關(guān)于波紋管設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

金屬波紋管設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是板殼理論、材料力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等。波紋管設(shè)計(jì)的參數(shù)較多，由于波紋管在系統(tǒng)中的用途不同，其設(shè)計(jì)計(jì)算的重點(diǎn)也不一樣。例如，波紋管用于力平衡元件，要求波紋管在工作范圍內(nèi)其有效面積不變或變化很小，用于測量元件，要求波紋管的彈性特性是線性的；用于真空開關(guān)管作真空密封件，要求波紋管的真空密封性、軸向位移量和疲勞壽命；用于閥門作密封件，要求波紋管應(yīng)具有一定的耐壓力、耐腐蝕、耐溫度、工作位移和疲勞壽命。根據(jù)波紋管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以把波紋管當(dāng)作圓環(huán)殼、扁錐殼或圓環(huán)板所組成。設(shè)計(jì)計(jì)算波紋管也就是設(shè)計(jì)計(jì)算圓外殼、扁錐殼或團(tuán)環(huán)板。

計(jì)算的參數(shù)為剛度、應(yīng)力、有效面積、失穩(wěn)、允許位移、耐壓力和使用壽命。

耐壓力

耐壓力是波紋管性能的一個(gè)重要參數(shù)。波紋管在常溫時(shí)，波形上不發(fā)生塑性變形所能承受的靜壓力，即為波紋管的大耐壓力在一般情況下，波紋管是在一定的壓力（內(nèi)壓或外壓）下工作的，所以它在整個(gè)工作過程中必須承受這個(gè)壓力而不產(chǎn)生塑性變形。

波紋管的耐壓力實(shí)際上屬于波紋管的強(qiáng)度范疇。計(jì)算的關(guān)鍵是應(yīng)力分析，也就是分析波紋管管壁上的應(yīng)力只要波紋管管壁上大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力不超過材料的屈服強(qiáng)度，波紋管所受的壓力就不會(huì)達(dá)到其耐壓力。

同一波紋管在其它工作條件相同時(shí)，受外壓比受內(nèi)壓時(shí)的穩(wěn)定性要好，所以，受外壓作用時(shí)的大耐壓力比受內(nèi)壓時(shí)高。

當(dāng)波紋管兩端固定，如果在其內(nèi)腔通入足夠大的壓力時(shí)，波紋管波峰處有可能爆破損壞。波紋管開始出現(xiàn)爆破時(shí)波紋管內(nèi)部的壓力值稱為爆破壓力。爆破壓力是表征波紋管大耐壓強(qiáng)度的參數(shù)。波紋管在整個(gè)工作過程中，其工作壓力遠(yuǎn)小于爆破壓力，否則波紋管將破裂損壞。

當(dāng)波紋長度小于或等于外徑時(shí)，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際爆破壓力很接近；對細(xì)長型波紋管其實(shí)際爆破壓力要低很多。爆破壓力大約為允許工作壓力的3~10倍。

穩(wěn)定性

當(dāng)波紋管兩端都受到限制時(shí)，如果波紋管內(nèi)壓力增大至某一臨界值，波紋管就會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

允許位移

對于工作在壓縮狀態(tài)的波紋管，它的大壓縮位移是：波紋管在壓力作用下，壓縮到波紋之間相互彼此接觸時(shí)所能產(chǎn)生的大位移值，也稱為結(jié)構(gòu)允許大位移，它等于波紋管自由長度與大壓縮長度之差。

波紋管不產(chǎn)生塑性變形情況下所能獲得的大位移稱為波紋管的允許位移。

波紋管在實(shí)際工作過程中會(huì)產(chǎn)生殘余變形，殘余變形又稱永久變形或塑性變形，波紋管在力或壓力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)力或壓力卸除后，波紋管不恢復(fù)原始狀態(tài)的現(xiàn)象稱殘余變形，殘余變形通常用波紋管不恢復(fù)原始位置的量來表示又稱零位偏移。

