金属软管的力学性能和强度计算

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欢迎访问e展厅 展厅 9 管材/管件/法兰展厅 供气设备, 管材, 管件, 法兰, 管道... 金属软管设计的可靠性，对使用的影响很大，所以，对它们在纵、横两个方向上的刚度、最小弯曲半径及最大工作压力值等机械性能方面的重要参数的确定，要经过严格地分析、计算。否则，在工程中，不但难以达到保证质量、提高效率、节省资金、保障安全等良好的效果，反而可能造成重大的损失。 波纹管的挠性 金属波纹管与普通金属光滑管相比较，具有一定的挠性。当然，许多散热片一类的管子，尽管其外表面也呈波纹形状，但却没有挠性，这是因为它的结构与金属波纹管的结构有着根本的不同。最本质的区别是：金属波纹管在任何截面上、任意两点的壁厚都是相等的（液压或机械旋压成型过程中的微变薄量忽略不计）；它的波纹是空心波纹。而散热片一类的管子从其轴向剖面上看去，波纹部分的壁厚却比其它部分厚得多，它的波纹是实心波纹。 众所周知，凡用金属波纹管的场合，主要是利用其弹性或挠性。当然，人们决不会用铸铁一类的脆性材料或硬质状态的管材、带材去制作金属波纹管。尽管金属波纹管的挠性与其通径、波纹几何形状、材料、状态、壁厚等因素有关，而正是由于上述原因，故在一般情况下，可以忽略材料、状态、壁厚等方面的既定因素，仅从通径、波纹几何形状方面就能够相对准确地分析出金属波纹管的挠性。 在实际工程应用上，对各种金属波纹管的最小弯曲半径都有一个起码的要求。人们已经习惯用波纹管的最小弯曲半径来说明其挠性。由于各类仪器仪表、机械设备上使用的弹性元件、敏感元件、特别是输送各种介质的软导管，多为“U”形金属波纹管或以“U”形金属波纹管派生出来的“S”形、“Ω”形和其它形式的波纹管。因此，以“U”形金属波纹管为典型，分析它的最小弯曲半径具有普遍的指导意义。 金属波纹管在横向上受到力的作用之后，必然产生弯曲变形，变形的主要部位就是圆环膜片。凹面向心和凹面背心的两个半圆弧（从轴向剖面图上来看，它称作波峰和波谷）刚性大，它与圆环膜片相比，变形极小。也就是说，凹面向心和凹面背心的半圆弧的小半径以及连接它们的圆环膜片的内、外半径差，这两个参数与变形有着直接的关系。但由于制造工艺上的困难，一定通径的金属波纹管的波纹高度将受到其最大值的限制。这就是说，波峰和波谷半圆弧的小半径及圆环膜片的内、外半径之差这两个值的确定，是以通径大小为基础的。从这个意义上来看，通径大小是影响金属波纹管变形的主要因素。因此，国外通常将金属波纹管的弯曲半径与其通径的大小构成一定的关系式。 像研究梁的变形一样，我们从纯弯曲的情况着手，在假设弯曲状态下的金属波纹管的轴向剖面上取半个波峰宽度和半个波谷宽度作为微量，从其通径和波纹几何形状上去分析。 挠性是金属波纹管的一个重要特性，掌握其弯曲半径的变化规律，是金属波纹管设计、制造、使用过程中的必要条件。 波纹管的弹性 波纹管除了经常用来制作金属软管的本体之外，还经常用来制作管路系统中的补偿器件。利用波纹管在纵向、横向和角方向上的弹性位移，可以顺利地将连接点部分由于温差、振动或安装等原因造成的在位置方面的额定偏差加以补偿。当然，普通金属光滑管要做到这一点是十分困难的，甚至是不可能的。确定波纹管位移弹性范围的工作，主要是研究其纵向刚度和抗弯刚度，因为它们可以直接地反映出波纹管在纵、横两个方向上可能产生的弹性变形的大小。 以图片翘曲理论为基础确定波纹管的纵向刚度 金属波纹管的结构特点说明了它在受到轴向力的作用之后，各部分很容易产生弹性变形。由于波峰半圆弧和波谷半圆弧这两部分的相对变形远远小于圆环膜片部分，因此，可以忽略不计，并把它们视为圆环膜片之间的刚性接点。把波纹管复杂的受力状态简化为圆环膜片单一受力的形式。这样，便可以用圆片翘曲理论为基础，去分析整个波纹管的纵向刚度。 网套的强度 在金属软管的结构设计中，为了提高波纹管的承载能力，避免其遭受机械方面的损伤，必须采取相应的加强和保护措施，对于通径较小的波纹管，多为铠装钢丝网套的结构形式。 钢带锭数一般为大于或等于4的偶数，对于手工编织来讲，只要在这个范围内都是可行的；但对于机械编织来讲，就困难了。国内定型的编织机的锭子数是固定的，而且是不可调的。因此，钢带的锭数最好是根据现有的编织机的锭数来确定。目前，国产的编织机有24锭、36锭、48锭的，已引进的还有64锭的。但是，它们是专门用来编织钢丝网套的，编织出来的是“双花”花纹；而钢带编织最好呈“单花”花纹。