横向型波纹管膨胀节设计 论文

横向型波纹管膨胀节设计摘要横向型复式拉杆波纹管由中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，是一种能够吸收任意平面内的横向位移并能承受压力推力的膨胀节，还可以叫做补偿器，在管系统中采用波纹补偿器可以在承受系统压力的同时，也吸收因温差较大而引起的热膨胀距离。复式拉杆波纹管膨胀节的设计要求先选择好波纹管的材料，确定设计温度和设计压力，然后计算复式拉杆波纹管的具体参数:波高、壁厚、波数、波纹管层数，并在此基础上确定波纹管的其他结构件的尺寸和选型，如端板、中间管、加强套环的设计尺寸，拉杆、垫圈、螺母的选型，同时进行复式拉杆膨胀节的各种应力校核、刚度计算、疲劳寿命校核。由于计算的时多参数的不确定性，需同时计算几组不同的数据，再从中选择最合适的方案，用该方案中的数据校核应力疲劳寿命，并最终确定膨胀节的结构设计，完成技术要求。关键词：补偿器，膨胀节，波纹管，复式拉杆，横向DESIGN OF UNIVERSAL GINMBALS COMPENSATOR ABSTRACTHorizontal double rod bellows comprises a middle pipe connects two corrugated tube and rod, the end plate and sphere and cone washers and other components, is able to absorb the transverse displacement of arbitrary plane and expansion joint can withstand the pressure thrust, also called compensator, in the pipe system used in corrugated compensator can under the system pressure at the same time, also due to large temperature difference caused by thermal expansion distance.Double rod bellows expansion joint design requirements to choose the corrugated pipe materials, determine the design temperature and pressure, and then calculate the specific parameters of double rod bellows: wave height, thickness, wave number, corrugated pipe layers, and on this basis to determine the size and type of other structure of corrugated pipe, such as end plate the middle pipe, strengthen the design size, collar, tie rod, washer, nut selection, at the same time duplex pull rod expansion of the various stress check calculation, stiffness, fatigue life assessment. Because the calculation when the parameter uncertainties, and calculation of different data sets, and then choose the most suitable plan, stress fatigue life data of the scheme, and ultimately determine the structure design of expansion joints, complete technical