Жорсткість: навантаження, необхідне для створення одиничного переміщення в металевому сильфоні або іншому пружному елементі, називається жорсткістю елемента, зазвичай позначається «K». Якщо пружні характеристики елемента нелінійні, то жорсткість перестає бути постійною, а змінюється зі збільшенням навантаження. Для пружних елементів сильфонного-типу, що використовуються в загальному машинобудуванні, допуск на жорсткість обмежений +/- 50%. Жорсткість сильфона класифікується на осьову жорсткість, жорсткість на вигин і жорсткість на кручення відповідно до характеру навантаження та переміщення. У сильфонних системах переважна більшість навантажень є осьовими, а переміщення є лінійними. Нижче наведені деякі з основних методів розрахунку осьової жорсткості сильфона:
1. Енергетичний метод розрахунку жорсткості сильфона
2. Емпірична формула для розрахунку жорсткості сильфона
3. Чисельний метод розрахунку жорсткості сильфона
4. Стандартний метод розрахунку жорсткості EJMA
5. Японський метод розрахунку жорсткості TOYO
6. Американський метод розрахунку жорсткості KELLOGG (новий метод).
Окрім вищезгаданих шести методів розрахунку жорсткості, існує багато інших методів розрахунку жорсткості за кордоном, які не будуть представлені тут. Китайські дослідники-механіки провели масштабні дослідження та експериментальний аналіз сильфонів, досягнувши плідних результатів. До найважливіших методів дослідження відносяться:
(1) Метод збурень
(2) Метод чисельного інтегрування початкового параметра
(3) Метод інтегральних рівнянь
(4) Збурений метод скінченних елементів. Всі ці методи дозволяють забезпечити відносно точні розрахунки сильфона. Однак через застосування передової теоретичної та обчислювальної математики їх інженерне застосування є дещо складним, їх важко освоїти, вимагаючи подальшої популяризації та просування.
Розрахунок жорсткості, коли металеві сильфони використовуються в поєднанні зі спіральними пружинами
Якщо під час використання потрібна висока жорсткість, але жорсткість самого металевого сильфона відносно низька, циліндричну гвинтову пружину можна розмістити всередині або зовні сильфона. Це не тільки покращує жорсткість усієї пружної системи, але й значно зменшує похибку, спричинену гістерезисом. Пружні характеристики цієї системи в основному залежать від характеристик пружини та стабільності ефективної площі сильфона.
Жорсткість сильфона на вигин
Розрахунок напруги сильфона
Як еластичний ущільнювальний компонент, металевий сильфон повинен перш за все відповідати вимогам міцності, тобто його максимальна напруга не перевищує допустиму напругу за даних умов. Допустима напруга може бути отримана шляхом ділення граничного напруження на коефіцієнт міцності. Залежно від умов роботи сильфона та вимог до використання, граничне напруження може бути межею текучості, критичним напруженням, при якому сильфон стає нестабільним, або втомною міцністю тощо. Розрахунок максимального робочого напруження сильфона вимагає аналізу розподілу напруги в стінці сильфона.
Напруга в сильфоні створюється тиском у системі та деформацією сильфона. Тиск створює окружну напругу на сильфоні, тоді як радіальна мембрана та напруга згину генеруються на бічних стінках, западинах і гребнях хвилі. Тонкі оболонки, які не можуть протистояти вигину, іноді називають мембранами, а напруга, розрахована без урахування вигину, називається мембранною напругою. Радіальна мембранна напруга та напруга вигину виникають, коли сильфон деформується. Коли сильфони працюють, деякі витримують внутрішній тиск, а інші – зовнішній. Наприклад, сильфонні компенсатори та металеві шланги здебільшого зазнають внутрішнього тиску, тоді як сильфони, які використовуються для ущільнень штока клапана, зазвичай зазнають зовнішнього тиску. Цей аналіз головним чином зосереджений на напрузі сильфона під внутрішнім тиском. Здатність сильфонів витримувати зовнішній тиск, як правило, вища, ніж їх здатність витримувати внутрішній тиск. З широким застосуванням сильфонів було проведено широкий аналіз, дослідження та експериментальну перевірку напруги сильфонів, що призвело до створення багатьох розрахункових формул, програм і діаграм для інженерного проектування. Однак деякі методи незручні у використанні через їх складні діаграми або програми, тоді як інші роблять надто спрощені або ідеалізовані припущення, що ускладнює гарантію безпечного та надійного використання. Багато методів не були прийняті інженерною спільнотою. Тому лише деякі методи справді відповідають практичним вимогам. Два широко використовувані методи:
Чисельний метод розрахунку напруги сильфона
Цей метод передбачає, що всі сильфони знаходяться в однакових умовах, і під час обчислення вивчається лише одна пів-хвиля сильфона. Таким чином, кінцевий сильфон не розглядається в дослідженні, хоча граничні умови кінцевого сильфона відрізняються від граничних умов середнього сильфона. Чисельний метод базується на E... Розв’язок отримано з нелінійних рівнянь, запропонованих Леснером для аксіально-симетричної деформації тонкостінної оболонки обертання зі змінною товщиною стінки. При виведенні рівнянь Е. Леснера застосовано загальні припущення теорії тонких -оболонок, зокрема: припущення, що товщина дуже мала порівняно з головними радіусами кривизни оболонки; і припущення про однорідність матеріалу та ізотропію. Ці припущення також вносять певні похибки в розрахунки. Це пояснюється тим, що під час виготовлення сильфонів прокатка, витягування та подальше гофропластикове формування заготовки спричиняють анізотропію та не-однорідність механічних властивостей матеріалу.