波紋管位移與零位偏移之間的關(guān)系，無論拉伸還是壓縮位移，在波紋管位移的起始階段，它的殘余變形量都很小，一般都小于波紋管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的允許零位偏移值。但是，當(dāng)拉伸（或壓縮）位移量逐漸增大到超過一定的位移值后，會(huì)引起零位偏移值的突然增大，這表示波紋管產(chǎn)生比較大的殘余變形，在這之后．如果再增大一點(diǎn)位移量，殘余變形將顯著增加。所以波紋管一般不應(yīng)超過這個(gè)位移量，不然將會(huì)嚴(yán)重的降低其精度、穩(wěn)定性和可靠性以及使用壽命。

波紋管在壓縮狀態(tài)下工作時(shí)的允許壓縮位移量比工作在拉伸狀態(tài)下的允許拉伸位移量要大一些，所以在設(shè)計(jì)波紋管時(shí)應(yīng)盡可能讓波紋管在壓縮狀態(tài)下工作。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一般情況下，同一材料、同一規(guī)格的波紋管，其允許的壓縮位移是允許的拉伸位移的1.5倍。

允許位移與波紋管的幾何尺寸參數(shù)及材料性能有關(guān)。一般情況下，波紋管的允許位移大小與材料的屈服強(qiáng)度及外徑的平方成正比，而與材料的彈性模量、波紋管的壁厚成反比。同時(shí)，相對波深、波厚對它也有一定影響。

壽命

波紋管的壽命是在工作條件下使用時(shí)，能保證正常工作的短工作期限或循環(huán)次數(shù)。用波紋管組成的彈性密封系統(tǒng)，經(jīng)常在承受較多循環(huán)次數(shù)的變動(dòng)載荷和較大位移的條件下工作，因此確定波紋管的使用壽命，具有重要意義。因?yàn)椴y管的作用不同，對其使用壽命的要求也不一樣。

（1）波紋管用來補(bǔ)償管路系統(tǒng)中因安裝造成的位置偏差時(shí)，對其壽命要求只有幾次就夠了。

（2）波紋管用于開關(guān)頻率較高的恒溫控制器中，其壽命要達(dá)到10000次才能滿足使用要求。

（3）波紋管用于真空開關(guān)作為真空密封件時(shí)，其壽命要達(dá)到30000次才能保證正常工作。

從上面三種使用實(shí)例中可見，由于使用條件不同，波紋管要求的使用壽命相差很大。波紋管壽命與所選用材料的疲勞特性有關(guān)，同時(shí)也取決于成形波紋管的殘余應(yīng)力的大小、應(yīng)力集中的情況和波紋管的表面質(zhì)量等。此外，使用壽命與波紋管的工作條件有關(guān)。例如：波紋管工作時(shí)的位移、壓力、溫度、工作介質(zhì)、振動(dòng)條件、頻率范圍、沖擊條件等。

波紋管在工作過程中，其壽命長短主要取決于工作過程中產(chǎn)生的大應(yīng)力。為了降低應(yīng)力，一般通過減少波紋管的工作位移和降低工作壓力來實(shí)現(xiàn)。在一般設(shè)計(jì)中規(guī)定波紋管的工作位移應(yīng)小于它的允許位移的一半，它的工作壓力應(yīng)小于波紋管的耐壓力的一半。

對生產(chǎn)的波紋管進(jìn)行試驗(yàn)證明，如果波紋管按上述規(guī)范工作，它的便用壽命基本土可達(dá)到5萬次左右。

根據(jù)工作壓力性質(zhì)的不同，波紋管的允許位移也有所區(qū)別一般波紋管只承受軸向載荷（拉力或壓力）時(shí)，它的允許位移可在波紋管有效長度的10%~40%之間選用；而在波紋管承受橫向集中力、扭轉(zhuǎn)力矩或綜合受力時(shí)，波紋管的允許位移應(yīng)適當(dāng)減小。

應(yīng)用多層波紋管可以降低剛度和變形引起的應(yīng)力，因而可以在很大程度上提高波紋管的壽命。

波紋管在其它情況相同而工作壓力性質(zhì)（恒定或交變載荷）不同的條件下工作時(shí)，其使用壽命將有差別。顯然，在交變載荷下工作時(shí)，波紋管的壽命比恒定載荷下工作時(shí)要短一些。