（机械工程专业论文）高参数波纹金属软管技术研究.pdf

高参数波纹金属软管技术研究 研究生：陈正标 导师：汤文成 东南大学 摘要 目前国内外，尚没有对波纹金属软管进行系统的、专门的技术研究，导致波纹金属软管技术的发展不 快，特殊应用场合受到限制，为此迫切需要对高参数( 高温、高压、运动场合) 波纹金属软管进行技术研 究。本课题在收集国内外文献的基础上，从设计计算、工艺加工、产品测试、工程应用等几方面进行了系 统性的研究。 本论文从波纹管的性能着手，研究了金属软管的最小弯曲半径、抗弯刚度、轴向刚度，认为金属软管 用波纹管的抗弯刚度比轴向刚度要大得多。提出了金属软管的设计输入，研究了波纹参数的设计；进行了 波纹管应力计算公式的推导和疲劳寿命的估算。根据具体的设计使用条件，应对波纹管的应力进行计算与 校核，如计算值超过材料许用应力，则应对波纹管参数进行调整。 本论文提出了网套平衡角的概念，求出了胶管的网套平衡角为5 4 。4 07 ，提出金属软管网套的编织 角应小于5 4 。4 0 ；研究了网套参数的设计，进行了网套强度计算公式的推导；引入了网套覆盖率的概念， 并对网套覆盖率计算公式进行了推导。 本论文研究了金属软管的加工工艺，分析了不同工艺方法的优劣势，提出了改进的思路和方法，并研 究了金属软管的几种试验方法，指出了不同试验方法的针对性；提出了金属软管的几种典型安装方式，并 指出了安装使用中应注意的技术问题和解决方法；最后介绍了高参数吹氧金属软管的工程实例。 关键词：高参数波纹管金属软管设计制造测试应用 t e c h n ic a ls t u d yo nc o r r u g a t e dh o s ew it hb ig v a l u ep a r a m e t e r s g r a d u a t e ：c h e nz h e n g b i a o s u p e r v i s o r ：t a n gw e n c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a st h ea b s e n to fs y s t e m a ti cr e s e a r c h so nm e t a lc o r r u g a t e dh o s e ，t h em e t a lh o s eisu n d e ra s l o wd e v e l o p m e n ta n diss e l d o mu s e di ns o m es p e c i a ls i t u a t i o n s u n d e rt h isc o n d it i o n ，i t su r g e n t t od os o m er e s e a r c hw o r k so nm e t a lh o s ew i t hh i g hp a r a m e t e r s ( h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ， a n db i gm o v e m e n t ) t h i sp a p ed e s c r i b es o m es t u d i e sw ec o n d u c t e da b o u td e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i o n ， t e c h n i q u e ，t e s t i n go fc o r r u g a t e dh o s e b a s e do nt h er e s e a r c hw o r k so nm i n b e n d i n gr a d i u s ，b e n d i n gs t i f f n e s sa n da x l es t i f f n e s s ， i tw a sc o n c l u d e st h a tt h eb e n d i n gs t i f f n e s si sm u c hb i g g e rt h a nt h ea x l es t i f f n e s s t h ed e s i g n i n p u t ，d e s i g no fw a v ep a r a m e t e r s ，s t r e s sc a l c u l a t i o na n de s t i m a t eo ff a t i g u e1 i f e t i m ea r es t a t e d i nt h i sp a p e r s t r e s sc a l c u l a t i o na n dc h e c k i n gs h o u l db ed o n ea c c o r d i n gt oa na c t u a lo p e r a t i o n s i t u a t i o n ，i ft h ec a l c u l a t e dv a l u ee