波纹管的性能指标

刚度

使金属波纹管或其它弹性元件产生单位位移所需要的载荷值称为元件的刚度，一般用“K”表示。如果元件的弹性特性是非线性的，则刚度不再是常数，而是随着载荷的增大发生变化。一般工程用的波纹管类弹性元件，刚度允差可限定在+/-50%之内。波纹管的刚度按照载荷及位移性质不同，分为轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度等。在波纹管的应用中，绝大多数的受力情况是轴向载荷，位移方式为线位移。以下是几种主要的波纹管轴向刚度设计计算方法：

1．能量法计算波纹管刚度

2．经验公式计算波纹管刚度

3．数值法计算波纹管刚度

4．EJMA标准的刚度计算方法

5．日本TOYO计算刚度方法

6．美国KELLOGG（新法）计算刚度方法

除了上述六种刚度计算方法之外，国外还有许多种其它的计算刚度的方法，在此不再介绍。我国的力学工作者在波纹管的理论研究和实验分析方面作了大量工作，取得了丰硕的研究成果。其中主要的研究方法是：

（1）摄动法

（2）数值积分的初参数法

（3）积分方程法

（4）摄动有限单元法

上述方法都可以对波纹管进行比较精确的计算。但是，由于应用了较深的理论和计算数学的方法，工程上应用有一定的困难，也难于掌握，需要进一步普及推广。

金属波纹管与螺旋弹簧联用时的刚度计算

在使用过程中，对刚度要求较大，而金属波纹管本身刚度又较小时，可以考虑在波纹管的内腔或外部配置圆柱螺旋弹簧。这样不仅可以提高整个弹性系统的刚度，而且迟滞引起的误差也可以大为减小。这种弹性系统的弹性性能主要取决于弹簧的特性和波纹管有效面积的稳定性。

波纹管的弯曲刚度

波纹管的应力计算

金属波纹管作为弹性密封零件，首先要满足强度条件，即其应力不超过给定条件下的许用应力。许用应力可由极限应力除以安全系数得出。根据波纹管的工作条件和对它的使用要求，极限应力可以是屈服强度，也可以是波纹管失稳时的临界应力，或者是疲劳强度等。要计算波纹管大工作应力必须分析波纹管管壁中的应力分布。

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高于耐内压能力。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，难以保证使用上的安全可靠，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。应用比较普遍的方法有如下两种：

1．数值法计算波纹管应力

假定波纹管的全部波纹都处于同一条件下，在计算时只研究波纹管波纹的单个半波。这样，在研究中就不考虑端部波纹，虽然端部波纹的边界条件与中间波纹有所不同。数值法是根据E．列斯涅尔对于变壁厚回转薄壳产生轴向对称变形时所列的非线性方程来解的。在推导E．列斯涅尔方程时，应用了薄壳理论的一般假定，其中包括：与环壳曲率主半径相比厚度很小的假定；材料的均一性和各向同性的假定。采用上述假定也会给计算带来一定的误差。因为在制造波纹管时，管坯的轧制，拉深和随后的波纹塑性成形会造成材料力学性能上的各向异性和不均匀性。

2．美国EJMA应力计算方法

波纹管的有效面积计算

有效面积是波纹管的基本性能参数之一，它表征波纹管将压力转换为集中力的能力，在利用波纹管把压力变成集中力输出的场合，有效面积就是一个重要参数。

波纹管用于力平衡式仪表时，其有效面积的稳定性会直接影响着仪表的精度。所以在这种场合不但要求波纹管具有合理的有效面积，而且还要求有效面积在工作过程中不随工作条件而变化。

1．有效面积的概念和有效面积的变化

有效面积是一个等效的面积，压力作用在这个面积上将产生相等的轴向力。一般情况下，随着内压力的增大，波纹管有效面积变小，面随外压力的增加，有效面积变大。

2．波纹管的体积有效面积

波纹管在外力或压差作用下，其体积变化量与相应的有效长度的变化量之比值称为体积有效面积。

3．波纹管有效面积的计算

对波纹管有效面积提出的要求及其计算方法取决于波纹管的用途。如果波纹管用作弹性密封件或管路热补偿时，有效面积的意义仅在于用来计算波纹管成形时的轴向力和使用系统中的推力。波纹管的有效面积计算值与实测值之间急有一些差别。一般情况下用专用公式计算波纹管的有效面积，是可以满足需要的。

当波纹管用于力平衡仪表和需要将压力转换为力的场台，应准确确定其有效面积，要求逐个进行测量。

灵敏度

金属波纹管及其它弹性元件承受单位载荷时所产件的位侈量称为元件的灵敏度。刚度和灵敏度是波纹管及其它弹性元件的主要功能参数，但它们又是同一使用特性的两种不同的表示方法。对于不同的场合，为便于分析问题，可采用其中任何一种参数。

有效面积

对于实现压力一力或力一压力转换的弹性元件，还有一个重要的功能指标是有效面积。有效面积是指弹性元件在单位压力作用下，当其位移为零时所能转换成集中力的大小。

使用寿命

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。元件在循环工作时必须给定许用工作寿命，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。

密封性

密封性是指元件在一定的内、外压差作用下保证不泄漏的性能。波纹管类组件工作时，内腔充有气体或液体介质，并有一定的压力，因此必须保证密封性。密封性的检测方法有气压密封性试验、渗漏试验、液体加压试验、用肥皂水或氦质谱检漏仪检测。

自振频率

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，必须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%。

使用温度

金属波纹管类组件的使用温度范围很宽，一般都在弹性元件设计制造前给出。有些特殊用途的波纹管，内腔通过液氧（-196℃）或更低温度的液氮，耐压高达25MPa。管网系统连接用的大型波纹膨胀节（公称直径有时超过lm），要求承压4MPa，耐温400℃，且有一定的耐腐蚀稳定性。弹性元件的温度适应能力取决于所采用弹性材料的耐温性能。因此根据弹性元件的使用温度范围，选用合适温度性能参数的弹性材料，才能加工制造出合格的波纹管类组件。