性能指标编辑
刚度
使金属波纹管或其它弹性元件产生单位位移所需要的载荷值称为元件的刚度,一般用“K”表示。如果元件的弹性特性是非线性的,则刚度不再是常数,而是随着载荷的增大发生变化。一般工程用的波纹管类弹性元件,刚度允差可限定在+/-50%之内。波纹管的刚度按照载荷及位移性质不同,分为轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度等。在波纹管的应用中,绝大多数的受力情况是轴向载荷,位移方式为线位移。以下是几种主要的波纹管轴向刚度设计计算方法:
1.能量法计算波纹管刚度
2.经验公式计算波纹管刚度
3.数值法计算波纹管刚度
4.EJMA 标准的刚度计算方法
5.日本TOYO 计算刚度方法
6.美国KELLOGG(新法)计算刚度方法
要应用于钢带类
钢带波纹管又叫钢带增强聚乙烯螺旋波纹管是一种以高密度聚乙烯(PE)为基体(内外层)与表面涂敷粘接树脂钢带复合的缠绕结构壁管。管壁结构由三层构成:内层是一个连续实壁PE内层管,内层管外缠绕有(用钢板成形为“V”型的)环形波状钢带增强体,在波状钢带增强体外复合有聚乙烯的外层,从而复合成整体的螺旋波纹管。其典型的结构如图所示。钢的弹性模量是聚乙烯的近200倍(碳素钢 [2] 的弹性模量在190000 MPa左右),结合金属和塑料的优点显然是达到高刚度低消耗的理想办法,能够将钢材的高刚度、高强度和塑料的耐腐蚀、耐磨损和柔韧性等优良特性**地结合起来,发挥两方面的优点,弥补两方面的缺点,实现高性能和低成本的统一。
金属波纹管设计的理论基础是板壳理论、材料力学、计算数学等。波纹管设计的参数较多,由于波纹管在系统中的用途不同,其设计计算的重点也不一样。例如,波纹管用于力平衡元件,要求波纹管在工作范围内其有效面积不变或变化很小,用于测量元件,要求波纹管的弹性特性是线性的;用于真空开关管作真空密封件,要求波纹管的真空密封性、轴向位移量和疲劳寿命;用于阀门作密封件,要求波纹管应具有一定的耐压力、耐腐蚀、耐温度、工作位移和疲劳寿命。根据波纹管的结构特点,可以把波纹管当作圆环壳、扁锥壳或圆环板所组成。设计计算波纹管也就是设计计算圆外壳、扁锥壳或团环板。
计算的参数为刚度、应力、有效面积、失稳、允许位移、耐压力和使用寿命。
波纹管是指用可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状弹性敏感元件。波纹管在仪器仪表中应用广泛,主要用途是作为压力测量仪表的测量元件,将压力转换成位移或力。波纹管管壁较薄,灵敏度较高,测量范围为数十帕至数十兆帕。它的开口端固定,密封端处于自由状态,并利用辅助的螺旋弹簧或簧片增加弹性。工作时在内部压力的作用下沿管子长度方向伸长,使活动端产生与压力成一定关系的位移。活动端带动指针即可直接指示压力的大小。波纹管常常与位移传感器组合起来构成输出为电量的压力传感器,有时也用作隔离元件。由于波纹管的伸展要求较大的容积变化,因此它的响应速度低于波登管。波纹管适于测量低压。
波纹管在工作过程中,其寿命长短主要取决于工作过程中产生的较大应力。为了降低应力,一般通过减少波纹管的工作位移和降低工作压力来实现。在一般设计中规定波纹管的工作位移应小于它的允许位移的一半,它的工作压力应小于波纹管的耐压力的一半。
对生产的波纹管进行试验证明,如果波纹管按上述规范工作,它的便用寿命基本土可达到5万次左右。
根据工作压力性质的不同,波纹管的允许位移也有所区别一般波纹管只承受轴向载荷(拉力或压力)时,它的允许位移可在波纹管有效长度的10%~40%之间选用;而在波纹管承受横向集中力、扭转力矩或综合受力时,波纹管的允许位移应适当减小。
应用多层波纹管可以降低刚度和变形引起的应力,因而可以在很大程度上提高波纹管的寿命。
波纹管在其它情况相同而工作压力性质(恒定或交变载荷)不同的条件下工作时,其使用寿命将有差别。显然,在交变载荷下工作时,波纹管的寿命比恒定载荷下工作时要短一些。
耐压力是波纹管性能的一个重要参数。波纹管在常温时,波形上不发生塑性变形所能承受的较大静压力,即为波纹管的较大耐压力在一般情况下,波纹管是在一定的压力(内压或外压)下工作的,所以它在整个工作过程中必须承受这个压力而不产生塑性变形。
波纹管的耐压力实际上属于波纹管的强度范畴。计算的关键是应力分析,也就是分析波纹管管壁上的应力只要波纹管管壁上较大应力点的应力不**过材料的屈服强度,波纹管所受的压力就不会达到其耐压力。
同一波纹管在其它工作条件相同时,受外压比受内压时的稳定性要好,所以,受外压作用时的较大耐压力比受内压时高。
当波纹管两端固定,如果在其内腔通入足够大的压力时,波纹管波峰处有可能爆破损坏。波纹管开始出现爆破时波纹管内部的压力值称为爆破压力。爆破压力是表征波纹管较大耐压强度的参数。波纹管在整个工作过程中,其工作压力远小于爆破压力,否则波纹管将破裂损坏。
当波纹长度小于或等于外径时,其计算结果和实际爆破压力很接近;对细长型波纹管其实际爆破压力要低很多。爆破压力大约为允许工作压力的3~10倍。
金属波纹管及弹性元件中某一特**(自由端或中心)的位置变化。按照其运动轨迹,可分为线位移和角位移。在外界载荷作用下,金属波纹管可能产生轴向位移、角向位侈及横向位移。
金属波纹管及弹性元件在额定载荷作用下所引起的位移值,也就是它们在正常使用条件下允许产生的工作位移。
各类弹性元件在工作瞬间或试验期间允许**过额定位移的承受能力。在发生**载位移时,弹性元件不应发生损坏、失效、失稳等情况。对于仪表弹性敏感元件,**载位移一般限定在额定位移的125%,工程中使用的波纹管类组件,应根据工程条件和安全程度确定。
应用比较普遍的方法有如下两种:
1.数值法计算波纹管应力
假定波纹管的全部波纹都处于同一条件下,在计算时只研究波纹管波纹的单个半波。这样,在研究中就不考虑端部波纹,虽然端部波纹的边界条件与中间波纹有所不同。数值法是根据E.列斯涅尔对于变壁厚回转薄壳产生轴向对称变形时所列的非线性方程来解的。在推导E.列斯涅尔方程时,应用了薄壳理论的一般假定,其中包括:与环壳曲率主半径相比厚度很小的假定;材料的均一性和各向同性的假定。采用上述假定也会给计算带来一定的误差。因为在制造波纹管时,管坯的轧制,拉深和随后的波纹塑性成形会造成材料力学性能上的各向异性和不均匀性。
2.美国EJMA 应力计算方法
波纹管的有效面积计算
有效面积是波纹管的基本性能参数之一,它表征波纹管将压力转换为集中力的能力,在利用波纹管把压力变成集中力输出的场合,有效面积就是一个重要参数。
波纹管用于力平衡式仪表时,其有效面积的稳定性会直接影响着仪表的精度。所以在这种场合不但要求波纹管具有合理的有效面积,而且还要求有效面积在工作过程中不随工作条件而变化