x c e s s e st h ep e r m i s s i o ns t r e s so f t h em a t e r i a l ，r e l e v e n t a d j u s t m e n ts h o u l db ed o n eo i lh o s ep a r a m e t e r s t h ec o n c e p t i o no fb r a i d i n gb a l a n c ea n g l ei sp o i n t e do u ti nt h ep a p e ra n dt h ev a l u eo ft h e a n g l ew a sc a l c u l a t e dt ob e5 4 。4 07 ，a n dt h el a y i n ga n g l eo fw i r e sw i l lb el e s st h a n 5 4 。4 0 t h ed e s i g no fb r a i d i n gp a r a m e t e r sa n dt h ec a l c u l a t i o no fs t r e n g t ho fb r a i dw e r es t a t e di n t h i sp a p e r a sw e l l ，i nt h i sp a p e r ，s o m eo t h e rs t u d i e sh a v eb e e ns t a t e do i lt e r m so ft e c h n i q u e s ，a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tt e c h n i q u e ，i m p r o v e dm e t h o d s ， s e v e r a lt e s t i n gm e t h o d s ，s e v e r a l t y p i c a li n s t a l l a t i o nm o d e ，a n dt e c h n i c a lp r o b l e m sa n ds o l u t i o n sf o ri n s t a l l a t i o n a tl a s t ，a n a c t u a le n g i n e e r i n gs a m p l eo fh i g hp a r a m e t e ro x y g e ni n j e c t i o nh o s ew a sg i v i n gi nt h ep a p e r k e yw o r d s ：b i gv a l u ep a r a m e t e r s ，c o r r u g a t e dt u b e ，m e t a lh o s e ，d e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，t e s t ， a p p li c a t i o n 符号、变量、缩略语等本论文专用术语的注释表 a 专用术语的注释 管坯t u b u l a rb l a n k 供制造波纹管的有焊缝或无焊缝的金属管材。 波纹管c o r r u g a t e dt u b e 母线呈波纹状的管状壳体。 螺旋形波纹管h e l i c a ll yc o r r u g a t e dt u b e 波纹呈螺旋形的波纹管( 见图1 ) 。 环形波纹管a n n u l a r l yc o r r u g a t e dt u b e 波纹呈闭合圆环状的波纹管( 见图2 ) 。 图1 螺旋形波纹管 图2 环形波纹管 网套b r a i d 波纹管外表面的金属编织物( 见图3 a 、图3 b ) 图3 金属软管的网套 ( a ) 钢丝网套；( b ) 钢带网套 金属软管m e t a lh o s ea s s e m b l y 波纹管、网套和接头的组合( 见图4 ) 或波纹管和接头的组合。 v 图4 金属软管 卜波纹管；2 一网套；3 一接头( 法兰) b 符号的注释 a 网套上单根钢丝( 带) 的横截面积，f l l f l l 2 ； c f 、c 厂- 计算系数； d 波纹管内径，m m ； 队波纹管中径，f i l m ，i x = ( d - + d ) 2 ； d - 波纹管外径，m m ； d n 一软管公称通径，m i l l ； e b t 一设计温度下波纹管材料的弹性模量，m p a ； h 波纹管波高，m m ； k f 波纹管径向弯曲应力放大系数： l 【。软管设计压力放大系数； k i 网套修正系数； l ( z 动态特征安全系数； m 网套股数； m 波纹管层数； n 网套每股根数，n 1 6 ，钢带网套n = i ； n - 波纹管波数； n 波纹管许用波数； p b 软管爆破压力，m p a ： p 。软管实际工作压力，m p a ； p 软管设计压力，m p a ，p 。