0．4涡旋柔性弹簧及组件性能实验研究陈楠，陈曦，吴亦农，徐烈，杨春光(1上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海，2000302中国科学院上海技术物理研究所，上海，200083)摘要：本文利用TSL系列弹簧刚度实验仪对用于斯特林制冷机中的单片柔性弹簧及柔性弹簧组件进行了实验研究。测试了四种不同尺寸弹簧刚度的动态特性，研究了单片弹簧的轴向刚度、径向刚度以及力矩特性，然后对柔性弹簧组件进行了实验研究，指

2、出了不同组合方法下的刚度及弯矩特性，得到的数据可以作为斯特林制冷机设计的参考。关键词：柔性弹簧性能参数实验研究1引言现代斯特林和脉冲管式制冷机几乎均采用了直线电机驱动、间隙密封、柔性弹簧支撑的技术方案。柔性弹簧是斯特林制冷机的关键零件，用于支撑制冷机压缩活塞与膨胀活塞，保持运动过程活塞与气缸的密封间隙，为活塞的往复振动提供足够的刚度并且要有一定的行程因此柔性弹簧在斯持林制冷机的间隙密封、减少磨损、提高整体可靠性I212作寿命方面有着至关重要的作用。对柔性弹簧而言，疲劳强度、轴向刚度、径向刚度、自振频率分别反映了其不同方面的性能。现有的文献

3、在理论方面主要运用有限元方法对单片弹簧的刚度、频率及应力分布进行分析，而且还根据不同的需要提出了不同的弹簧设计方法。实验研究则主要集中在刚度测量上，为理论分析提供验证数据。A．S．Gaunekar[1]对涡旋型线的弹簧性能进行了有限元分析，提出了针对这种型线的无量纲设计曲线。TonnyBenschop~。]开发了用于红外探测系统的3W@77K小型斯特林制冷机，其中运用了一种新型线的柔性弹簧，通过实验及有限元分析了它的有效性。RichardM．RawlingsE。]设计出了另一种涡旋弹簧，这种型线的弹簧经过了寿命、环境等一系列的实验测试，被

4、成功的用于美国军用小型制冷机。中国科学院上海技术物理研究所[{]运用牛津型涡旋弹簧研制开发了用于航天、航空的多种型号斯特林制冷机。C．C．Lee[5j在文献中列出了Archimedesspiralflexure和Oxfordflexurespring弹簧，并运用多项式拟合了不同型线的方程，开发了系列弹簧的设计程序。弹簧的性能要求与斯特林制冷机的结构紧密相关，总的来说，现有的斯特林制冷机主要采用了二种不同的结构布置模式。如图1中所示的分置式制冷机采用了轴通过两组弹簧组件将活塞悬挂的结构，利月J弹簧组件的径向刚度大这一特点来保证活塞的运动位置

5、。由于减振、电机技术的发展，结构紧凑、体积小的整体式斯特林制冷机得到了日益广泛的运用。如图1中所示，二个弹簧组件分别与压缩与膨胀活塞相连，直线电机用来提供往复振动力，从结构中可以看出，这种结构中活塞与弹簧组件组成的类似悬臂的结构，与分置式制冷机明显不同，不能继续用弹簧轴向整体式斯特#就冷机刚空的概念来对其进行分析。综合国内外的技术，对图1分置式斯特林制冷机与整体制冷机活塞结构示意图于大冷量低温制冷机多采用了动磁式直线电机，由于充磁不均的影响，不可避免的存在着侧向力；另一方面，l：h于大冷量导致的大活塞截面，大的活塞质量会使收稿日期：20o

6、5—06—23·5·维普资讯http://www.cqvip.com低温技术Cryogenics轴受到一个力矩的作用，因此，为了避免由于侧向力及重力对气缸活塞间隙密封的破坏，目前而言多采用了气体轴承和磁轴承技术。但是，设计气体和磁轴承的前提条件是搞清楚弹簧一轴一弹簧组件受侧向力时的变形情况，也就是需知道在这种结构下活塞的径向位移与力的关系。本文首次对弹簧组件的刚度和弯矩特性进行了实验研究，通过与单片弹簧研究的数据对比，得出了弹簧在不同安装状态下的性能特眭，可以作为斯特林制冷机设计及安装的参考。2实验装置及实验方法本实验中采用TIS系列数显

7、示弹簧拉压试验机测量弹簧刚度，其性能如下：负荷测量采用数字显示，克服了人眼的读数误差，位移测量采用标尺与游标尺指示(小负荷用数字显示)，去掉了负荷传感器的变形引起的位移，使位移准确。使用方便、高效、高精度、性能稳定等特点。试验力显示：数码管数字显示，具有上下限分选功能。位移显示：标尺与游标尺指示，具备微调功能。加荷方式：手动加载，快捷方便，位移有定位装置，便于快捷分析(5OOON以上机动加载)。过载保护：试验力过载，数码管闪烁。(机动加载，过载自动停机)。阁耋蕊麓Ffadia1n卜IaxialI．『f誉霉囊图2弹簧拉压试验机图3实验柔性弹

8、簧图图4柔性弹簧组件图测量范围及精度如下：最大试验力(N)——2O0；试验力最小读数值(N)——O．2；移动标尺最小分辨值(mm)——O．05；拉伸试验两挂钩间最大距离(mm)——27O；压缩