requirements.KEY WORDS: Compensator, corrugated pipe, double bars, horizontal 目录前言1第1章 横向型波纹管补偿器概述21.1 概述21.2 工作原理41.3 复式拉杆型膨胀节补偿器的特点61.4 复式拉杆横向波纹管使用要点6第2章 波纹管的设计方案72.1 设计依据及主要技术要求72.2 波纹管的设计步骤72.2.1 波纹管材料的选择72.2.2 波纹管设计温度82.2.3 波纹管设计压力82.3 波纹尺寸计算82.3.1 波纹管设计符号说明82.3.2 无加强U型波纹管波纹参数计算10第3章 膨胀节作用力计算及校核123.1 波纹管应力及作用力校核123.1.1 压力引起的波纹管直边周向薄膜应力133.1.2 压力引起的加强套环周向薄膜应力133.1.3 压力引起的波纹管周向弯曲应力143.1.4 疲劳寿命计算143.1.5 内压引起的波纹管经向弯曲应力143.1.6 轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力143.1.7 复式拉杆波纹管膨胀节单波位移173.1.8 位移引起的波纹管子午向薄膜应力183.1.9 位移引起的波纹管子午向弯曲应力183.3 单波轴向弹性刚度计算193.4 稳定性计算193.5 复式拉杆膨胀节刚度计算193.6 复式拉杆波纹管压力推力20第4章 波纹管结构件的设计214.1 符号说明214.2 拉杆计算214.3 端板计算22第5章 波纹管膨胀节图纸设计245.1 总体装备图设计245.2 零件结构图设计245.2.1 波纹管与端管的焊接结构图255.2.2端板的结构图265.2.3 端板和端管的焊接结构265.2.4 拉杆结构设计275.2.5 加强套环设计295.2.6 加强筋板设计295.2.7 运输杆设计295.2.8 托耳设计305.3 压力试验30结论32谢 辞33参考文献34外文资料翻译35前言波纹管补偿器又称膨胀节，是用以利用其弹性元件的有效伸缩变形来吸收管线、导管或容器由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化的一种补偿装置，属于一种补偿性元件。波纹管的波形分很多种类，有U型、V型、型，而U形波纹管的应用最为广泛，工艺也相对简单。波纹管膨胀节的结构类型也较多，不同类型的膨胀节，适用的场合也各不相同。主要的类型有单式轴向型、单式和复式铰链型、复式自由型、复式拉杆型、直管和弯管压力平衡型等。波纹管补偿器广泛应用在石油、化工、冶金、电力、水利、航空航天、原子能等相关领域，所以，对波纹管补偿器的研究设计对推动我国相关产业经济效益的发展有着十分重要的学术意义。波纹管补偿器可对轴向、横向和角向位移进行吸收，用于吸收管道、设备及系统的加热位移、机械位移和降低振动、噪音等。其中复式拉杆横向型膨胀节可以补偿弯曲管段的横向位移和量值不大的角位移，但是其通常不用来补偿角位移。该补偿器由接管二个波纹管以及大拉杆等零件构成。它能吸收管系任意平面内的横向位移,而且球面螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。该补偿器两个波纹管、长中间接管以及大拉杆等零件构成，它能吸收管系任意平面内的横向位移。螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。本课题主要研究横向型波纹管补偿器的波高、波距、壁厚、层数、波数等波形参数及结构零件的设计。膨胀节的设计实质就是通过调整波纹管的波形参数来满足所需的性能要求。课题的设计主要依据GBT 12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件和GB 150-1998钢制压力容器进行波纹管的参数确定和结构件的尺寸计算。由于时间仓促，加之水平有限，其中不乏有所纰漏，我们恳请的希望广大读者提出宝贵的意见。 第1章 横向型波纹管补偿器概述1.1 概述复式拉杆型波纹管补偿器由端管和中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，能吸收任意平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节。