= k p i ； q 波纹管波距，9 1 1 1 1 ；2 r 软管弯曲半径，m 9 1 ； a 网套编织角，通常在4 5 。 5 5 。之间； 6 广_ 波纹管每层波壁材料的名义壁厚，l l l l l ； 6 广_ 波纹管成型后，每层波壁的有效厚度，r a m ，6p = 6 邛丽 o - 内压引起的波纹管周向薄膜应力，m p a ； o 厂内压引起的波纹管径向薄膜应力，m p a ； o 广内压引起的波纹管径向弯曲应力，m p a ； o - 金属丝( 带) 拉应力计算值，肝a ； o l 设计温度下波纹管材料的许用应力，m p a ； 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：碰墨旌日期：丝堡：颦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：丝盔 导师签名：沏 e l飘到 第一章综述 第一章综述 1 1 波纹金属软管技术研究的历史 自从1 8 5 5 年德国人发明和生产出世界上第一根波纹金属软管以来，经过一百多年的发展，金属软管 以其可靠的密封性、耐压性、耐高低温性、耐腐蚀性以及可挠曲性等诸多性能，广泛应用于航空、航天、 核能、造船以及新型建筑业等工业部门，成为现代管路系统中必不可少的元件。随着现代工业的飞速发展， 金属软管的应用日益广泛，对金属软管的要求也日益提高，必然对金属软管技术的研究越来越深入，金属 软管的发展大致有以下几个阶段： 最初，人们用兽皮缝合成管状的结构，以适应生产斗争之需要。经过了相当长的时期，到7 0 世纪末 叶，荷兰的万德尔盖金兄弟制成了纵向缝合的帆布软管，在当时的消防业务中被广泛采用。后来，随着 橡胶在国际市场上的出现及其硫化工艺的发展，胶管和用金属丝或麻绳等织物铠装的胶管问世了。但是， 工程上一些蒸汽、热风类的高温介质；液氢、液氧、液氦类的低温介质；汽油、煤油、酸、碱等腐蚀性的 介质，若用胶管来输送，当然不行。特别是在高温条件下，它的安全可靠性就更难保证了。 因此，人们渐渐地把注意力集中到金属管方面，金属管的几何形状，使其内外表面产生相应的波纹。 这样，它既具有同胶管一样的挠性；同时又具有耐高温、耐低温、耐老化、耐腐蚀性能。于是，作为金属 软管本体的金属波纹管就这样产生了。 1 8 5 5 年，德国最先发表了制造波纹管的专利。它是利用当时已有的制造首饰的原理来制造波纹管的。 3 0 年以后，法国的e l e v a v a s s e u r 与德国的h w i t z e n m a n n 合作研制新型金属波纹管，于1 8 8 5 年8 月获 得了法国和德国的专利权。这是用截面为s 形的金属带在专用设备上绕制而成的螺旋波纹管，他们用橡胶 带、棉织物或石棉绳填垫在相邻两匝的咬口处，以利于波纹管内腔的密封。 1 8 9 4 年，这类波纹管的结构得到了改进：人们用两根金属带按不同的内径，向相反方向卷绕。这样， 金属带在受力状态下达到相互平衡，克服了自发展开的弊病。 1 9 2 9 年，在波纹管的结构上进行了又一次技术革命，即彻底解决了波纹管由于弯曲时填垫橡胶带或石 棉绳的凹槽发生不均匀变化而丧失密封性能的问题，从而开辟了波纹管发展的广阔前景。人们用钢和铜 锌合金材料制成了整体波纹管，即用无缝的或有焊缝的管材制成的波纹管，它依靠波纹管侧壁的弹性变形 来保持一定的可压缩或可拉伸性，同时保证可靠的密封性。 从2 0 世纪5 0 年代开始，双层、三层、多层的波纹管，特别是极薄壁不锈钢波纹管发展得很快。为了 满足使用要求，人们采用焊接、电铸、机加、液压和机械旋压等各种工艺方法来制造波纹管。公称通径可 达4 0 0 m - - + 5 0 0 m m ，甚至有通径l o m 的巨形波纹管。波纹数最少1 2 个，最多连续可达几百几千甚至几万 个。 从波纹管作为金属软管本体的重要意义来讲，金属波纹管的发展，也就意味着金属软管的发展。 1 2 金属软管技术研究的现状及存在的问题 目前，在工业发达国家，金属软管从设计到生产制造已经实现了标准化与系统化幢。例如：目前德国标 准化、系列化的金属软管己有近1 4 0 种。我国研制和生产金属软管起始于2 0 世纪5 0 年代，但它发展得非常 快，经过不到3 0 年的时间，就走过了其他国家近百年的路程。但是，在世界范围内，金属软管仍属于一门 年轻的工业。1 9 9 4 年中国石油设备工业协会进行了一次国内波纹管失效问题的调查，具体分析了四十起失 效事件，并从失效类型和失效原因两方面进行分析统计h 1 ，从统计数字可以看出我国当前在波纹金属软管 设计和使用方面存在的问题相当多。究其原因，主要是因为目前我国对金属软管的研究还不够深入全面， 不少设计人员对金属软管的结构和力学性能还不十分清楚，在设计和使用时没有统一的国内标准可以参 照。目前我国在进行金属软管的设计时，主体波纹管的设计标准一般参照g b t 1 2 7 7 7 - 1 9 9 9 金属波纹管膨 胀节通用技术条件，这与金属软管用波纹管的受力情况存在一定的差距。而对于金属软管网套钢丝的设 计，更没有统一的标准做依据。