波纹管受压变形分析

    波纹管端面密封装置在运行状态下,由于受密封腔内被密封介质压力的作用,波纹管的膜片会受压产生挠曲变形,使得波纹管密封设计中的一个重要参数“载荷中径”值产生偏离。尤其是超薄(0·12mm左右)金属膜片波纹管,在密封压力不高的条件下(0·3MPa左右),原来设计的平衡型密封甚至会因受压变形而成为非平衡型。另外,由于边缘焊在一起的相邻两膜片受压变形会产生部分接触,使得波形管变硬,弹性降低,易出现失弹现象。因此,在设计时应充分加以考虑,给出实际受压条件下的变形接触量并进行校核计算。

    1　膜片受介质压力作用下的挠曲面方程

    图1所示为波纹管密封装置中波纹管部分。

    图2所示为其中一膜片。图中膜片弦长为:

    式中—膜片的径向宽度;—膜片的轴向高度。

    将锯齿型波纹管薄膜板简化为沿圆周方向展开的可以拉伸的平面柔性薄膜板,其长度设为l,圆周向为z轴。以外压为例,两焊接相邻膜片由于受压和形状相同以及接触处的相互制约,变形后不再是图3的挠曲面,而应是图4的挠曲面。由于膜片是可以拉伸的薄膜,所以两膜片接触处c点应与x′轴相切,薄膜在z向不变形,挠曲面为acb。设z向每单位长度上的薄膜张力为f,取一宽度为ds的微元面积ds·l,其受力分析图见图5。由静力平衡条件,在y轴方向可得:-flsinθ+flsinθ′+pldx=0,θ,θ′为微元ds两端的薄膜张力f与x轴的夹角(图5)。因为∠θ很小,所以由此可得:

    当x=0时, (φ为焊点b与a连线与x′轴的夹角)

式(1)为薄膜受压后的实际挠曲面方程。

    由边界条件,时,y=0可以确定受外压膜片接触长度C,将条件代入(1)式得:

    膜片张力f可由膜片的变形和刚度系数求得。

    2　薄膜张力f的求解

    取cb曲线上某一微弧长ds,则:

    3　确定膜片受压接触长度C值

    由(2)式代入(4)式便可求解膜片受压接触长度C值。但手工计算繁杂,需用计算机进行计算。下面举例用计算机计算在不用压力下,由于C值的存在和变化所引起的载荷系数K的变化。

    实例:18-8钢超薄正弦波型膜片波纹管,双层焊接,如图6所示,可近似简化成图7所示锯齿形波纹管。

    据有关资料,正弦膜片抗纵弯曲刚度系数:

式中: E—材料弹性膜量;

    A—正弦波幅;

    B—波长;

    I—轴惯性矩,

    d—波纹管平均直径;

    δ—膜片厚度。

    对于双层膜片则刚度系数取W_双=2W。