金屬波紋管的應用與設計計算
金屬波紋管的應用與設計計算
弗·泰格金屬波紋管公司 王佳
一、概述
波紋管（Bellows）是由一個(gè)或多個(gè)波紋和端部直管段組成的一種撓性元件。由于波紋管幾何形狀上的特點(diǎn)，所以在壓力、軸向力、徑向力（或彎矩）作用下，能產(chǎn)生相應的位移、因此它在許多技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應用。波紋管的規格大小不一，通徑小到幾毫米，大到幾十米，波紋數也從幾個(gè)波到幾十、幾百個(gè)波，層數又有單層、雙層、多層之分。一般說(shuō)，波紋管的最佳適用溫度為-194℃~＋400 ℃。在儀器儀表、真空行業(yè)，在機械、冶金、橡膠、石油化工、機車(chē)、電力、造船、核能、制冷、管道工程等各個(gè)工業(yè)部門(mén)都可見(jiàn)到它。本文將簡(jiǎn)要介紹波紋管的類(lèi)型、計算、成形方法，以及應用等各個(gè)方面。以便讓更多人、更多的領(lǐng)域了解并應用它。
二、波紋管類(lèi)型
波紋管按形狀分類(lèi)約有8種，見(jiàn)圖1。
U型：適用于一般用途，為最通用的一種。
半圓型：也叫做C型，這類(lèi)波紋管在液壓成形后未經(jīng)整形，或稍加整形，因此它的剛度較大，適用于高壓場(chǎng)合。
S型：適用于一般用途。
焊或的膜片：具有尺寸精度高、靈敏度高、線(xiàn)性好、位移大、穩定可靠等特點(diǎn)，可以縮小機構尺寸減輕整機重量。
Ω型：適用于壓力很高的場(chǎng)合。
多層：這類(lèi)波紋管強度高、耐久性好，內應力較小。
加強環(huán)型：各種帶加強環(huán)的波紋管主要適用于壓力非常高的裝置中。
折邊盤(pán)型：屬于特殊的波紋管，應用較少。
三、波紋管的成形方法
波紋管是由無(wú)縫薄壁管威縱向焊接的薄壁圓筒加工成形，可以制成單層，也可由兩層或兩層以上的圓筒套在一起同時(shí)成形。比較常用的有以下幾種方法。
方法之一為液壓成形法：
將圓筒放入液壓機或波紋管成形機內，在圓筒內充入油或水并加壓，而在圓筒外部放置模具，同時(shí)增大壓力和減小模具間的距離，圓筒就沿周向膨脹并靠緊模具而成形。
方法之二為彈性模成形法：
將圓筒套在一個(gè)裝有橡膠環(huán)的芯軸上，作用在芯軸上的軸向力使橡膠環(huán)向外擠，在卸除軸向力后，再對已膨脹的圓筒進(jìn)行壓縮并用裝在圓筒外的波形輪廓模具來(lái)完成其最終的波形。波是一次一個(gè)波地成形，成形波推出時(shí)，圓筒部分即自由地拉入，以減少材料的減薄量。
方法之三為機械液壓成形：
將圓筒置于成形機內，在圓筒內外側都有成形輪，用成形輪所施加的壓力使、各波逐個(gè)成形或一次全部成形。
由于制造高精度的薄壁管十分困難，因此在制造焊接波紋管時(shí)，坯料是單個(gè)沖好的環(huán)形膜片，用等離子焊逐片焊接成的。
四、波紋管的材料
制造波紋管的材料，主要有黃銅、錫青銅、鈹青銅、不銹鋼等。儀器儀表、閥門(mén)上用的規格較小的波紋管可用上述各種材料制造，而大規格的波紋管，比如管道工程、機車(chē)、船舶使用的以及焊接波紋管均用奧氏體不銹鋼制成。比較常用的材料為1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、0Cr17N13 Mo2Ti等。這些奧氏體不銹鋼機械性能好，耐腐蝕、耐熱性能好，滿(mǎn)足波紋管的加工和使用要求，是制造波紋管的良好材料。
五、波紋管的設計計算
