| 加入桌面 | 手机版 | 无图版
中国冷冻冷藏行业
电子商务服务平台
 
当前位置: 冷冻冷藏产业网 » 行业资讯 » 技术资料 » 分置式斯特林制冷机失效分析

分置式斯特林制冷机失效分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-10-12  来源:中国冷凝器网  浏览次数:381

  标与国外同类产品差距缩短,但可靠性问题一直没有很好解决。文中介绍了斯特林制冷机的原理。

  双活塞对动型分置式斯特林制冷机的结构特点及表征参数;通过对产品研制开发过程中成品率低的原因分析,揭示了主要失效机理,对改进工艺和设计起到了和指导作用。

  1概述斯特林制冷技术像其它高新技术一样,军事应用成为牵引它的强大动力,它的发展与军用红外技术的需求有着十分密切的关系,目前已成为现代制冷技术研究的一个重要分支微型斯特林制冷机的特点是结构微型化、制冷量小、功耗低、制冷效果高等,非常适合要求特殊制冷环境的武器装备使甩目前,用于红外探测器制冷的斯特林制冷机已有许多成熟的产品,光电技术在军事上的广泛应用,积极牵引着为其配套的斯特林制冷技术的迅速发展斯特林制冷机按其结构可分为整体式和分置式两种。

  整体式斯特林制冷机1954年发明至今,历经近半个世纟纪它的结构紧凑、效率高、能耗低、体积小重量轻;但振动大噪音大,寿命相对短分置式斯特林制冷机是在整体式斯特林制冷机研究的基础上发展起来的,由于它的压缩机与冷头用细管连接,使被冷却的红外探测器远离振源,早期以旋转马达驱动分置式斯特林制冷机已显得比整体式的优越随后由旋转马达驱动发展为直线电机驱动,进而采用双活塞对置直线驱动,它使压缩机动子的动量得到了平衡,既简化了结构又大幅度减小了振动和噪音,使机器的可靠性相应地提高所示,1-2为等温压缩过程,2-3为定容放热过程,3-4为等温膨胀过程,4-1为定容吸热过程4-1过程中气体从回热器吸收的热量等于2-3过程气体向回热器所放出的热量制冷产生在3-4等温膨胀过斯特林制冷机压力-容积图和温度-熵图程,其匕二个过程是为此过程做准备的。

  2结构特点及表征参数双活塞对动型分置式斯特林制冷机结构图如所示,压缩机是由两台完全相同的线性电机对置而成,其内压缩活塞由圆柱弹簧支撑的动子组件驱动,推移活塞为气动结构,也由圆柱弹簧支撑。压缩机采用全对称结构,中间压缩气体出口通过分置管与膨胀机连接。膨胀机由膨胀机气缸回热器、谐振弹簧后座等零件组成,系统内充有一定压强的氦气,在电源的驱动下,直线电机带动两压缩活塞在压缩气缸中做相对往复运动,所产生的压力波通过分置管传入膨胀机,使回热器在膨胀机气缸中做谐振运动,从而产生制冷效应制冷机的以下参数可表征制冷机的特征:制冷温度制冷功率降温时间、输入功率、寿命、体积和重量、振动和噪声。其中:寿命指标是斯特林制冷机可靠工作的最重要的指标由于斯特林制冷机中含有一定数量的运动部件,运动频率较高,在产品研制开发过程中,导致制冷机性能恶化的因素较多,可靠性水平比较低,要获得高可靠的产品,必须进行大量的实验、分析。

