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波纹管知识

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波纹管

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。


波纹管种类

波纹管主要包括金属波纹管、波纹膨胀节、波纹换热管、膜片膜盒和金属软管等。金属波纹管主要应用于补偿管线热变形、减震、吸收管线沉降变形等作用,广泛应用于石化、仪表、航天、化工、电力、水泥、冶金等行业。塑料等其他材质波纹管在介质输送、电力穿线、机床、家电等领域有着不可替代的作用。

波纹管:压力测量仪表中的一种测压弹性元件。它是具有多个横向波纹的圆柱形薄壁折皱的壳体,波纹管具有弹性,在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下能产生位移。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。另外,波纹管也可以用作密封隔离元件,将两种介质分隔开来或防止有害流体进入设备的测量部分。它还可以用作补偿元件,利用其体积的可变性补偿仪器的温度误差。有时也用作为两个零件的弹性联接接头等。波纹管按构成材料可分为金属波纹管、非金属波纹管两种;按结构可分为单层和多层。单层波纹管应用较多。多层波纹管强度高,耐久性好,应力小,用在重要的测量中。波纹管的材料一般为青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金和因康镍尔合金等。


性能指标

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

除了上述六种刚度计算方法之外,国外还有许多种其它的计算刚度的方法,在此不再介绍。我国的力学工作者在波纹管的理论研究和实验分析方面作了大量工作,取得了丰硕的研究成果。其中最主要的研究方法是:

(1)摄动法

(2)数值积分的初参数法

(3)积分方程法

(4)摄动有限单元法

上述方法都可以对波纹管进行比较精确的计算。但是,由于应用了较深的理论和计算数学的方法,工程上应用有一定的困难,也难于掌握,需要进一步普及推广。

金属波纹管与螺旋弹簧联用时的刚度计算

在使用过程中,对刚度要求较大,而金属波纹管本身刚度又较小时,可以考虑在波纹管的内腔或外部配置圆柱螺旋弹簧。这样不仅可以提高整个弹性系统的刚度,而且迟滞引起的误差也可以大为减小。这种弹性系统的弹性性能主要取决于弹簧的特性和波纹管有效面积的稳定性。

波纹管的弯曲刚度

波纹管的应力计算

金属波纹管作为弹性密封零件,首先要满足强度条件,即其最大应力不超过给定条件下的许用应力。许用应力可由极限应力除以安全系数得出。根据波纹管的工作条件和对它的使用要求,极限应力可以是屈服强度,也可以是波纹管失稳时的临界应力,或者是疲劳强度等。要计算波纹管最大工作应力必须分析波纹管管壁中的应力分布。

波纹管上的应力是由系统中的压力和波纹管变形所产生的。压力在波纹管上产生环(周向)应力,而在波的侧壁、波谷和波峰处产生径向的薄膜和弯曲应力。不能抗弯的薄壳有时称为薄膜,忽略弯曲而算得的应力则称为薄膜应力。波纹管变形时产生径向薄膜应力和弯曲应力。波纹管在工作时,有的承受内压,有的承受外压,例如波纹膨胀节和金属软管在多数情况下其波纹管承受内压,而用于阀门阀杆密封的波纹管一般情况下承受外压在这里主要分析波纹管承受内压时的应力,波纹管承受外压的能力一般情况下高于耐内压能力。随着波纹管的广泛应用,人们对波纹管的应力进行大量的分析研究和实验验证工作,提出了许多供工程设计使用的计算公式、计算程序和图表。但是,有的方法由于图表或程序繁复使用不方便,有的方法假设条件不是过于简化就是过于理想,难以保证使用上的安全可靠,不少方法未能为工程界所接受。因此,真正符合实用要求的方法为数不多。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。

1.有效面积的概念和有效面积的变化

有效面积是一个等效的面积,压力作用在这个面积上将产生相等的轴向力。一般情况下,随着内压力的增大,波纹管有效面积变小,面随外压力的增加,有效面积变大。

2.波纹管的体积有效面积

波纹管在外力或压差作用下,其体积变化量与相应的有效长度的变化量之比值称为体积有效面积。

3.波纹管有效面积的计算

对波纹管有效面积提出的要求及其计算方法取决于波纹管的用途。如果波纹管用作弹性密封件或管路热补偿时,有效面积的意义仅在于用来计算波纹管成形时的轴向力和使用系统中的推力。波纹管的有效面积计算值与实测值之间急有一些差别。一般情况下用专用公式计算波纹管的有效面积,是可以满足需要的。

