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波纹管上的应力是由系统中的压力和波纹管变形所产生的。压力在波纹管上产生环(周向)应力,而在波的侧壁、波谷和波峰处产生径向的薄膜和弯曲应力。不能抗弯的薄壳有时称为薄膜,忽略弯曲而算得的应力则称为薄膜应力。波纹管变形时产生径向薄膜应力和弯曲应力。波纹管在工作时,有的承受内压,有的承受外压,例如波纹膨胀节和金属软管在多数情况下其波纹管承受内压,而用于阀门阀杆密封的波纹管一般情况下承受外压在这里主要分析波纹管承受内压时的应力,波纹管承受外压的能力一般情况下耐内压能力。随着波纹管的广泛应用,人们对波纹管的应力进行大量的分析研究和实验验证工作,提出了许多供工程设计使用的计算公式、计算程序和图表。但是,有的方法由于图表或程序繁复使用不方便,有的方法假设条件不是过于简化就是过于理想,难以使用上的安全可靠,不少方法未能为工程界所接受。因此,真正符合实用要求的方法为数不多。
弹性元件下作时有两种状态;一种是在一定的载荷和位移情况下工作,并保持载荷、位移始终不变或很少变化,称为静态工作;另一种使用情况是载荷和位移不断周期往复交替变化.元件处于循环工作状态。由于工作状态的不同,元件损坏或失效的模式也不同。仪表弹性敏感元件工作在弹性范围内,基本上处于静态工作状态,使用寿命很长,一般达到数万次到数十万次。工程中应用的波纹管类组件,有时工作在弹塑性范围或交变应力状态,寿命只有成百上干次。元件在循环工作时给定许用工作寿命,规定循环次数、时间和频率。
弹性元件的额定寿命是元件设计时定出的预期使用寿命,要求在这段期间内元件不允许出现疲劳、损坏或失效等现象。
在工业中使用的弹性元件,其工作环境往往都有一定程度的振动,有些元件用作隔振部件.本身就处在振动条件下。对于在特殊条件下应用的弹性元件,防止元件的自振频率(特别是基频)与系统中任何一种振动源振频相近,避免发生共振而引起损坏。波纹管类组件在各种领域中得到了广泛的应用,为避免波纹管发生共振面损坏,波纹管的固有频率应低于系统的振动频率,或至少比系统振频高出50%。
金属波纹管及其它弹性元件在正常工作条件下允许使用的大载荷值或满量程值。它通常是预期的设计值,或是对产品原型经过实际检测后再经修定的设计值。具体弹性元件产品在工作中经受瞬间或试验期间允许超过额定载荷而不发生损坏、失效、失稳时的承载能力。对于仪表弹性敏感元件,一般限定超载能力为额定载荷的125%。在工程中使用的波纹管类组件,一般限定在额定载荷的150%。根据工程要求,当要求大的安全系数时,使用的弹性元件规定不允许有任何超载,因此载荷小于或等于额定载荷值。
波纹管的耐压力实际上属于波纹管的强度范畴。计算的关键是应力分析,也就是分析波纹管管壁上的应力只要波纹管管壁上大应力点的应力不超过材料的屈服强度,波纹管所受的压力就不会达到其耐压力。同一波纹管在其它工作条件相同时,受外压比受内压时的稳定性要好,所以,受外压作用时的大耐压力比受内压时高。
当波纹管两端固定,如果在其内腔通入足够大的压力时,波纹管波峰处有可能爆破损坏。波纹管开始出现爆破时波纹管内部的压力值称为爆破压力。爆破压力是表征波纹管大耐压强度的参数。波纹管在整个工作过程中,其工作压力远小于爆破压力,否则波纹管将破裂损坏。
波纹管在压缩状态下工作时的允许压缩位移量比工作在拉伸状态下的允许拉伸位移量要大一些,所以在设计波纹管时应尽可能让波纹管在压缩状态下工作。通过实验发现,在一般情况下,同一材料、同一规格的波纹管,其允许的压缩位移是允许的拉伸位移的1.5倍。
由于使用条件不同,波纹管要求的使用寿命相差很大。波纹管寿命与所选用材料的疲劳特性有关,同时也取决于成形波纹管的残余应力的大小、应力集中的情况和波纹管的表面质量等。此外,使用寿命与波纹管的工作条件有关。例如:波纹管工作时的位移、压力、温度、工作介质、振动条件、频率范围、冲击条件等。
波纹管在工作过程中,其寿命长短主要取决于工作过程中产生的大应力。为了降低应力,一般通过减少波纹管的工作位移和降低工作压力来实现。在一般设计中规定波纹管的工作位移应小于它的允许位移的一半,它的工作压力应小于波纹管的耐压力的一半。
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