  3制冷机的可靠性研究国外分置式斯特林制冷器进入工程化研究阶段,开始于八十年代初期,在此之前,制冷器的体积重量都比较大,可靠性低进入八十年代末之后,随着探测器技术的不断发展,各国都把分置式斯特林制冷器首选为红外系统的最佳冷源由于该制冷器受到了红外系统急需配套的积极牵引,以美国、英国、法国、以色列等国为代表,先后投入巨资研制体积小、重量轻、高效率高可靠性的新一代产品英国政府曾投资五百万英镑攻克1W制冷器的可靠性问题,使得从八十年代初至八十年代末的十多年间,分置式斯特林制冷器成为国际低温界研究和开发的最热点分支,从而有力地推动了该制冷器的发展,把学术研究水平推向了高峰,制冷器的可靠性等性能指标也跃上了一个新的台阶,并且迅速形成了系列化的产品,为九十年代推出通用组件奠定了基础进入九十年代,国外重点在发展以直线电机斯特林制冷机为主的高可靠性的通用型组件,如美国的Magnavox公司、BEI电子公司、Hughes电子动力公司、Inframetes公司、英国Hymatrics公司、法国Cryotechnogies公司、以色列Ricoi公司等,制冷功率从0.2W至1. 75W形成一个系列化通用组件供军方选配合出了Hughes公司斯特林制冷器可靠性增长的发展过程。从图中我们可以明显看出:在八十年代初期的几百小时开始装机,经过了十多年的可靠性攻关,上升到1990年的2000-3000小时和1994年的3000-5000小时,其间进行了大量的研究、各种专题试验和数据的收析」此c可哝出可靠性增长是1项长期、艰苦细致的作http://wv靠性问题,通常大家都会提到MTBF值。1983年以前,通常以MTBI来描述制冷机的可靠性,认为制冷机的失效是随机失效模式但随着可靠性工作和现场数据的积累,发现用随机失效模式不适合制冷机,主要失效机理如污染和材料老化都与时间有关,失效率随使用时间而增大,属于磨损失效模式,所以目前采用MTTF来描述制冷机的可靠性制冷器在该阶段的失效率需通过大量的数据统计分析才能得到由于双活塞对动型斯特林制冷机是新研制开发的产品,没有可靠性数据和材料可和借鉴,就目前国内的现阶段的研制生产能力,每年研制生产的数量不多,且造价高,用大量样品统计分析MTTF值,可操作性很差。因此,现阶段我们采用有效使用寿命来考核制冷器的可靠性。

  重点解决双活塞对动型分置式斯特林制冷机带有共性的、已暴露出来的失效原因和环节由于制冷器目前生产数量少、造价高,很难通过其整机得到寿命分布的数据因此,在现阶段我们主要是对容易失效的部件(如:弹簧引线耐磨塑料等)进行可靠性试验,了解其寿命分布特点及失效机理,找出最薄弱的环节和突破点,以此来计算整机使用寿命剔除早期失效,保证单台制冷器的可靠性质量剔除早期失效,是保证制冷器在提供使用时维持在较低失效率水平的有效方法由于早期失效是因设计、加工、装配过程中的缺陷造成的,除了加强对设计的评审和工艺评审外,特别要对生产过程的质量把关,因为制冷器内部使用了大量精密加工零部件,零部件的质量直接影响制冷机整机的可靠性。

  用失效模式控制的方法进行可靠性增长可靠性增长必须建立在对制冷器失效和故障有充分了解的基础上,只有控制了主要的失效模式才能够进行可靠性的增长4失效分析4.1原因分析通过大量的实验研究,结果表明:影响双活塞对动型斯特林制冷机失效的原因主要来自以下四个方面:泄漏、磨损、弹簧疲劳和污染。下面就此四方面进行分析:泄漏:由于制冷工质气体氦气为仅次于氢气分子的最小分子,因此它具有极强的渗透性,一旦这种渗漏氦气量超过制冷机充气平衡压力的5%,制冷机的性能将会开始变坏,经过多个同类产品的专题试验表明:泄漏主要产生于烧结绝缘子、焊缝密封接口和材料自磨损:主要产生于压缩机活塞与气缸和膨胀机推移活塞与气缸之间所形成的摩擦副上,由力学分析可知,摩擦副上所产生的磨损率与工作频率摩擦系数和作用力大小成正比,可靠性试验结果也证实了这一点。制冷机早期磨损失效因素主要来源于活塞表面耐磨材料的耐磨性能优劣、气缸与活塞间的摩擦系数大小气缸表面材料的硬度高低及活塞与气缸间的装配侧向力大小。其早期失效形式主要表现如下:①产生大量金属或非金属粉末,阻塞和污染回热器,增大回热器阻尼,降低回热器性能;②导致气缸、活塞间间隙增大,动密封效果变差,压机效率下降,从而使整机效率下降,③侧向力偏大导致气缸、活塞局部划伤磨损和脱落,从而使动密封间隙加大,降低整机效率。