当波纹管用于力平衡仪表和需要将压力转换为力的场台,应准确确定其有效面积,要求逐个进行测量。

灵敏度

金属波纹管及其它弹性元件承受单位载荷时所产件的位侈量称为元件的灵敏度。刚度和灵敏度是波纹管及其它弹性元件的主要功能参数,但它们又是同一使用特性的两种不同的表示方法。对于不同的场合,为便于分析问题,可采用其中任何一种参数。

有效面积

对于实现压力一力或力一压力转换的弹性元件,还有一个重要的功能指标是有效面积。有效面积是指弹性元件在单位压力作用下,当其位移为零时所能转换成集中力的大小。

使用寿命

弹性元件下作时有两种状态;一种是在一定的载荷和位移情况下工作,并保持载荷、位移始终不变或很少变化,称为静态工作;另一种使用情况是载荷和位移不断周期往复交替变化.元件处于循环工作状态。由于工作状态的不同,元件损坏或失效的模式也不同。仪表弹性敏感元件工作在弹性范围内,基本上处于静态工作状态,使用寿命很长,一般达到数万次到数十万次。工程中应用的波纹管类组件,有时工作在弹塑性范围或交变应力状态,寿命只有成百上干次。元件在循环工作时必须给定许用工作寿命,规定循环次数、时间和频率。

弹性元件的额定寿命是元件设计时定出的预期使用寿命,要求在这段期间内元件不允许出现疲劳、损坏或失效等现象。

密封性

密封性是指元件在一定的内、外压差作用下保证不泄漏的性能。波纹管类组件工作时,内腔充有气体或液体介质,并有一定的压力,因此必须保证密封性。密封性的检测方法有气压密封性试验、渗漏试验、液体加压试验、用肥皂水或氦质谱检漏仪检测。

自振频率

在工业中使用的弹性元件,其工作环境往往都有一定程度的振动,有些元件用作隔振部件.本身就处在振动条件下。对于在特殊条件下应用的弹性元件,必须防止元件的自振频率(特别是基频)与系统中任何一种振动源振频相近,避免发生共振而引起损坏。波纹管类组件在各种领域中得到了广泛的应用,为避免波纹管发生共振面损坏,波纹管的固有频率应低于系统的振动频率,或至少比系统振频高出50%。

使用温度

金属波纹管类组件的使用温度范围很宽,一般都在弹性元件设计制造前给出。有些特殊用途的波纹管,内腔通过液氧(-196℃)或更低温度的液氮,耐压高达25MPa 。管网系统连接用的大型波纹膨胀节(公称直径有时超过lm ),要求承压4MPa,耐温400℃,且有一定的耐腐蚀稳定性。弹性元件的温度适应能力取决于所采用弹性材料的耐温性能。因此根据弹性元件的使用温度范围,选用合适温度性能参数的弹性材料,才能加工制造出合格的波纹管类组件。


应用

金属波纹管及翅片式波纹管在内燃机冷却器中的应用,在汽柴油发动机冷却器壳体内或冷却芯子的两管板间安装1-1000根带有间断性凸凹状金属波纹管,采用扩管法、焊接法等方法将其固定在一端管板上,使冷却介质的流动状态发生改变,达到提高传热系数,增加传热效率。该发明构思新奇、工艺实用、成本低廉、性能可靠、传热效率高、不结垢、寿命长、热应力小。

1、压力根据软管实际工作压力,再查询波纹的公称通径与压力表,决定是否使用不锈钢网套类型的。

2、尺寸软管公称通径,选用接头型式(主要有法兰联接、螺纹连接、快速接头连接)及的尺寸,软管长度。

3、状态按软管使用时的状态,参照金属软管的正确使用与安装方法与软管在沉降补偿时的最佳长度.软管各种运动状态的长度计算及软管的最小弯曲次数和最小弯曲半径等因素,参数正确选取软管长度,并正确安装。

4、温度软管内介质的工作温度及范围;软管工作时的环境温度。高温时,须按金属波纹管高温下的工作压力温度修正系数,确定温度修正后的压力,以确定选用正确的压力等级。

5、介质软管中所输送的介质的化学属性,按软管材质耐腐蚀性能参数表,决定软管各零件的材质。

6、真空软管主要应用于单晶硅生产使其达到负真空

主要应用于钢带类

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有机地结合起来,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。


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