金屬波紋管的應(yīng)用與設(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)的位移、因此它在許多技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。波紋管的規(guī)格大小不一，通徑小到幾毫米，大到幾十米，波紋數(shù)也從幾個(gè)波到幾十、幾百個(gè)波，層數(shù)又有單層、雙層、多層之分。一般說，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(jī)械、冶金、橡膠、石油化工、機(jī)車、電力、造船、核能、制冷、管道工程等各個(gè)工業(yè)部門都可見到它。本文將簡要介紹波紋管的類型、計(jì)算、成形方法，以及應(yīng)用等各個(gè)方面。以便讓更多人、更多的領(lǐng)域了解并應(yīng)用它。

二、波紋管類型

波紋管按形狀分類約有8種，見圖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、線性好、位移大、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可以縮小機(jī)構(gòu)尺寸減輕整機(jī)重量。

Ω型：適用于壓力很高的場合。

多層：這類波紋管強(qiáng)度高、耐久性好，內(nèi)應(yīng)力較小。

加強(qiáng)環(huán)型：各種帶加強(qiáng)環(huán)的波紋管主要適用于壓力非常高的裝置中。

折邊盤型：屬于特殊的波紋管，應(yīng)用較少。

三、波紋管的成形方法

波紋管是由無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(jī)或波紋管成形機(jī)內(nèi)，在圓筒內(nèi)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(duì)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(jī)械液壓成形：

將圓筒置于成形機(jī)內(nèi)，在圓筒內(nèi)外側(cè)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、閥門上用的規(guī)格較小的波紋管可用上述各種材料制造，而大規(guī)格的波紋管，比如管道工程、機(jī)車、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(jī)械性能好，耐腐蝕、耐熱性能好，滿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(shè)計(jì)計(jì)算

波紋管由于材料、材料厚度、標(biāo)準(zhǔn)直徑、波高、壓力以及溫度的許多變化，所以沒有通用的計(jì)算方法。儀器儀表所用的波紋管一般采用數(shù)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(jì)算方法較多。過去我國比較多地采用維哈曼（BNXMAH）法，但此種方法沒有考慮內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向彎曲應(yīng)力及位移產(chǎn)生的應(yīng)力二者合應(yīng)力的影響、限制了它的應(yīng)用范圍。近年來采用凱洛格（Kellogg）法和東洋（ToYo）法。這兩種方法同維哈曼法一樣，只考慮了部分類型應(yīng)力的影響，沒有考慮穩(wěn)定、振動(dòng)問題。目前，美國膨脹節(jié)制造協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法（簡稱EJMA法）越來越引起人們的重視。此法在對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了各類型的應(yīng)力的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，并且還考慮了剛度疲勞、振動(dòng)等問題，在國際上被廣泛采用。

1、波紋管常用的參數(shù)：

（1）最大壓縮長度：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(wěn)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(shù)，即靈敏度大，剛度小，靈敏度小，剛度大。

（7）穩(wěn)定性：波紋管在外力作用下，抵抗引起局部失效或總體失穩(wěn)的能力。

（8）壽命：波紋管能保持誤差在允許范圍內(nèi)正常工作的最短期限。

由于U形波紋管的應(yīng)用比較廣泛，本文根據(jù)EJMA法，介紹幾個(gè)主要的計(jì)算公式。

2、波紋管的應(yīng)力及壽命計(jì)算

六、波紋管的應(yīng)用

波紋管的工作方式多種多樣、在外壓或內(nèi)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(jì)、壓力表或溫度計(jì)以及氣動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)置中作為壓力敏感元件使用。又由于波紋管能產(chǎn)生相當(dāng)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(bǔ)償器，這是因?yàn)椴y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(yīng)用最廣泛的是U形波紋管與法蘭或端管、拉桿、內(nèi)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(jié)，如普通式膨脹節(jié)、萬能式膨脹節(jié)、餃鏈?zhǔn)脚蛎浌?jié)萬向接頭式膨脹節(jié)、壓力平衡式膨脹節(jié)棄等。這主要用來作管道熱膨脹的體積補(bǔ)償器和遠(yuǎn)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)，用波紋管來及收真空泵、壓縮機(jī)、柴油機(jī)等的振動(dòng)。近年來還發(fā)展到用波紋暫作為機(jī)車消音器的元件，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(tǒng)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(shè)計(jì)師們對(duì)波紋管的應(yīng)用還在不斷地研究和開發(fā)中。

（編輯  以仁）

《機(jī)械制造》1991年第4期