一种波纹管的制作方法

1.本实用新型涉及一种波纹管，属于波纹管技术领域。


背景技术：

2.随着电力系统越来越多的使用真空灭弧室来接通和切断电路，金属波纹管作为真空灭弧室中的密封和连接元件，起到隔绝外界空气、隔离电弧和连接动导杆的作用。其机械疲劳寿命决定真空灭弧室的寿命，这就要求它必须满足各类灭弧室机械寿命和气密可靠性的要求。波纹管是由一个或多个波纹及端部直边段组成的挠性元件，作为一种具有位移补偿和大刚度的多功能薄壁管壳金属零件，用以补偿因机械位移、热胀冷缩或振动引起的管线、设备等尺寸变化，已广泛用于电力、航空、航天、核动力、船舶等领域。
3.目前国产中高压真空灭弧室，能保证2万次的开关寿命，而2万次以上寿命的中高压灭弧室市场，是由西门子、东芝等跨国公司占有，其采用的高寿命波纹管则全部从国外输入。真空灭弧室的机械寿命之所以难提高主要是受波纹管的寿命限制，当前国内灭弧室波纹管型面主要以u形为主。波纹管服役过程中特征区域的受力表现出显著的非均匀分布，关键特征区域的受力分布决定着管件的疲劳寿命。因此，获得合理的几何构型的波纹管是提高和挖掘疲劳寿命的主要途径之一。
4.而用于真空灭弧室的波纹管受限于狭窄的安装和工作空间以及内部走线的要求，在内外尺寸上有较高的要求，难以做出较大改变，因此对波纹管几何构型的改变以提高其寿命的研究受到很大限制，难以获得突破和进展。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种波纹管，相比现有技术中的波纹管，拥有相似的结构和整体尺寸，但大幅提升了使用寿命，解决了真空灭弧室用波纹管寿命低的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型的方案包括：
7.本实用新型的一种波纹管，包括两个端部和中间的环状波纹，环状波纹之间通过波谷段连接，环状波纹包括波峰段和直壁段，波峰段和波谷段通过直壁段连接，所有波谷段上最接近波纹管中轴线的点均在同一条波谷直线上，所述环状波纹包括高波纹和低波纹，所述高波纹和低波纹间隔设置，所述高波纹的波高大于低波纹的波高；所述波高为从所述波谷直线到对应环状波纹波峰段的最大距离。
8.进一步的，所述高波纹的波高与低波纹的波高之间的波高差大于等于0.5毫米。
9.进一步的，所述波高差大于等于0.5毫米、小于等于1毫米。
10.进一步的，所述波峰段和波谷段均为圆弧。
11.进一步的，所述波谷段的圆弧半径大于等于1.5毫米、小于等于1.7毫米。
12.本实用新型的波纹管经过科学的实验研究，具备合理的波纹管几何构型，相比相同内外径尺寸的传统波纹管，疲劳寿命得到提高。
13.进一步的，所述高波纹直壁段长度与低波纹直壁段长度的差大于等于0.5毫米、小
于等于1毫米。
附图说明
14.图1是现有技术中波纹管的横截面示意图；
15.图2是波纹管二维建模示意图；
16.图3是波纹管有限元模型施加约束示意图；
17.图4是结构优化调整波高差后的波纹管二维建模示意图；
18.图5是疲劳测试获得较佳波高差后的波纹管示意图；
19.图6是结构优化调整破裂位置波谷圆角半径后的波纹管二维建模示意图；
20.图7是本实用新型的波纹管结构示意图1；
21.图8是本实用新型的波纹管结构示意图2。
具体实施方式
22.下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
23.本实用新型的波纹管，通过如下步骤对现有波纹管进行结构改进得出，在不改变有效使用尺寸的前提下增加了波纹管使用寿命，具体包括如下步骤：
24.1.建立有限元模型。
25.采用ansys中的discovery spaceclaim模块对现有波纹管进行有限元建模，由于波纹管模型比较大，选择建立三维模型的话对计算机求解计算要求很高，为了便于仿真计算，采用建立二维模型的方法进行有限元仿真。具体取得波纹管的横截面，波纹管横截面上半部分的刨面线如图1所示，包括波纹10和波谷20，波纹10由波峰11和直壁12平滑连接组成，相邻的波纹10之间通过各自相邻的直壁12通过波谷20平滑过渡连接。作为一种典型的金属波纹管，波峰11和波谷20为圆弧过渡，波峰11和波谷20分别与相连的直壁12相切。波纹管在自然状态下(未拉长或压缩)其直壁12成垂直状态，波峰11和波谷20为半圆弧。每个波纹的波高为波峰11最顶点到波谷20最顶点的垂直距离，或者说波峰11到波谷20的最大垂直距离。