因而，如何准确分析和掌握金属软管的力学性能，从而设计出符合工程使 用要求的金属软管，以适应现代工程的迫切需要，成为急需解决的问题。 从二十世纪5 0 年代至今包括美国、英国、俄罗斯、日本、韩国和中国在内的许多国家都在一直进行 东南大学工程硕一卜学位论文 金属软管的研究工作。目前，国内大多生产和研究机构都是从事金属软管的主体部分波纹管的分析 研究工作，而对于网套钢丝的研究涉及较少。对波纹管的研究分析主要采用以下几种方法： 工程近似法：这种方法大多采用直梁或曲梁模型对波纹管进行简化处理，而后应用材料力学的方法给 出一些简单的设计公式和图表以供工程使用。其主要目的是寻求波纹管实用的、简便的设计方法。著名的 美国膨胀节制造商协会标准一e j m a 标准就是以此作为其应力设计的基础旧1 。从现有文献资料来看，工程近 似法在波纹管的设计分析中广泛应用：文献1 研究了u 形波纹管在内压和外压作用下的失稳机理，并给出其 平面失稳临界压力公式；文献陋1 对波纹管在外压作用下的临界破坏压力进行了梁式模型理论计算和实验验 证：文献旧1 用比拟的方法对e j m a 标准未涉及到的波纹管在端部转角和横向位移载荷下的应力作理论和实验 研究等 解析法：把波纹管看成由两个半圆环壳与圆环板组合而成，将其求解问题看成圆环壳与圆环板的求解 问题。利用圆环壳和圆环板的线性理论，把圆环和圆环板的有关方程式代入连接条件，形成一系列的方程， 通过联立求解，得到了u 形波纹管在轴向自由位移与内压下一系列的刚度及最大弯曲应力曲线及公式，并 将其结果作了实验比较u 引。例如：钱伟长从r e i s s n e r - m e i s s n e r 轴对称壳方程出发，提出细环壳的一个一般 解，并利用这个一般解将波纹管单元按下负两个细环壳处理，对其在轴向力和内压作用下的变形和应力分 布进行了系统的计算，给出了环壳一般轴对称问题的精确解。钱伟长还利用解析解与摄动解相结合的方 法，分析了u 形波纹管的大挠度问题u 引 数值分析法：这是伴随着计算机和计算数学的发展而产生的，主要是有限元法、有限差分法、边界元 法和加权余量法等。以计算机为基本手段的有限元法刮的出现，使得古老的固体力学焕发了青春，己成 为工程数值分析的有力工具，它在波纹管力学性能的计算中也得到了广泛应用u 引。有限元法将结构本体 离散成若干单元，认为单元之间只在节点上产生联系，将载荷按照静力等效原则简化至各个节点上，通过 弹性力学的基本方程和能量原理建立起以节点位移为基本未知量的代数方程组，通过求解节点位移，进而 可求解应力和应变。有限元分析以其在解决几何非线性、材料非线性和大变形等非线性问题的独特优势而 被愈来愈多的研究人员所接受。 经查阅有关金属软管的文献，发现对波纹膨胀节的有关技术研究较多，涉及的面也较广，但目前国内 外基本上还没有系统的金属软管的技术研究文献，而主要为零星的、某一方面的、解决单一问题的技术方 案，缺乏全面性和系统性，而对高参数( 高温、高压、运动场合) 金属软管的技术研究几乎是空白。所谓 高参数波纹金属软管是指使用在温度超过2 5 、压力超过1 6 1 4 p a 、运动场合的金属软管。 目前波纹管膨胀节的技术研究较为广泛，随着应用的不断扩大，研究的不断深入，已经形成了自己的 标准规范e 眦，国内也制定了相应的国家标准g b t 1 2 7 7 7 n 7 1 ，基本满足了国内波纹管膨胀节应用的需求。 而金属软管的技术研究则较少，我国虽然也起草了金属软管的国家标准g b t 1 4 5 2 5 ，但此标准没有提出波 纹管、网套、装配技术方面的规范性资料，属产品验收性标准，总体来说对金属软管没有技术指导价值。 本课题将在广泛收集国内外资料的基础上，根据国内外金属软管的技术研究现状，结合相关工程技术， 对高参数金属软管的设计计算、工艺加工、产品测试技术进行研究。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题针对1 2 节所述的技术方面的问题，分以下方面进行研究： 1 、金属软管的设计技术：在收集国内外相关资料的基础上，对波纹管设计计算、网套设计计算技术进行 研究。 2 、金属软管的加工技术：在收集国内外相关资料的基础上，对波纹管成型加工技术、网套编织技术、产 品装配技术进行研究。 3 、金属软管的测试技术：在收集国内外相关资料的基础上，对金属软管的强度试验、气密试验、振动、 脉冲、冲击、弯曲、爆破试验技术进行研究。 4 、金属软管的工程应用：针对金属软管的性能特点，提出金属软管安装使用的注意事项，同时提出了金 属软管的典型工程应用。 2 第二章高参数波纹金属软管的设计 第二章高参数波纹金属软管的设计 目前我国起草了金属软管的国家标准g b t1 4 5 2 5 1 9 9 3 波纹金属软管通用技术条件，该标准是参照 英国标准b s6 5 0 1 p a r t l1 9 8 4 波纹金属软管技术条件和厂商产品样本、结合国内的科研、设计和生产实 践以及用户的使用经验，在广泛征求设计、生产、使用单位意见的基础上编制而成的。