金屬波紋管的應用與設計計算

弗·泰格金屬波紋管公司  王佳

一、概述

波紋管（Bellows）是由一個或多個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，所以在壓力、軸向力、徑向力（或彎矩）作用下，能產生相應的位移、因此它在許多技術領域中得到廣泛應用。波紋管的規格大小不一，通徑小到幾毫米，大到幾十米，波紋數也從幾個波到幾十、幾百個波，層數又有單層、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，在機械、冶金、橡膠、石油化工、機車、電力、造船、核能、制冷、管道工程等各個工業部門都可見到它。本文將簡要介紹波紋管的類型、計算、成形方法，以及應用等各個方面。以便讓更多人、更多的領域了解并應用它。

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、穩定可靠等特點，可以縮小機構尺寸減輕整機重量。

Ω型：適用于壓力很高的場合。

多層：這類波紋管強度高、耐久性好，內應力較小。

加強環型：各種帶加強環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：

將圓筒放入液壓機或波紋管成形機內，在圓筒內充入油或水并加壓，而在圓筒外部放置模具，同時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：

將圓筒套在一個裝有橡膠環的芯軸上，作用在芯軸上的軸向力使橡膠環向外擠，在卸除軸向力后，再對已膨脹的圓筒進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。波是一次一個波地成形，成形波推出時，圓筒部分即自由地拉入，以減少材料的減薄量。

方法之三為機械液壓成形：

將圓筒置于成形機內，在圓筒內外側都有成形輪，用成形輪所施加的壓力使、各波逐個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，坯料是單個沖好的環形膜片，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、閥門上用的規格較小的波紋管可用上述各種材料制造，而大規格的波紋管，比如管道工程、機車、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、波紋管的設計計算

波紋管由于材料、材料厚度、標準直徑、波高、壓力以及溫度的許多變化，所以沒有通用的計算方法。儀器儀表所用的波紋管一般采用數值法，這種方法主要借鑒于蘇聯安德烈娃所采用的方法。而其它領域所用的波紋管計算方法較多。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壓產生的軸向彎曲應力及位移產生的應力二者合應力的影響、限制了它的應用范圍。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力的影響，沒有考慮穩定、振動問題。目前，美國膨脹節制造協會標準的計算方法（簡稱EJMA法）越來越引起人們的重視。此法在對強度進行全面分析的基礎上，進一步明確了各類型的應力的評定標準，并且還考慮了剛度疲勞、振動等問題，在國際上被廣泛采用。

1、波紋管常用的參數：

（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所能產生的最大位移。

（3）耐壓力：波紋管在保持穩定狀態或產生永久變形條件下，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端部產生集中力的大小。

（6）剛度：剛度是與靈敏度互為倒數，即靈敏度大，剛度小，靈敏度小，剛度大。

（7）穩定性：波紋管在外力作用下，抵抗引起局部失效或總體失穩的能力。

（8）壽命：波紋管能保持誤差在允許范圍內正常工作的最短期限。

由于U形波紋管的應用比較廣泛，本文根據EJMA法，介紹幾個主要的計算公式。

2、波紋管的應力及壽命計算

六、波紋管的應用

波紋管的工作方式多種多樣、在外壓或內壓作用下產生位移，在兩端不動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、壓力表或溫度計以及氣動調節轉置中作為壓力敏感元件使用。又由于波紋管能產生相當大的力輸出，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償器，這是因為波紋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。

目前應用最廣泛的是U形波紋管與法蘭或端管、拉桿、內套筒、外套筒、餃鏈板等各種附件組成的行種型式的波紋膨脹節，如普通式膨脹節、萬能式膨脹節、餃鏈式膨脹節萬向接頭式膨脹節、壓力平衡式膨脹節棄等。這主要用來作管道熱膨脹的體積補償器和遠距離傳輸液壓的元件，例如煤氣管道、供熱管網、石油管道以及各種氣體輸送管道等、在很多場合，波紋管必須在振動的條件下工作。比如航空工業和造船工業，用波紋管來及收真空泵、壓縮機、柴油機等的振動。近年來還發展到用波紋暫作為機車消音器的元件，它主要利用被紋管自身的撓性和頻率特性。但要注意。務使系統的振動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。研究人員和設計師們對波紋管的應用還在不斷地研究和開發中。

（編輯  以仁）

《機械制造》1991年第4期