26.在discovery spaceclaim模块建立波纹管横截面上半部分的二维模型，模型如图2所示，波纹管参数如表1所示。
27.表1波纹管参数
[0028][0029]
将模型中的波纹标记为高波纹和低波纹，高波纹和低波纹依次间隔设置。具体可以对模型中的波纹进行编号，如图2所示，得到波纹
⑴⑵⑶⑷⑸⑹…⒆
，将其中的单号波纹设定为高波纹，双号波纹设定为低波纹。
[0030]
2.导入有限元分析。
[0031]
二维模型建立后，在ansys workbench中选择静力学分析，导入建立的二维模型，定义分析几何面为二维平面，二维行为设计为轴对称，结果如图4所示。金属波纹管的材质
为304不锈钢，根据对304不锈钢的材料特性分析，导入波纹管模型相关材料参数，模型材料参数如表2所示。
[0032]
表2波纹管材料参数
[0033]
杨氏模量(pa)泊松比屈服强度(pa)s
‑
n曲线公式1.92e110.35.01e8s
19.1205
×
n＝1.2120
×
10
50
[0034]
3.网格划分。
[0035]
对导入的二维模型进行网格划分，可以分别选择波峰11、波谷20、直壁12进行不同的网格细密程度划分，由于过密的网格会增加求解运算时间，网格数量少的话计算结果不准确，故在应力情况复杂的圆弧过渡处加大网格密度(由于破裂一般发生在波谷20出，故主要加大波谷20处圆弧过渡段的网格密度即可)，在受力简单且不容易破裂的直壁段降低网格密度。
[0036]
4.施加约束。
[0037]
约束施加应当模拟出波纹管实际使用中的载荷工况。以真空灭弧室的波纹管为例，工况载荷为，波纹管一端固定，外壁施加压力，一端施加位移约束，模拟出波纹管在真空灭弧室中外壁受压的情况下，一端固定，另一端受断路器触头动作而产生机械位移。如图3所示，具体的在模型图中的左端a处施加位移，右端c处施加固定约束，中部外壁处施加压力，压力大小为0.25mpa。
[0038]
5.基于有限元法进行仿真模拟。
[0039]
方法具体首先整体优化波纹管结构，然后找到波纹管破裂位置，增大破裂位置圆角半径，寻找最优(疲劳寿命最长)的圆角半径，具体步骤如下：
[0040]
(1)根据实际工况，在步骤4中施加约束下，进行有限元模拟，分析当前波纹管使用寿命。首先对图1及表1中的有限元模型(高波纹和低波纹的波高相同，即波高差为0)在步骤4的约束下进行模拟，得出使用寿命为15556次。用于真空灭弧室的波纹管应当保证气密性，因此在波纹管破裂时即表示波纹管寿命终止。波纹管的在步骤4的约束下，会在外壁承压的状态下、一段受到固定，一端被反复拉动，每次拉动模拟了一次真空断路器的动作，使用寿命的次数表示了波纹管能够承受的断路器动作次数。
[0041]
(2)降低低波纹的波高，具体的可以减少被标记为低波纹的波纹10的两个直壁12的长度，首先将低波纹的波高降低0.5mm，得到模型如图4所示。再对图4中的有限元模型(波纹管高波纹和低波纹依次交叉设置，波高差为0.5mm)在步骤4的约束下进行模拟，得出使用寿命为21405次。使用寿命从0波高差时的15556次增加到0.5毫米波高差时的21405次，使用寿命得到显著提高，因此，高低波纹交叉间隔设置的整体结构有利于波纹管寿命的增加，还可以进一步调整波高差并进行模拟，发现波高差与波纹管寿命的关系，寻找最长使用寿命的波高差。且这样的波纹管结构改变不会影响波纹管的实际安装尺寸(外尺寸)和实际使用尺寸(内尺寸)。
[0042]
(3)进一步改变高波纹和低波纹的波高差(增加波高差)，将波高差增加到1mm，也即降低低波纹的波高1mm。有限元分析后，得出使用疲劳使用寿命为20094。由此可知，波高差在0mm到1mm的范围内时，波纹管寿命达到最大。根据目前的实验数据可以得出，波纹管寿命最大时，波高差在0.5mm到1mm左右。另外通过有限次的实验，可以得出更加精确的波纹管寿命最大时的波高差。
[0043]
(4)本实施例中，如图5所示，发现当波高差h＝0.5mm时，波纹管寿命较高，同时发现波纹管寿命终止时破裂位置位于波纹
⑶