该标准包括：( 1 ) 范围；( 2 ) 引用标准：( 3 ) 术语；( 4 ) 产品分类；( 5 ) 技术要求；( 6 ) 试验方法：( 7 ) 检验规则；( 8 ) 标 志、包装、运输、贮存：附录a 高温下的工作压力( 参考件) ：附录b 软管摆动弯曲试验( 参考件) 。该 标准适用于管道工程系统中为补偿位移和安装偏差、吸收振动及降低噪声等采用的波纹金属软管。在该标 准中没有涉及到产品设计的内容，没有提出波纹管、网套、装配技术方面的规范性资料，属验收性标准， 总体来说对高参数金属软管的设计没有指导价值。为此有必要对金属软管进行设计研究，本章分金属软管 的性能、金属软管的设计依据、波纹管的设计与校核、网套的设计与校核等几部分来进行研究。 2 1 金属软管的性能 金属软管设计的可靠性1 ，对使用的影响很大，所以对它们在轴、横两个方向上的刚度、最小弯曲半 径及最大工作压力值等性能方面的重要参数的确定，要经过严格地分析、计算。否则在工程上不但难以达 到保证质量、提高效率、节省资金、保障安全等良好的效果，反而可能会造成重大的损失。在进行金属软 管设计时，应首先讨论并考虑产品的性能，包括挠性、弹性( 轴向及抗弯刚度) 。 2 1 1 波纹管的挠性 金属波纹管与普通金属光滑管相比较具有一定的挠性。当然许多散热片一类的管子，尽管其外表面也 呈波纹形状，但却没有挠性，这是因为它的结构与金属波纹管的结构有着根本不同。最本质的区别是：金 属波纹管在任何截面上、任意两点的壁厚都是相等的( 液压或机械旋压成型过程中的微小变薄量忽略不 计) ：它的波纹是空心波纹。而散热片一类的管子从其轴向剖面上看，波纹部分的壁厚却比其他部分厚的 多，它的波纹是实心的。 众所周知，凡用金属软管的场合，主要是利用波纹管的弹性或挠性。当然，人们决不会用铸铁一类的 脆性材料或硬质状态的管材、带材去制作金属波纹管，故在一般情况下可以忽略材料、状态、壁厚等方面 的既有因素，仅从通径、波纹几何形状方面进行分析。 在实际工程应用上，对各种金属波纹管的最小弯曲半径都有一个起码的要求。人们已经习惯用波纹管 的最小弯曲半径来说明其挠性。 金属波纹管在横向上受到力的作用之后，必然产生弯曲变形，变形的主要部位就是圆环膜片。凹面向 心和凹面背心的两个半圆弧( 从轴向剖面图上来看，它称作波峰和波谷) 刚性大，它与圆环膜片相比，变 形极小。也就是说，凹面向心和凹面背心的半圆弧的小半径以及连接它们的圆环膜片的内、外半径差，这 两个参数与变形有着直接的关系。但由于制造工艺上的困难，一定通径的金属波纹管的波纹高度将受到其 最大值的限制。这就是说，波峰与波谷半圆弧的小半径及圆环膜片的内、外半径之差这两个值的确定，是 以通径大小为基础的。从这个意义上来看，通径大小是影响金属波纹管变形的主要因素。因此国外通常将 金属波纹管的弯曲半径与其通径的大小构成一定的关系式。 像研究梁的变形一样，我们从纯弯曲的情况着手，在假设弯曲状态下的金属波纹管的轴向剖面上取半 个波峰宽度和半个波谷宽度作为微量，从其通径和波纹几何形状上去分析( 见图2 一1 ) 。 常态下的波纹管，从、阴、c c 、叻都是相互平行的。弯曲之后，轴心线g e 变成了挠曲线。由于 挠曲线上方的波谷的半圆弧所受拉应力与其下方波谷的半圆弧所受压应力相等，所以阻依然平行于从。 由于挠曲上方的波峰半圆弧所受的拉应力与其下方波峰的半圆弧所受的压应力相等，所以d d 依然平行 与c c7 。由于圆环膜片的内、外半径差部分产生明显的翘曲变形，所以c7 点与从射线距离有减小到零 的趋势，c 点与a a 射线距离有减小到零的趋势。在极限条件下，挠曲线下方受到最大的拉应力，展开变 形最大；挠曲线下方受到最大的压应力，收缩变形最大；而轴心线虽然挠曲，但它既不伸长，也不缩短。 在图2 - 1 中： a b 、a b 、c i ) 、c d - - r ，r 为波峰半圆弧的内半径：c a 、c b 、c b = h ，h 为圆环膜片内、外 两个半径之差，d 为金属波纹管的通径，6 为金属波纹管的壁厚( 因为在实际使用过程中，壁厚与通径之 3 东南大学工程硕士学位论文 比值非常小，所以作为金属软管用的波纹管，在儿何分析的过程中可将壁厚6 值忽略不计) ；0 c + h + r + d 2 = p ，p 为金属波纹管的最小弯曲半径。 图2 - 1 假设弯曲状态下的波纹管的轴向剖面 因为av - - r ( d 2 + h + r ) ，又因为av = 2 r ( 0 c + d 2 + h + r ) ，所以得到波纹管最小弯曲半径 p = d + 2 ( h + r )( 2 1 ) 在波纹管设计过程中，在金属材料塑性允许的情况之下，为获得较好的弹性、挠性等方面的综合性能， 通常将r h = i ，( 2 r + h ) d = 入z 的值控制在一定的范围之内，即0 l 时，应考虑是否具备波纹 管成型手段。 9 东南人学工程硕士学位论文 2 3 3 波纹管的应力计算 2 3 3 1 内压引起的波纹管周向薄膜应力0 。 