对于这类编织机只要稍加改动，就可以用来编织钢带网套。 钢带实际宽度，前面已经讲过，必须小于理论宽度，具体取值依网套对波纹管覆盖面比值的大小而定。 编织角度一般取30~45，在其它参数确定之后，为了保证金属软管一定的承载能力，编织角度还可以适当地减小。从近几年引进设备配套的金属软管看来，国外对编织角的取值，最小的仅仅15。编织角度取值的大小，直接影响着金属软管的性能。若取上限值，有利于发挥它的柔软特性，但不能承受较高的载荷；若取下限值，可使金属软管承受较高的载荷，但不利于发挥它的柔软特性。 网套对波纹管覆盖面的比值一般控制在75~95%范围之内，若取值太大，将压抑了波纹管的柔软特性；若取值太小，将起不到保护波纹管不受磕、碰、磨、撞等机械损伤的作用。它的取值大小也直接影响着金属软管的性能，意义恰恰与编织角度相反，若取上限值，可使金属软管承受较高的载荷，但不利于发挥它的柔软特性；若取下限值，有利于发挥它的柔软特性，但不能承受较高的载荷。 如上所述，任何一个参数的变化，都可能从某一方面改变金属软管的性能。所以，在确定钢带网套编织参数时，必须根据金属软管的具体要求来综合考虑。 波纹管的稳定性 波纹管在轴向受到超过它所能支撑的压力时，将会象受压杆件或圆柱螺旋弹簧那样，突然弯曲而失去直线形态的稳定性。这是必然的。如果波纹管承受的内压也超过它所能支撑的一定的压力值，也会产生失稳。实验证明，工程上波纹管的破坏，多数是由于这个原因产生的。无论是弹性密封件、轴向伸缩补偿器、金属软管，都存在这样的问题。 这就是说，波纹管承受内压的能力一般取决于它的稳定性。研究波纹管的稳定性，可以引用人们熟知的欧拉压杆公式计算其临界载荷。 因为波纹几何尺寸，材料厚度等方面的加工偏差，往往使波纹管轴线偏离了原有的对称轴。也就是说，实际波纹管的轴线存在某些初始弯度。对于金属软管来讲，网套编织的不均匀性和各部分强度的不一致性，也限制了波纹管的承载能力。 因为临界载荷公式中的抗弯刚度值的确定是将波纹管的波峰（谷）半圆弧当作膜片刚性联接点来考虑，它本身就高于实际抗弯刚度值。 波纹管的应力与寿命 波纹管复杂的几何形状使得用数学方法表示其受力状态非常困难。尽管如此，这一工作还非做不可。虽然按理论计算得不到十分精确的结果，但人们可以通过实验方法寻得一些经验数据来修正它。因此，各式各样的计算方法随着其实验方法的不同而不相同。苏联的T。BNXMAH法；荷兰的STAMICARBO法；西德的AD法；美国的M。W。KELLOGG公式；日本的东洋公式和滨田一竹园公式等，它们都曾经或正在为人们所利用。在我国，关于波纹管应力与寿命方面的理论还没有系统化。为了进行深入地研究，下面，向大家推荐东洋公式和凯洛格（KELLOGG）公式的联用法。 液压特性 用作金属软管本体的波纹管与光壁管不同，其波浪形的内腔在工作状态下为克服液压阻力将产生压力损失，同时，还将激发压力脉动现象。它们与波纹管的几何形状、液体的流量、流速等参数有着直接的关系。 压力损失 对以实验方法获得的波纹管压力损失和光壁管的压力损失曲线进行比较后，可以清楚地看到，波纹管内的压力损失比光壁管内的压力损失要高得多。在其它条件相同的情况下，压力损失与波纹管阻力系数的明显增加有关，而波纹管的液压阻力与波纹管波形有关，不同的波纹形状构成不同的内表面，这些不同的内表面特征可以用相对波纹度和几何系数来描绘。 随着相对波纹度的增加，压力损失也增加；随着几何系数的增加，压力损失则减小。在波纹管通径给定的情况下，相对波纹度越大，意味着波纹越高；几何系数越小，意味着波距越大。这样，压力损失就必然增加（不包括无限趋近于极限的情况）。当然，实际使用过程中，总是希望压力损失越小越好。在没有条件改变波纹管波距、波高等结构参数的情况下，要减小液压阻力系数，降低波纹管工作状态下的压力损失，可以设法将波纹管波形制成“S”形或“ ”形。这样，单位长度上的波纹数不变，内腔近似光壁管，压力损失自然相对减小一些。 双层比单层的工作性能好。这说明，金属软管振动破坏与光壁摩擦时振动能的输出有关。这种振动是在激励脉动频率与固有频率重合时发生的。要消除共振，必须限制液体流动的速度，改变纵向刚度或对振动采取更有效的阻尼。 金属软管的振动破坏在很大程度上与脉动压力的振动幅值有关。 随着振动幅值的增加，破坏金属软管所需的循环次数逐渐减少。振动幅值增加，工作能力下降。(end)

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