如图1-1所示：1-端板 2-拉杆 3-中间管 4 中间管 5-波纹管 6-加强套环 7-球面、锥面垫圈8-端管 9-筋板 10-运输杆 11-螺母 12-托耳图1-1 复式拉杆波纹管结构图最早期时的时候人们用兽皮缝合成管状的结构，以满足生产的需要，经过了相当长的阶段直到十七世纪末期，荷兰的万德尔盖金兄弟成功制成了被广泛采用在当时的消防业务中的帆布软管。但是慢慢的，社会在发展，工程技术的需要迫使人们不得不进行更高质量的波纹管膨胀节的设计，因为帆布软管类的管子不能承受像工程上的强酸、碱腐蚀性的介质，一些超高温超低温的介质如高温蒸汽，低温的液氢、液氦等介质。这样整体管道的安全可靠性更加难以保证。所以，人们渐渐地把注意力集中到金属管方面，改变金属管的几何形状，使其内外表面产生相应的波纹。这样就能够使其既具有同胶管一样的挠性，同时又能耐高温、耐低温、耐老化、耐腐蚀。于是，以金属软管为本体的金属波纹管就此诞生。一八五五年，德国最先申请了制造金属波纹管的专利。那时候技术有限，它只是利用当时制造首饰的原理来制造金属波纹管。那是用截面形状为S型的金属带在专用设备上绕制而成的螺旋金属波纹管，它们用橡胶带、棉织物或石棉绳这些东西填垫在相邻两匝的咬口处，以便于金属波纹管内腔的密封。一八九四年，这种金属波纹管膨胀节的结构得到了改进：人们用两根金属带按不同直径，向相反方向卷绕。在这种结构中，金属带在受力状态下达到相互平衡，克服了自发展开的缺点。一九二九年，在金属波纹管进行了又一次结构上技术的革命，非常彻底的解决了金属波纹管因为弯曲时填垫橡胶带而丧失密封性能的问题，开辟了金属波纹管广阔的发展前景。这种用钢和铜锌合金材料制成的无缝或有焊缝的金属波纹管，能够依靠波纹侧壁的弹性变形来保持一定的可压缩性或可拉伸性，并保证很可靠的密封性能.从二十世纪五十年代开始，双层、三层、多层的金属波纹管，特别是薄壁不锈钢材金属波纹管发展非常迅速。为了满足使用上的要求，人们采用焊接、电铸、液压和机械旋压等各种工艺方法来加工金属波纹管。最小公称可以小到2毫米，最大的公称直径通径可达400500毫米，甚至有直径为lO米的巨型金属波纹管。波数最少l2个，最多可达连续几千，甚至几万个。随后，人们在波纹管外表面包覆上橡胶、塑料或者尼龙之类的材料，变换各种各样的接头形式，以满足不同的使用要求。我国波纹管研制开始于二十世纪五十年代，在我国波纹管应用研究最早的是仪表行业。我国有数十家仪表厂和弹性元件厂，50年代时将波纹管（Bellows）称为膜盒作为敏感元件或弹性密封元件应用在仪器仪表、特殊阀门和压力调节器上。五十年代时我国波纹管的管坯主要采用不锈钢、镀青铜板材压延成型等材料。五十年代末六十年代初，为满足我国航天事业发展的需要，国防部五院一分院和首都机械厂成功研制了管道用波纹管。六十年代初，南京晨光机器厂为了解决管坯问题，晨光机器厂与鞍钢签订“鞍晨”协议，生产薄壁无缝不锈钢管，83年升为国标。自六十年代起开始了自行研制膨胀节的过程。1967年建成国内第一条金属软管和小型波纹膨胀节专业化生产线。除满足本系统单工产品配套需要外，还向国内民用市场开放，以满足商业化需要.七十年代末，八十年代初。随着国家工业现代化建设的迅猛发展，我国从事波纹膨胀节生产的厂家不下二百个，厂家之多可算世界之最。该行业年总产值在12亿以上。我国波纹管理论研究、应用技术和工业生产能力，早就今非昔比。我国波纹膨胀节骨干企业已经完全具备了与国外知名企业竞争的能力。1985年我国有关高校、研究院所和波纹管生产企业合作组织成立了“中国压力容器安全膨胀节专业委员会”。1994年以膨胀节生产企业为主吸收相关高等院校和设计研究院所有关专家组建了“中国石油化工设备工业协会膨胀节分会”。1995年为推动波纹管力学研究，组建了中国力学安全波纹管及管道力学专业委员会。这些学会和协会凝聚了我国波纹管基础理论、应用技术和开发，对推动本行业发展有着积极的贡献。在整体波纹管制造水平不断攀升的大背景下，复式拉杆波纹管的发展也是极其迅速的，他被广泛的应在各行各业中。复式拉杆横向波纹管膨胀节的性能指标要求较多，如横向补偿量、轴向位移、轴向刚度、耐压强度、平面稳定性及疲劳寿命等。