由图2 7 可知，当受内压p 作用时，在一个u 形波的轴向截面上的内力与作用在半个环壳上的外力 平衡，得到关系式 4 ( nr + ) 6 0i = q d 2 ol = ( q d p ) 4 ( n r + q ) 5 几何尺寸r 、o 有如下关系： r = q 4 a = h q 2 得到波纹管周向薄膜应力为 0l - ( d p ) 26 ( 0 5 7 1 + 2 h q ) ( 2 1 4 ) d - 穹d b + h 图2 7 波纹管轴向剖面图 2 3 3 2 内压引起的径向薄膜应力0 ： 当波纹管受内压p 作用时。在以d 与d b 为直径的两个环形截面上的内力与轴向外力平衡( 见图2 8 ) ， 得到关系式 ( 叶隗) 5 02 = ( 4 ) ( d 2 一i 2 ) p 因d = d b + 2 h ，代入上式，经整理后得 02 = p h ( 26 ) ( 2 1 5 ) 图2 8 波纹管径向几何尺寸 2 3 3 3 内压引起的径向弯曲应力0 。 在经线为半个u 形环壳上切出单位宽度的窄条( 见图2 - 9 ) ，设两端固定，并受均布压力p 作用，可得 最大弯距为 m = p h 2 1 2 断面系数为 1 0 第二章高参数波纹金属软管的设计 w = 兀阢6 2 6 则径向弯曲应力为 o3 = m w = p h 2 ( 26 - 2 ) 考虑形状尺寸的影响，引进修正系数( e j m a 阳1 法) 得 o 。= p h 2 c p ( 26 - 2 ) 图2 - 9 环壳上的几何尺寸 ( 2 1 0 ) 2 3 3 4 波纹管应力评定 内压引起的波纹管周向薄膜应力o - ，为一次总体薄膜应力，是非自限制性的，应力是维持与内压 的平衡所必须的，具有整体性质，直接关系到波纹管的使用安全幢卜捌，因此将此应力控制在设计温度下 的许用应力值n ，即： ol o ； o2 o ； o3 2 8 5 7 k f o 。 式中：k f 波纹管径向弯曲应力放大系利矧，按表2 4 选取： o l _ 设计温度下波纹管材料的许用应力，按附录b 选取。 表2 4 波纹管径向弯曲应力放大系数 波纹管有无加强环k f 波谷无加强环 1 5 波谷有加强环 1 7 由于金属软管外表面有钢丝或钢带网套的保护，所以波纹管的许用应力可以适当放大，放大系数k 。取 1 1 1 3 ，经过对多种规格软管试验和多年的应用验证，放大系数k 。取值合理。有毒、易燃、易爆的金 属软管的放大系数宜取下限值，一般的通水、通气金属软管可取上限值，其他类型金属软管可根据具体工 况条件，在中间取值。 2 3 3 5 波纹管疲劳寿命的测算 金属软管的疲劳寿命主要取决于波纹管的疲劳寿命。当金属软管需进行弯曲变形或摆动变形时可通 过限制其弯曲半径，将波纹管单波变形量控制在较小量值范围，从而获得较高的疲劳寿命。 环状u 形波的金属软管可参考6 b t1 2 7 7 7 相关条款进行( 由于波数较多，工作时各波变形严重不均等 问题的存在，故宜在计算时适当放大平均单波位移量，否则计算结果的误差过大) 。 当单波变形量小到使波纹管总应力范围引处于2 倍材料屈服极限之内时，可不考虑波纹管的疲劳寿命。 为使高压金属软管获得较高的疲劳寿命，应使其实际工作时的弯曲半径r 符合下列公式： r - 杏) 8 d n 1 5 d n ； r ( 动奎) 1 2 d n 2 5 d n 。 4 把t 幽0 s 口。，面= 厶s 抽代入上式细 风长s 通2 童瓢小。 该式的最大值有 。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 1 2 第二章高参数波纹金属软管的设计 f = 0 8 0 9 5 波纹管通径大于1 0 0 r a m 时， f = 0 7 u 8 5 以波纹管的中径为基准的计算面积( 金属软管承压截面积) 为 s = 万d i n 2 4 则整个金属软管的爆破压力为 p s = f s ，经化简，并引入经验修正系数f 得 j 2 弓= f g n o bo o s l l i ( 2 2 1 ) u m 2 4 3 网套参数的设计 金属软管的网套有钢丝网套和钢带网套，钢丝网套的参数为锭数( 股数) 、根数、钢丝直径及编织角， 钢带网套的参数为锭数( 股数) 、钢带宽度、钢带厚度及编织角，网套参数的设计就是确定以上参数具体 的数值啪1 。 钢丝网套的编织一般采用专用的钢丝编织机，目前国产的编织机有2 4 锭、3 6 锭、4 8 锭、6 4 锭、9 6 锭， 故在设计钢丝网套锭数时，优先采用以上锭数，进而可利用编织机进行网套的编织。对于通径大于d n 3 0 0 的软管，只能采用手工编织了，采用的锭数通常为为1 4 4 ，见表2 5 。 在确定钢带网套编织参数的时候，必须根据具体情况来考虑。钢带锭数一般为大于或等于4 的偶数， 对于手工编织来讲，在这个范围内都是可行的，但对于机械编织来讲就困难了。国内定型的编织机的锭子 数是固定的，而且是不可调的。因此钢带的锭数最好是根据现有的编织机的锭数来确定。 编织机是专门用来编织钢丝网套的，编织出来的网套是“双花”花纹，而钢带编织一般需呈“单花” 花纹，所以钢带的锭数是钢丝编织机锭数的一半。用编织机编织钢带网套前，需对编织锭子进行改造，并 对编织机进行调整，才能编出满意的网套出来。如软管通径较大，则无法用机器编织。只能采用手工编织 了，常用编织锭数见表2 5 。