小型斯特林制冷机膜片弹簧设计与研究

• 作 者: 张文君
• 机 构: 合肥工业大学
• 出 处: 合肥工业大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 斯特林制冷机 柔性弹簧 有限元分析 结构设计 数值实验

柔性弹簧作为直线压缩机系统的弹性部件,集成了弹簧和轴承的功能于一体,用于支撑活塞与动子组件,保证活塞和气缸的密封间隙。与传统的柱弹簧和线性轴承相比,柔性弹簧具有很高的径向、轴向刚度比,且质量轻、结构简单、可靠性高。柔性弹簧支撑技术的应用,提高了斯特林制冷机的寿命和可靠性,有效地推动了斯特林制冷机的轻量、小型化。　　
目前,柔性弹簧的设计及性能分析方法还不成熟,国内柔性弹簧的设计还处于仿制阶段,为了提高斯特林制冷机的可靠性和使用寿命,促进其轻量、小型化,进行柔性弹簧结构和性能的数值分析和设计研究有重要的意义。　　
本文为匹配前期设计的往复直线电机,利用有限元方法分析了蜗旋柔性弹簧的结构和力学特性。并得出如下结论:　　
1)在分析和研究国内外柔性弹簧型线及其性能的基础上,设计了以蜗旋线为型线的柔性弹簧,并通过多次结构静态分析可知:增大槽首和槽尾封闭圆弧的尺寸可以有效的降低应力集中,根据此分析,对柔性弹簧槽首和槽尾的封闭进行设计,并基于PRO/E软件给出了弹簧详细的建模过程;　　
2)利用有限元分析方法,从柔性弹簧的应力分布、刚度特性、固有频率及疲劳寿命等方面,对标准化厚度的弹簧进行筛选和改进,最终得到符合设计要求的弹簧;　　
3)对择优选出的柔性弹簧进行实验验证。有限元方法得到的刚度比实验值偏小,误差不高于8.67％;疲劳寿命试验已运行26280小时,往复振动超过4.9e9次;　　
4)斯特林制冷机的应用实验中,深冷冰箱输入170W电能时,箱内低温处达到-161℃,平均轴向温度偏差为+0.057℃/mm;对应箱内温度-100℃时的制冷量为7W,满足了深冷冰箱设计指标的要求,应用实验表明设计的柔性弹簧是合理的。