影响膨胀节性能的因素大致可分为两大类:(1) 包括压力波动、温度变化、制造偏差、安装误差、管路布置、结构形式和腐蚀环境等外部因素。(2) 包括波纹材料和波形参数的设计因素。波纹管膨胀节的波形种类较多，常用的有U形、 形、S 形等。在实际工程应用中，U 形波纹管膨胀节最为广泛.1.2 工作原理复式拉杆波纹管属于一种补偿元件，利用其工作主体波纹管的有效伸缩变形，以吸收管线、导管、容器等由热胀冷缩等原因而产生的尺寸变化（变形前后如下图1-2和1-3所示），或补偿管线、导管、容器等的轴向、横向和角向位移，它可以吸收管系任意平面内的横向位移。该补偿器由接管二个波纹管以及大拉杆等零件构成。位移球面螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。该补偿器两个波纹管、长中间接管以及大拉杆等零件构成，可用于降噪减振，在现代工业管道系统中用途广泛（图1-4为其实物图）。图1-2 变形前图1-3 变形后图1-4 复式拉杆膨胀节实物图1.3 复式拉杆型膨胀节补偿器的特点复式拉杆型膨胀节由中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，能吸收任何意平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节。复式拉杆型膨胀节可以补偿弯曲管段的横向位移和量值不大的角位移，通常并不用来补偿角位移。位移球面螺母绕球面垫圈转动，同时拉杆还具有承受内压推力能力。1.4 复式拉杆横向波纹管使用要点安装前保证波纹管的表面干净，焊接时要小心，焊渣不能飞溅到波纹管表面，因为波纹管壁很薄，更不能有机械性的划伤。锈钢和耐腐蚀合金波纹管及所有不锈钢结构件表面不应涂漆。所有碳钢结构件外表面应涂防锈底漆，但距端管焊接坡口50mm范围内不应涂漆，球面垫圈锥面垫圈配合面应涂防锈油脂。第2章 波纹管的设计方案2.1 设计依据及主要技术要求主要设计任务： 20#钢管道规格372*8，介质压力0.5MPa，介质温度300，吸收双向横向位移100mm，波纹管波根外径372mm，波谷半径8mm，模具最大波数8，最大波高60mm。许用寿命1000次。吸收双向横向位移100mm，波纹管波根外径372mm，波谷半径8mm，模具最大波数8，最大波高60mm。许用寿命1000次。2.2 波纹管的设计步骤（1） 波纹管材料选择（2） 波纹管设计温度（3） 波纹管设计压力（4） 疲劳寿命计算（5） 波纹管应力校核（6） 稳定性及刚度计算（7） 膨胀节结构件设计2.2.1 波纹管材料的选择波纹管用材料按工作介质、外部环境和工作温度选用，不论是管材、带材还是板材，根据波纹管使用性能要求，确定所需的材料。目前，我国各行业一般采用188 型奥氏体不锈钢（如0Cr19Ni9、0Cr19Ni11Ti等）和300 系列不锈钢（如304、316、321 它们分别对应我国的0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni9Ti等）由于其良好的塑性、焊接性、耐腐蚀性及适宜的强度性能，成为各行各业制造波纹管的首选材料。根据本次任务要求（介质压力0.5MPa，介质温度300）并综合外部环境选择波纹管的材料为0Cr18Ni10Ti。=177103MP，=114MP2.2.2 波纹管设计温度波纹管设计温度应根据波纹管预计工作温度确定。本次设计要求温度是300摄氏度2.2.3 波纹管设计压力本次设计压力为0.5MP2.3 波纹尺寸计算 2.3.1 波纹管设计符号说明单个波纹的金属截面积，；= (0.571q+2h)n波纹管有效面积，；U形波纹管设计计算修正系数；U形波纹管、的计算修正系数；低于蠕变温度的材料强度系数；=1.5，用于热处理态波纹管,=3.0，用于成形态波纹管U形波纹管的计算修正系数；纵向焊接接头有效系数，下标b表示波纹管材料；其中，当波纹管管坯纵向焊接接头经100渗透检测或射线检测合格且焊接接头内外表面都齐平是=1.0；由初始角位移引起的柱失稳压力降低系数；=1-1.822+1.348-0.529（无横向位移），=1（同时发生横向位移）波纹管直边段内径的数值，；波纹管直边段加强套环平均直径的数值，；Dc=Db +2n+圆环截面内径的数值，；波纹管平均直径的数值，；=Db+h+n圆环截面外经的数值，；室温下波纹管的弹性模量的数值，；设计温度下弹性模量的数值，；计算单波总当量轴向位移的数值，； 角位移 引起的单波相当轴向位移的数值，；波纹管压力推力的数值，N;无加强U形波纹管单波轴向弹性刚度的数值，/；膨胀节自振频率的数值，Hz；波高的数值，；周向应力系数；膨胀节整体弯曲刚度，；的计算系数；且1波纹管的波纹长度，；波纹管直边段加强套环的长度，；波纹管直边段长度，；N一个波纹管的波数的数值；波纹管设计疲劳寿命的数值，周次；厚度为“”波纹管材料层数的数值；设计疲劳寿命安全系数，10；P设计压力的数值，；波纹管两端固支时柱失稳的极限设计内压的数值，；波纹管两端固支时平面失稳的极限设计压力的数值，；q波距的数值，；U形波纹管波峰内壁曲率半径的数值，；U形波纹管波谷外壁曲率半径的数值，；t介质温度的数值，；波纹管一层材料的名义厚度的数值，；直边段加强套环材料的名义厚度的数值，；波纹管成形后一层材料的名义厚度的数值，；波纹管角位移的数值。压力引起的波纹管直边段周向薄膜应力的数值，；压力引起的加强套环周向薄膜应力的数值，；压力引起的波纹管周向弯曲应力的数值，；压力引起的波纹管子午向薄膜应力的数值，；压力引起的波纹管子午向弯曲应力的数值，；位移引起的波纹管子午向薄膜应力的数值，；位移引起的波纹管子午向弯曲应力的数值，；设计温度下材料的许用应力的数值，下标b、c分别表示波管、加强套环材料，；2.3.2 无加强U型波纹管波纹参数计算无加强U型波纹管结构见图2-1图2-1 无加强U型波纹管结构U形波纹管的宜按公式（2-1）设计。=3 （2-1） 波纹管的设计依据GBT 12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件中所推荐的方法，取波纹管一层材料的名义厚度=0.8，满足（2-1）要求。另选取波纹管材料的层数，直边段加强套环材料的名义厚度 ,直边段加强套环的长度,波距q=4r+2n=48+210.8=35.2mm,取波高h=35mm。第3章 膨胀节作用力计算及校核3.1 波纹管应力及作用力校核波纹管应力校核公式按下列公式（3-1）（3-10）进行（1） 压力引起的波纹管直边周向薄膜应力按（3-1）计算 （3-1）（2） 压力引起的加强套环周向薄膜应力按（3-2）计算 （3-2）（3） 压力引起的波纹管周向弯曲应力按（3-3）计算 （3-3）（4） 疲劳寿命校核按（3-4）计算 （3-4）（5） 内压引起的波纹管经向弯曲应力（3-5）计算 （3-5）（6） 轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力（3-6）计算 （3-6）（7） 轴向位移x引起的单个波纹轴向位移按公式（3-7）计算 （3-7）（8） 横向位移y引起的单波轴向位移按公式（3-8）计算 （3-8）（9） 位移引起的波纹管子午向薄膜应力按公式（3-9）计算 （3-9）（10） 位移引起的波纹管子午向弯曲应力按公式（2-10）计算 （3-10）3.1.1 压力引起的波纹管直边周向薄膜应力 （3-1）式中：p=0.5Db=2732n=273220.8=269.8mm=177103MPn=2=0.8mm且k1 当=30mm时k不满足，故取=20mm此时k=0.907，=1.0查附表1-1（化工容器设计），得=114MP，Dc=Db +2n+=275mm代入数据得=14.0MP 114MP, 满足3.1.2 压力引起的加强套环周向薄膜应力 （3-2）带入数据算得=14.4MP 114MP, 故满足条件3.1.3 压力引起的波纹管周向弯曲应力 （3-3）其中=，在设计压力p时，和拉伸=，在设计压力p时，和压缩因为牵扯到ex、ey，故需要疲劳寿命来确定e的大小3.1.4 疲劳寿命计算疲劳寿命按公式（2-4）计算1000 （3-4）其中 3.1.5 内压引起的波纹管经向弯曲应力 （3-5）其中当量壁厚mm3.1.6 轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力=108.8MP （3-6）查表得=0.615（表3-1），Cd=1.832（表3-2）, Cf =1.422表（3-3），带入公式（2-7）得=108.8MP再代入公式（2-5）得e8.41mm满足要求。