钢带网套一般用在储罐抗震的金属软管上，市场上需求量相对较少，故国内 厂家基本上还采用手工编织钢带网套，随着手工编织技术的不断提高，手工编织出的钢带网套完全能满足 质量要求。 表2 5 常用网套锭数m 软管公称通径由4 由1 5由1 2 由4 0m 4 0 , - - - 巾6 5由5 0 由1 0 0巾1 0 0 - - - - 由3 0 0 3 5 0 钢幺幺2 43 64 86 49 61 4 4 m 钢带按通径和压力可选择1 2 、1 8 、2 4 、3 2 、4 8 、6 4 、7 8 等偶数 注：1 ) 选择m 时应考虑与编织机上的锭数相适应； 2 ) 采用本表m 有困难时，允许另择m 数值。 必须注意的是，在具体进行网套设计时，应优先择用现有网套编织参数，只有当现有网套编织参数无 法满足设计要求时，方进行新网套编织参数的设计。 网套参数的选择首先需满足爆破压力的要求，在满足压力的前提下，尽可能减少根数、钢丝直径或钢 带宽度、钢带厚度，以降低生产成本。另外，我们还应考虑网套对波纹管的覆盖率数值，此数值一般控制 在6 0 , - - - 9 2 范围之间，若取值太大，将压抑了波纹管的柔软特性的发挥；若取值太小，将起不到保护波纹 管不受磕、碰、摩、撞等机械损伤的作用，它的取值大小也直接影响着金属软管的性能。若覆盖率取上限 值，可使金属软管承受较高的载荷，但不利于充分发挥它的柔软特性；若取下限值，有利于发挥它的柔软 特性，但不能承受较高的载荷。 网套编织角一般取3 0 。, - , 5 4 。，在其它参数确定之后，为了保证金属软管一定的承载能力，编织角度 还可以适当地减小。从近几年引进设备配套的金属软管来看，国外产品的编织角取值最小的仅仅2 5 。与 网套覆盖率一样，编织角度取值的大小，直接影响金属软管的性能。若取上限值，有利于发挥它的柔软特 性，但不能承受较高的载荷；若取下限值，可使金属软管承受较高的载荷，但不利于发挥它的柔软特性。 1 3 东南大学工程硕士学位论文 2 4 4 网套的应力计算 2 4 4 1 网套爆破压力p 。的确定 p b - - - p g k ： 式中： p 广_ 软管实际工作压力； k ：动态特性安全系数，表2 6 选取。 表2 6 动态特性安全系数k z 淤兰 无振动振动 静态介质 45 1 0 脉冲介质 6 1 21 6 2 4 4 2 网套设计压力p 。的确定 p 。= k p b 4 式中：p r 软管爆破压力； k r 一设计压力放大系数，按表2 7 选取。 表2 7 软管设计压力放大系数l ( s 软管类别 k 。 毒爆介质软管 1 0 5 1 1 非毒爆介质软管 1 注：1 毒爆介质软管：输送剧毒、强腐蚀、易燃易爆及高压气相介质， 伤害、设备事故或带来严重次生灾害的软管。 2 非毒爆介质软管：输送一般介质，且失效后并不造成人员伤害、 软管。 且其泄漏或爆破将引发严重的人员 设备事故及次生灾害等严重后果的 2 4 4 3 网套的应力校核 以钢丝网套为例，对网套进行应力校核。钢丝网套承受总的轴向力( 以波纹管中径计承压面积) 为 f - p s 万d 0 4 单层网套钢丝轴向总截面积为 s = a m nc o s 口 引入网套层数修正系数l 【i ，单层网套时k 。= 1 ，双层时k 。= 1 8 ，三层时k 。= 2 4 则网套钢丝的应力为 o r t = f ( s k x ) ，代入化简得到网套的应力公式，此应力值应不大于 o 。 盯，：型丝! l 一b t ( 2 2 2 ) 4 k ，a m n c o s 口 。 o 一设计温度下波纹管材料的许用应力，按附录b 选取。 2 4 4 4 网套覆盖率校核 为了说明网套的疏密程度，引入网套覆盖率的概念。网套覆盖率是网套覆盖的面积与波纹管的表面积 之比，下面对网套覆盖率计算公式进行推导。 在单位网套长度内，波纹管的表面积为d w ，而整个网套的总面积为b i b ，考虑到网套有一半的面积 是重叠覆盖的，同时考虑其在轴向投影，故网套在波纹管覆盖的表面积为m b ( 2 c o s 口) ：故网套覆盖率为 = m b ( 2 c o s 口狄d w ) 经化简即可得到网套覆盖率计算公式( 2 2 3 ) 。 五： 丝 2 r i d wc o s 口 1 4 ( 2 2 3 ) 第二章高参数波纹金属软管的设计 式中：b = n d ( 当钢丝网套时，n 为每股根数，d 为单根钢丝的直径：当钢带网套时，b 为每根钢带的 宽度值) ； d r 波纹管外径，咖； 五网套覆盖率。 网套覆盖率的取值范围一般取0 6 - - - , 0 9 2 ，压力较高和对外部有保护要求的金属软管一般取大值，低 压和对外部无特殊需要的软管一般取小值。 1 5 东南人学工程硕士学位论文 第三章高参数波纹金属软管的加工 波纹金属软管的制造，首先是加工成型金属波纹管，然后编织网套，再组装各种接头而成为金属软管。 本文主要阐述波纹管成型加工、网套编织加工及产品的装配工艺。 3 1 波纹管的成型加工 波纹管是金属软管的本体，起着柔性的作用。