金属波纹管的应用与设计计算
金属波纹管的应用与设计计算
弗·泰格金属波纹管公司 王佳
一、概述
波纹管（Bellows）是由一个或多个波纹和端部直管段组成的一种挠性元件。由于波纹管几何形状上的特点，所以在压力、轴向力、径向力（或弯矩）作用下，能产生相应的位移、因此它在许多技术领域中得到广泛应用。波纹管的规格大小不一，通径小到几毫米，大到几十米，波纹数也从几个波到几十、几百个波，层数又有单层、双层、多层之分。一般说，波纹管的最佳适用温度为-194℃~＋400 ℃。在仪器仪表、真空行业，在机械、冶金、橡胶、石油化工、机车、电力、造船、核能、制冷、管道工程等各个工业部门都可见到它。本文将简要介绍波纹管的类型、计算、成形方法，以及应用等各个方面。以便让更多人、更多的领域了解并应用它。
二、波纹管类型
波纹管按形状分类约有8种，见图1。
U型：适用于一般用途，为最通用的一种。
半圆型：也叫做C型，这类波纹管在液压成形后未经整形，或稍加整形，因此它的刚度较大，适用于高压场合。
S型：适用于一般用途。
焊或的膜片：具有尺寸精度高、灵敏度高、线性好、位移大、稳定可靠等特点，可以缩小机构尺寸减轻整机重量。
Ω型：适用于压力很高的场合。
多层：这类波纹管强度高、耐久性好，内应力较小。
加强环型：各种带加强环的波纹管主要适用于压力非常高的装置中。
折边盘型：属于特殊的波纹管，应用较少。
三、波纹管的成形方法
波纹管是由无缝薄壁管威纵向焊接的薄壁圆筒加工成形，可以制成单层，也可由两层或两层以上的圆筒套在一起同时成形。比较常用的有以下几种方法。
方法之一为液压成形法：
将圆筒放入液压机或波纹管成形机内，在圆筒内充入油或水并加压，而在圆筒外部放置模具，同时增大压力和减小模具间的距离，圆筒就沿周向膨胀并靠紧模具而成形。
方法之二为弹性模成形法：
将圆筒套在一个装有橡胶环的芯轴上，作用在芯轴上的轴向力使橡胶环向外挤，在卸除轴向力后，再对已膨胀的圆筒进行压缩并用装在圆筒外的波形轮廓模具来完成其最终的波形。波是一次一个波地成形，成形波推出时，圆筒部分即自由地拉入，以减少材料的减薄量。
方法之三为机械液压成形：
将圆筒置于成形机内，在圆筒内外侧都有成形轮，用成形轮所施加的压力使、各波逐个成形或一次全部成形。
由于制造高精度的薄壁管十分困难，因此在制造焊接波纹管时，坯料是单个冲好的环形膜片，用等离子焊逐片焊接成的。
四、波纹管的材料
制造波纹管的材料，主要有黄铜、锡青铜、铍青铜、不锈钢等。仪器仪表、阀门上用的规格较小的波纹管可用上述各种材料制造，而大规格的波纹管，比如管道工程、机车、船舶使用的以及焊接波纹管均用奥氏体不锈钢制成。比较常用的材料为1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、0Cr17N13 Mo2Ti等。这些奥氏体不锈钢机械性能好，耐腐蚀、耐热性能好，满足波纹管的加工和使用要求，是制造波纹管的良好材料。
五、波纹管的设计计算
波纹管由于材料、材料厚度、标准直径、波高、压力以及温度的许多变化，所以没有通用的计算方法。仪器仪表所用的波纹管一般采用数值法，这种方法主要借鉴于苏联安德烈娃所采用的方法。而其它领域所用的波纹管计算方法较多。过去我国比较多地采用维哈曼（BNXMAH）法，但此种方法没有考虑内压产生的轴向弯曲应力及位移产生的应力二者合应力的影响、限制了它的应用范围。近年来采用凯洛格（Kellogg）法和东洋（ToYo）法。这两种方法同维哈曼法一样，只考虑了部分类型应力的影响，没有考虑稳定、振动问题。目前，美国膨胀节制造协会标准的计算方法（简称EJMA法）越来越引起人们的重视。此法在对强度进行全面分析的基础上，进一步明确了各类型的应力的评定标准，并且还考虑了刚度疲劳、振动等问题，在国际上被广泛采用。
1、波纹管常用的参数：
（1）最大压缩长度：在外力作用下，波纹管压缩到波纹之间彼此互相紧密接触时的长度。
（2）最大压缩位移：波纹管压缩到波纹之间互相紧密接触时所能产生的最大位移。
（3）耐压力：波纹管在保持稳定状态或产生永久变形条件下，能承受的最大静压力。
（4）工作压力：指在整个工作过程中，承受的最大压力。
（5）有效面积：有效面积可决定在压力作用时端部产生集中力的大小。
（6）刚度：刚度是与灵敏度互为倒数，即灵敏度大，刚度小，灵敏度小，刚度大。
（7）稳定性：波纹管在外力作用下，抵抗引起局部失效或总体失稳的能力。
（8）寿命：波纹管能保持误差在允许范围内正常工作的最短期限。
由于U形波纹管的应用比较广泛，本文根据EJMA法，介绍几个主要的计算公式。
2、波纹管的应力及寿命计算
六、波纹管的应用
波纹管的工作方式多种多样、在外压或内压作用下产生位移，在两端不动的情况下承受压力共传给支承，随后在更高的压力下工作。因此它能完成多种功能。
通径较小的波纹管常常在压力计、压力表或温度计以及气动调节转置中作为压力敏感元件使用。又由于波纹管能产生相当大的力输出，因此它又能作为力平衡式仪表中的传感元件。在各种仪表中，它又常常用作液体热膨胀的补偿器，这是因为波纹管具有较大的柔顺性，且能大大改变其自身容积的缘故。
由于波纹管的轴向刚度和弯曲刚度都可以做得很小，所以它很适合作力介质隔离器，也能作为轴向位移和角位移的弹性输出接头。
目前应用最广泛的是U形波纹管与法兰或端管、拉杆、内套筒、外套筒、饺链板等各种附件组成的行种型式的波纹膨胀节，如普通式膨胀节、万能式膨胀节、饺链式膨胀节万向接头式膨胀节、压力平衡式膨胀节弃等。这主要用来作管道热膨胀的体积补偿器和远距离传输液压的元件，例如煤气管道、供热管网、石油管道以及各种气体输送管道等、在很多场合，波纹管必须在振动的条件下工作。比如航空工业和造船工业，用波纹管来及收真空泵、压缩机、柴油机等的振动。近年来还发展到用波纹暂作为机车消音器的元件，它主要利用被纹管自身的挠性和频率特性。但要注意。务使系统的振动频率与波纹管的自振须率不相重合，以免引起共振，
总之，波纹管用途甚广，可用于各行各业。研究人员和设计师们对波纹管的应用还在不断地研究和开发中。
（编辑 以仁）
《机械制造》1991年第4期