  弹性疲劳:主要产生于制冷机内部弹性运动部件,本项目中有两处使用了弹性部件,一是直线电机内部的支撑弹簧和引线;二是推移活塞的支撑弹簧;其早期失效因素经可靠性试验可知:它主要来源于弹簧的设计、引线结构设计、材料的选取和表面处理工艺参数的选择失效形式表现如下:弹簧中部或根部断裂,引线根部折断。

  污染:主要来自于制冷机零部件内表面高沸点气体的放气和磨损粉尘众所周知:斯特林制冷机的工作工质为氦气,纯度为99.99%当制冷机制冷温度低于77K时,回热器内的N2 2C2H2O等高沸点气体就会被液化成固体,必然阻塞回热器内气体通道,增大流阻,导致制冷机性能下降。粉尘主要为耐磨材料和镀层粉尘,其污染形式是直接堵塞回热器内填料网孔,降低回热器性能,导致制冷性能缓慢下降。

  4.2研究方法针对上述制冷机研制过程中出现的失效因素,我们开展了以下几个方面的研究,具体如下:典型零件失效的预防:建立控制泄漏因素的工艺流程,通过高灵敏度检漏仪,采用零部件分别检漏,确保泄漏率不大于1.33<1CT 4Pacm3/s,达到国外实用化制冷机泄漏率的标准材料工艺的优化:确立影响磨损早期失效因果图,控制材料的选择和加工过程,筛选试验后确定可使用的材料,并将这些材料的有关资料编辑起来供制冷机设计时使用,着重装配工艺流程控制,消除装配侧向力,剔除早期磨损失效。

  控制污染:从污染失效的制冷机中进行采样分析,用低磨损材料替代原易磨损材料,同时还需:①国外制冷机研制生产过程的经验,建立防污染过程处理工艺流程,分别对金属和非金属零部件进行不同温度的定时真空烘干处理并贮存,同时限定组件装配时间和环境条件,消除制冷机因材料放气污染所引起的早期失效;②解决粉尘污染的措施为:a提高气缸、活塞加工精度和装配精度,降低磨损率;b.改进装配环境条件,防止外界环境粉尘在装配时进入运动间隙,减少初始磨损;c.提高耐磨材料和气缸表层材料的耐磨性,减少磨损;d.合理采用间隙除尘结构,使流动的粉尘沉积在死隙内,减少流入运动间隙的粉尘,降低颗粒磨掼制冷机弹性疲劳失效的预防:重点分析影响制冷机失效的弹性疲劳应力集中点,改进相应结构,同时加强弹性疲劳的可靠性设计,消除弹性疲劳失效。

  总之,通过对双活塞对动型分置式斯特林制冷机的失效分析研究,我们取得了一些成绩,解决了21些问题溢鲤们的样机累计运行时间已达到13多小时比以潘。3%偏500小时有了很大提高要将斯特林制冷机的可靠性提高到国外同类产品的水平,我们还需作大量的、细致的研究工作,同时还需要大量的资金支持。相信随着可靠性工作的深入开展,技术问题的不断解决,斯特林制冷机的可靠性工作将会不断取得卓有成效的进展

分享与收藏:  行业资讯搜索  告诉好友  关闭窗口  打印本文 本文关键字:

新闻视频

 
推荐图文
推荐行业资讯
最新文章