金属软管中波纹管成型的方法旧1 有： a ) 机械旋压模成型法； b ) 螺旋模旋压法； c ) 油压成型法； d ) 乳化液成型法； e ) 橡皮囊胀形法； f ) 聚胺脂胀形法； g ) 机械胀形法； h ) 辊压成型法。 作为金属软管本体的波纹管，要求这类波纹管越长越好，因此波纹管的成形与金属波纹管膨胀节中的 波纹管成形有所不同，它应能在管坯长度允许的情况下连续成形任意数量的波纹，使用时按所需长度或所 需波纹数截取。金属软管用波纹管有螺旋波纹管和环形波纹管，本文主要叙述一般用途的波纹管成型方法 ( 机械旋压模成型法、油压成型法) ，并提出高参数波纹管的成型方法( 螺旋模旋压法、乳化液成型法) 。 橡皮囊胀形法、聚胺脂胀形法的成型方法原理基本与油压成型法相同，这里不在阐述。由于机械胀形法、 辊压成型法成型的波纹管长度较短，在金属软管上很少使用，故这里也不详述。 3 1 1 机械旋压成型 一股用途的螺旋波纹管用机械旋压成型的方法获得。该法是利用模具与管坯料相对旋转挤压成型的。 图3 - 1 机械成型模具分解示意囹 1 外夹壳；2 隔片；3 工作模片 模具由三个隔片、两个工作模片、一套外夹壳组成( 见图3 1 ) 。 两个工作模片分别称作成型模片和整形模片。成型模片的工作面实际上是一个一定进程的等进曲线构 成的曲面。整形模片的工作面是一个直径等于成型后波纹管波谷底径的投影圆构成的曲面。三个隔片分别 角 图3 - 2 螺旋波纹管成型曲线 1 6 角 第三章高参数波纹金属软管的加工 称为上隔片、中隔片和下隔片。上、下隔片的一端是平的、另一端加工成一个螺距的螺纹。中隔片两端分 别加工成一个螺距的螺纹，一端同上隔片、另一端同下隔片。 管坯进入旋转的模具后，由于模片和隔片的作用，使管坯料在轴向和径向上都受到一定的挤压，产生 塑变( 见图3 - 2 ) ，逐渐地加工出所需要的螺旋波纹管( 见图3 3 ) 。 3 1 1 1 模具设计计算 螺旋波纹管的机械旋压成型不同于车制螺纹，它无 切削过程，属于冷挤压范畴。该模具设计的关键是成型 模片、整形模片和中隔片三部分。它们的结构参数的确 定完全依赖于波纹管的几何形状( 见图3 3 ) 。 a ) 整形模片 整形模片很像一个弹簧垫圈( 见图3 4 ) ，确定各部 分尺寸的公式如下： 工作面 厚度 内孔 螺旋面螺距 r l = r ： b i = 2 r ： d l = d + 26 ： t 1 = t 。 图3 - 4 整形模片 t 图3 - 3 螺旋波纹管 d _ 螺旋波纹管外径；d 一螺旋波纹管通径；5 一壁厚； r - 波谷半圆弧半径；t 一波距 图3 - 5 成形模片 b ) 成型模片 成型模片也像一个弹簧垫圈( 见图3 5 ) 。其内孔不是一个规则的投影圆，而是一个有一定进程的等进 曲线。除此成型模片的厚度b 2 和螺旋面螺距t 2 的确定，相对整形模片来讲也稍复杂一些。经过挤压的波纹 管离开成型模片后，立即进入整形模片，所以整形模片头部和成型模片尾部衔接必须圆滑。为确保在此过 程中，波纹管表面不被划伤，成型模片厚度的设计尺寸总是比整形模片厚度大一些，一般成型模片厚度 b 2 = 1 1 1 2 b l ，工作面r r = 1 1 1 2 r 。 等进曲线最大半径应等于管坯料的外半径，最小半径应等于波纹管的波谷底半径即整形模片内孔的 半径。因此等进曲线进程为 h ：d - ( d + 2 6 )( 3 1 ) 2 螺旋面螺距的确定，取决于波纹管的波纹高度。这将涉 及到成型一个波距需要用多少管坯料的问题。也就是说必须 先求出成型一个波距的坯料展开长( 见图3 - 6 ) 。 该坯料长度l 可按求环形波纹管展开一个波距后坯料 长度的方法。近似地计算( 不考虑成型变薄) 如下： l = 2 n ( r + 6 1 2 ) + 2 ( d d 一2 6 2 r ) ( 3 2 ) 因此成型模片螺旋面螺距t 2 确定为 1 7 图3 - 6 先求出成型一个波距的坯科展开长 t ，一成型模片螺旋面螺距； l 成型一个波距所需坯料的展开长： 东南大学工程硕士学位论文 z = r h 2 式中 日：p - ( d + 2 6 ) 2 它是波纹管的波纹高度，亦反映等进曲线的进程。 c ) 中隔片 中隔片像一个不合格的弹簧垫圈，因为它在任意半径上的厚度都相等( 见图3 - 7 ) 。 波纹管收料螺距t s 与成型模片相同，即t 产t 2 ， 小头厚度b 3 由波纹管波纹宽度确定， b 3 = 。i 一2 r 波纹管设计螺距t 与整形模片相同，即t 4 - t 大头和小头之间的间隙h 是自然形成的，与波纹管整 形模片和成型模片的厚度有关。 3 1 1 2 常见缺陷 目前在我国螺旋波纹管机械旋压模成型应用还不是很 广泛，有些问题需进一步研究。下面把一些常见问题产生的 原因及处理方法简单的介绍以下。 a ) 波谷的划伤 螺旋波纹管的波谷出现径向拉沟或整个波谷被切削一 层的现象称作划伤。由于机械旋压成型的实质是模具的工作 面与管坯料外表面呈滑动摩擦，因此波纹管在成型过程中外 表面的划伤是难免的。同时中、小通径的螺旋波纹管多为极 码 7 尸 h ， t ， 图3 - 7 中隔片 t 厂波纹管收料螺距；t 4 一波纹管设计螺距； b 3 - d e 隔片小头厚