和波纹
⑷
之间的波谷处。考虑波谷20的圆弧半径(圆角半径)也会影响到波纹管的寿命，因此可以进一步改变波谷圆角半径后进行有限元分析，进一步寻找疲劳寿命最长时的波纹管结构。
[0044]
因此进一步保持其他参数不变(包括波高、波高差、壁厚等)，仅增大该位置圆角半径进行有限元建模，得到模型如图6所示。本实施例中，其余波谷20的圆角半径为1.4mm，将该波谷的圆角半径增加到1.5mm。通过有限元模拟的疲劳测试，发现波纹管寿命从1.4mm时的20094次进一步增加到21605次。可知继续改变波谷圆角半径，有助于进一步提高波纹管疲劳寿命。
[0045]
(5)以0.1mm为步长，继续增加该波谷处的圆角半径，并进行疲劳测试，发现随着其圆角半径的增加，波纹管疲劳寿命先增加后减小，通过有限次实验可以得出最佳的波谷圆角半径值，根据本实施例中的实验结果，可知波谷20的圆角半径值的范围在1.5～1.7mm时达到最佳。
[0046]
作为其他实施例，在改变圆角半径时也可以改变全部波谷20的过渡圆弧的半径值并进行疲劳测试。但由于对应载荷下的波纹管应力集中在相同的波谷处(破裂处的波谷附近)，因此可以预测结构调整后的波纹管破裂位置依然会在此处，因此仅需调整此处的结构尺寸并观察寿命的变化，即可得出改变后的结构尺寸是否有利于波纹管寿命的提高。为了提高实验效率，可以仅改变此处的波谷结构尺寸。
[0047]
经过有限元模拟疲劳测试最终得到如下表(表3)的实验数据。
[0048]
表3不同波高差及波谷圆角半径的波纹管疲劳寿命变化表
[0049]
波高差h/mm圆角半径r/mm寿命次01.4155560.51.42140511.4200940.51.5216050.51.6216640.51.7220630.51.821597
[0050]
基于以上实验数据可得，当波纹管波高差h＝0.5mm、波谷处的圆角半径r＝1.7mm时的波纹管疲劳寿命最高，与原波纹管相比，疲劳寿命增加了41.8％。按照此数据对原波纹管进行改进，即可得到与原波纹管关键尺寸参数相同(能够直接替换使用)，但寿命大大增加的波纹管。
[0051]
波纹管的几何构型与疲劳寿命密切相关，波纹管的寿命决定着真空灭弧室的机械寿命，最大程度挖掘并提高波纹管疲劳寿命，是提高真空灭弧室的性能稳定性和机械寿命的关键。理论和试验方法设计波纹管存在周期长、成本高等不足。本实用新型基于真空灭弧室用波纹管的服役特点，在不改变原有波纹管的有效几何尺寸的前提下(不改变内外径尺寸)，通过优化设计波纹管的波纹几何构型，充分挖掘波纹管疲劳寿命潜力，提高波纹管疲劳寿命，通过上述改进方法改进的波纹管还可以安装回原波纹管的位置，不需改变真空灭弧室的设计和尺寸，便于对现有真空灭弧室进行改造，最低成本的提高了真空灭弧室的性
能稳定性和机械寿命。
[0052]
基于真空灭弧室用波纹管的服役承载特点，建立新的有限元模型，导入有限元软件workbench中进行疲劳测试；首先在不改变波纹管关键参数尺寸下对波纹管波纹的结构尺寸进行了优化，设计了不同波高交替布置的波纹管，发现寿命有很大提高，然后找到发生疲劳断裂的位置，增加该位置圆角半径，进一步调整测试，获得疲劳寿命提高的波纹管几何参数合理范围，提出了提高疲劳寿命的波纹构型及合理几何尺寸。最终得到一种有较长使用寿命的波纹管几何尺寸构型，按照实验得到的波纹管几何尺寸构型制备成型模具，制备相应波纹管。
[0053]
根据以上实施例记载的实验方法，得到本实用新型的具有较长疲劳使用寿命的波纹管构型如图7、图8所示，包括两个端部31、32以及端部中间的波纹，波纹分为高波1和低波2，高波1具有较长的直壁段，高低波相互间隔设置。
[0054]
根据以上实施例中表3的实验结果数据可以看出，高波1的波高大于低波2的波高0.5毫米时，也即波高差大于0.5毫米时，波纹管具有较佳使用寿命。因此，波高差应该至少达到0.5毫米。
[0055]
波高差在大于0.5毫米达到1毫米之后，使用寿命开始逐步降低，因此较佳的，波高差可以设置在0.5～1毫米之间。
[0056]
采用圆弧过渡的波峰和波谷中，波谷的圆弧半径在1.5～1.7毫米时波纹管使用寿命达到最佳。且高波1和低波2的波峰圆弧尺寸相同时，高波1和低波2的波高差即为高波1和低波2的直壁段的长度差。