波紋管由于材料、材料厚度、標準直徑、波高、壓力以及溫度的許多變化，所以沒(méi)有通用的計算方法。儀器儀表所用的波紋管一般采用數值法，這種方法主要借鑒于蘇聯(lián)安德烈娃所采用的方法。而其它領(lǐng)域所用的波紋管計算方法較多。過(guò)去我國比較多地采用維哈曼（BNXMAH）法，但此種方法沒(méi)有考慮內壓產(chǎn)生的軸向彎曲應力及位移產(chǎn)生的應力二者合應力的影響、限制了它的應用范圍。近年來(lái)采用凱洛格（Kellogg）法和東洋（ToYo）法。這兩種方法同維哈曼法一樣，只考慮了部分類(lèi)型應力的影響，沒(méi)有考慮穩定、振動(dòng)問(wèn)題。目前，美國膨脹節制造協(xié)會(huì )標準的計算方法（簡(jiǎn)稱(chēng)EJMA法）越來(lái)越引起人們的重視。此法在對強度進(jìn)行全面分析的基礎上，進(jìn)一步明確了各類(lèi)型的應力的評定標準，并且還考慮了剛度疲勞、振動(dòng)等問(wèn)題，在國際上被廣泛采用。
1、波紋管常用的參數：
（1）最大壓縮長(cháng)度：在外力作用下，波紋管壓縮到波紋之間彼此互相緊密接觸時(shí)的長(cháng)度。
（2）最大壓縮位移：波紋管壓縮到波紋之間互相緊密接觸時(shí)所能產(chǎn)生的最大位移。
（3）耐壓力：波紋管在保持穩定狀態(tài)或產(chǎn)生永久變形條件下，能承受的最大靜壓力。
（4）工作壓力：指在整個(gè)工作過(guò)程中，承受的最大壓力。
（5）有效面積：有效面積可決定在壓力作用時(shí)端部產(chǎn)生集中力的大小。
（6）剛度：剛度是與靈敏度互為倒數，即靈敏度大，剛度小，靈敏度小，剛度大。
（7）穩定性：波紋管在外力作用下，抵抗引起局部失效或總體失穩的能力。
（8）壽命：波紋管能保持誤差在允許范圍內正常工作的最短期限。
由于U形波紋管的應用比較廣泛，本文根據EJMA法，介紹幾個(gè)主要的計算公式。
2、波紋管的應力及壽命計算
六、波紋管的應用
波紋管的工作方式多種多樣、在外壓或內壓作用下產(chǎn)生位移，在兩端不動(dòng)的情況下承受壓力共傳給支承，隨后在更高的壓力下工作。因此它能完成多種功能。
通徑較小的波紋管常常在壓力計、壓力表或溫度計以及氣動(dòng)調節轉置中作為壓力敏感元件使用。又由于波紋管能產(chǎn)生相當大的力輸出，因此它又能作為力平衡式儀表中的傳感元件。在各種儀表中，它又常常用作液體熱膨脹的補償器，這是因為波紋管具有較大的柔順性，且能大大改變其自身容積的緣故。
由于波紋管的軸向剛度和彎曲剛度都可以做得很小，所以它很適合作力介質(zhì)隔離器，也能作為軸向位移和角位移的彈性輸出接頭。
目前應用最廣泛的是U形波紋管與法蘭或端管、拉桿、內套筒、外套筒、餃鏈板等各種附件組成的行種型式的波紋膨脹節，如普通式膨脹節、萬(wàn)能式膨脹節、餃鏈式膨脹節萬(wàn)向接頭式膨脹節、壓力平衡式膨脹節棄等。這主要用來(lái)作管道熱膨脹的體積補償器和遠距離傳輸液壓的元件，例如煤氣管道、供熱管網(wǎng)、石油管道以及各種氣體輸送管道等、在很多場(chǎng)合，波紋管必須在振動(dòng)的條件下工作。比如航空工業(yè)和造船工業(yè)，用波紋管來(lái)及收真空泵、壓縮機、柴油機等的振動(dòng)。近年來(lái)還發(fā)展到用波紋暫作為機車(chē)消音器的元件，它主要利用被紋管自身的撓性和頻率特性。但要注意。務(wù)使系統的振動(dòng)頻率與波紋管的自振須率不相重合，以免引起共振，
總之，波紋管用途甚廣，可用于各行各業(yè)。研究人員和設計師們對波紋管的應用還在不斷地研究和開(kāi)發(fā)中。
（編輯 以仁）
《機械制造》1991年第4期