Метод розрахунку напруги американського EJMA
Розрахунок ефективної площі сильфона
Ефективна площа є одним з основних робочих параметрів сильфона. Він характеризує здатність сильфона перетворювати тиск у зосереджену силу. У програмах, де сильфон використовується для перетворення тиску в зосереджену вихідну силу, ефективна площа є вирішальним параметром.
Коли сильфон використовується в -збалансованих інструментах, стабільність його ефективної площі безпосередньо впливає на точність інструменту. Таким чином, у таких застосуваннях не тільки необхідна розумна ефективна площа, але ефективна площа також повинна залишатися незмінною під час роботи незалежно від умов роботи.
1. Поняття та зміни в ефективній площі
Ефективна площа — це еквівалентна площа, на яку тиск, що діє, створить однакову осьову силу. Як правило, ефективна площа сильфона зменшується зі збільшенням внутрішнього тиску і збільшується зі збільшенням зовнішнього тиску.
2. Ефективна об'ємна площа сильфона
Відношення зміни об'єму сильфона під дією зовнішньої сили або різниці тиску до відповідної зміни ефективної довжини називається його ефективною об'ємною площею.
3. Розрахунок ефективної площі сильфона
Вимоги до та методи розрахунку ефективної площі сильфона залежать від його призначення. Якщо сильфон використовується як еластичне ущільнення або для термокомпенсації трубопроводу, ефективна площа важлива лише для розрахунку осьової сили під час формування сильфона та тяги в системі. Часто існує різниця між розрахованою та виміряною ефективною площею сильфона. Як правило, обчислення ефективної площі за допомогою спеціальної формули достатньо.
Коли сильфони використовуються в інструментах балансування сили та в додатках, які вимагають перетворення тиску в силу, їх ефективна площа повинна бути точно визначена, вимагаючи окремих вимірювань.
Чутливість: переміщення металевого сильфона та інших пружних елементів під дією одиничного навантаження називається чутливістю елемента. Жорсткість і чутливість є основними функціональними параметрами сильфонів та інших пружних елементів, але це два різних способи вираження однієї і тієї ж робочої характеристики. У різних ситуаціях можна використовувати будь-який параметр для полегшення аналізу.
Ефективна площа: для пружних елементів, які здійснюють тиск-силу або силу-перетворення тиску, іншим важливим функціональним показником є ефективна площа. Ефективна площа відноситься до величини зосередженої сили, яку пружний елемент може перетворити, коли його зміщення дорівнює нулю під одиничним тиском.
Термін служби: пружні елементи працюють у двох станах: один працює за певних умов навантаження та переміщення, підтримуючи постійне або мінімально змінне навантаження та зміщення, що називається статичною роботою; інший - коли навантаження і переміщення постійно і циклічно змінюються, і елемент знаходиться в циклічному робочому стані. Через різні робочі стани також відрізняються способи пошкодження або відмови елемента. Пружні чутливі елементи приладу працюють у межах свого діапазону пружності, по суті, у статичному робочому стані, і мають дуже тривалий термін служби, який зазвичай досягає десятків тисяч до сотень тисяч циклів. Компоненти сильфонного-типу, що використовуються в техніці, інколи працюють у діапазоні пружності-пластичності або під змінним навантаженням із терміном служби лише від кількох сотень до тисячі циклів. Якщо компоненти використовуються в циклічній роботі, необхідно вказати допустимий термін служби, включаючи кількість циклів, час і частоту.
Номінальний термін служби пружного елемента - це очікуваний термін служби, визначений під час проектування елемента, який вимагає, щоб елемент не зазнавав втоми, пошкодження або відмови протягом цього періоду.
Ефективність ущільнення: Ефективність ущільнення стосується здатності елемента запобігати витоку за певної різниці внутрішнього та зовнішнього тиску. Компоненти сильфонного-типу працюють із внутрішньою порожниною, заповненою газом або рідким середовищем під тиском, тому має бути гарантована ефективність ущільнення. Методи перевірки ефективності ущільнення включають пневматичні випробування на герметичність, випробування на витік, випробування під тиском рідини та виявлення витоку за допомогою мильної води або гелієвого мас-спектрометра.
Власна частота: пружні елементи, що використовуються в промисловості, часто працюють в середовищах з певним ступенем вібрації. Деякі компоненти використовуються як віброізоляційні деталі та самі знаходяться в умовах вібрації. Для пружних елементів, які використовуються в особливих умовах, важливо запобігти тому, щоб власна частота елемента (особливо основна частота) була близькою до частоти будь-якого джерела вібрації в системі, щоб уникнути резонансу та пошкодження. Компоненти сильфонів широко використовуються в різних сферах. Щоб уникнути пошкодження резонансних поверхонь сильфона, власна частота сильфона має бути нижчою за частоту вібрації системи або принаймні на 50% вищою.
Робоча температура. Діапазон робочих температур металевих сильфонних компонентів широкий і, як правило, визначається перед проектуванням і виготовленням пружного елемента. Деякі сильфони-спеціального призначення мають внутрішні порожнини, які можуть витримувати рідкий кисень (-196 градусів) або навіть нижчі температури, наприклад рідкий азот, із опором тиску до 25 МПа. Великі сильфонні компенсатори (іноді з номінальним діаметром понад 1 м), які використовуються для з’єднань трубопровідної системи, вимагають стійкості до тиску 4 МПа, температурної стійкості 400 градусів і певного ступеня стійкості до корозії. Здатність еластичного елемента до температури залежить від термостійкості використовуваного еластичного матеріалу. Таким чином, вибір еластичного матеріалу з відповідними температурними параметрами на основі діапазону робочих температур пружного елемента є важливим для виробництва кваліфікованих компонентів сильфона.