表3-1 U形波纹管的计算修正系数0.81.00.01.0001.9991.9611.9491.9501.9501.9501.9500.050.9760.9620.9100.8420.8410.8410.8400.8410.100.9460.9260.8700.7700.7440.7440.7440.7310.150.9120.8900.8360.7220.6570.6570.6510.6320.200.8760.8540.8060.6910.5920.5790.5640.5490.250.8400.8190.7770.6690.5590.5180.4950.4810.300.8030.7840.7500.6530.5360.5010.4620.4320.350.7670.7510.7220.6400.5410.5020.4600.4260.400.7330.7200.6960.6270.5480.5030.4580.4200.450.7020.6910.6700.6150.5510.5030.4550.4140.500.6740.6650.6460.6020.5510.5030.4530.4080.550.6490.6420.6240.5900.5500.5020.4500.403表3-2 U形波纹管的计算修正系数0.81.00.01.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0000.051.0611.0661.1051.0791.0571.0371.0161.0060.101.1281.1371.1951.1711.1281.0801.0391.0150.151.1981.2091.2771.2711.2081.1301.0671.0250.201.2691.2821.3521.3741.2941.1851.0991.0370.251.3401.3541.4241.4761.3841.2461.1351.0520.301.4111.4261.4921.5751.4761.3111.1751.0700.351.4801.4961.5591.6671.5711.3811.2201.0910.401.5471.5651.6261.7531.6671.4571.2691.1160.451.6141.6331.6911.8321.7661.5391.3241.1450.501.6791.7001.7571.9051.8661.6281.3851.1810.551.7431.7661.8221.9731.9691.7251.4521.223表3-2 U形波纹管、的计算修正系数0.81.00.01.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0000.051.1161.0941.0921.0661.0261.0020.9830.9720.101.2111.1741.1631.1221.0521.0000.9620.9370.151.2971.2481.2251.1711.0770.9950.9380.8990.201.3761.3191.2811.2171.1000.9890.9150.8600.251.4511.3861.3361.2601.1240.9830.8920.8210.301.5241.4521.3921.3001.1470.9790.8700.7840.351.5971.5171.4491.3401.1710.9750.8510.7500.401.6691.5821.5081.3801.1950.9750.8340.7190.451.7401.6461.5681.4221.2200.9760.8200.6910.501.8121.7101.6301.4651.2460.9800.8090.6670.551.8821.7751.6921.5111.2710.9870.7990.6463.1.7 复式拉杆波纹管膨胀节单波位移(1) 轴向位移x引起的单个波纹轴向位移按公式（3-7）计算 （3-7） (2) 横向位移y引起的单波轴向位移按公式（2-8）计算 （3-8） 初定复式波纹管中间管w=420mm,设其波数为N，由材料力学可知波纹管横向变形总位移x可据下列公式求得式中：=0.012是ey的计算系数此时当进行试算(1)取N=4代入以上公式得，ku=1.17,Lu=881.6mm,Lb=140.8mm,x=2.91mm,ex=0.36mm,又有mm8.41mm 满足要求(2)取N=3代入以上公式得，ku=1.14,Lu=811.2mm,Lb=105.6mm,x=2.67mm,ex=0.445mm,mm8.41mm 不满足要求故取N=4可满足波纹管设计要求3.1.8 位移引起的波纹管子午向薄膜应力 （3-9）3.1.9 位移引起的波纹管子午向弯曲应力 （3-10）公式（3-3）中Kr拉伸时=1.1 压缩时=0.9较大者故Kr=1.1 又有单个波纹的金属截面积:= (0.571q+2h)n校核 =114MP 满足 带入公式MP=1.5114=171MP 满足应力校核完毕,以上介绍的U形膨胀节计算的方法，尽管由于力学模型的简化，给计算结果带来一定程度的误差，但因公式比较简单，然后根据实际情况进行了修正与调整，所以在工程设计时仍然得到非常广泛的应用。近年来利用有限元法对膨胀节的应力分析研究工作也取得了进展。它以有限单元的集合代替无限单元的连续体，作物理上的近似，通过能量原理得出离散方程，经过求解，可以得到各离散单元的应力与位移的数值解，有利于进行精确的设计计算。3.3 单波轴向弹性刚度计算单波轴向刚度按式（3-11）计算(N/mm)（3-11）3.4 稳定性计算波纹管两端为固支时，柱失稳的极限设计内压按公式(3-12)计算 (3-12)3.5 复式拉杆膨胀节刚度计算（1）轴向弹性刚度按公式（3-13）计算 （3-13）（2）横向弹性刚度按公式（3-14）计算 （3-14） 3.6 复式拉杆波纹管压力推力波纹管压力推力按下列公式计算公式(2-15)计算N (2-15)第4章 波纹管结构件的设计4.1 符号说明矩形（mm）端管外径的数值，单位为毫米（mm）总轴向力的数值，包括波纹管压力推力及其他轴向力，单位为毫米（N）截面惯性矩的数值，下标表示所对应的轴，单位为毫米（mm4）销轴半径的数值，单位为毫米（mm）截面静矩的数值，下标表示所对应的轴，单位为毫米（mm3）矩形截面板厚的数值，单位为毫米（mm）正应力的数值，单位为毫米（MP）按相关标准取值的室温下材料的许用应力的数值，单位为毫米（MP）剪应力的数值，单位为毫米（MP） 4.2 拉杆计算拉杆材料选择40CRr，其。复式拉杆型、弯管压力平衡性和直管压力平衡性膨胀节中拉杆设计及校核公式按（4-1）计算 （4-1）式中：A拉杆有效截面积，A=452.16mm2n拉杆数目，n=4拉杆直径除满足表4-1之外，还应满足公式（4-2）的要求正应力：M （4-2）1.5=171MP，满足要求表4-1 拉杆最小直径拉杆长度膨胀节公称尺寸150150300300600600120012006001620243030120020362400243030362400303640由表得d=20mm,但考虑到腐蚀裕量，取d=24mm，4.3 端板计算端板材料选择Q235，查表得其。复式拉杆型、弯管压力平衡型膨胀节中无筋板的端板的设计及校核按公式（4-3）和公式（4-4）计算。 （4-3） （4-4）式中：b筋板轴向长度，单位为（mm）,取b=50Ix截面对中轴Z的惯性矩的数值，单位为四次方（mm4）代入数据得Ix=12.9105mm4L端板上拉杆孔中心到端管外壁的距离单位为mm，取L=73mmKs截面形状系数，代入数据的Ks=1.37n拉杆孔数目，取n=8Sx截面对中性轴Z的静矩，单位为（mm3）筋板厚度的数值，单位为毫米（mm）端板厚度数值，不得小于拉杆直径单位为(mm)筋板夹角的数值，单位为（rad）又有d=273mm,计算满足此时的最小板厚考虑到钢板负偏差（压力容器钢板厚度负偏差：（按GB/T709-2006热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许差中B类偏差规定-固定负偏差为0.3 mm）和腐蚀余量（腐蚀程度：轻微腐蚀，腐蚀速率0.050.13mm/年，腐蚀裕量为大于等于1mm；）取=16mm，并代入（4-4）中计算满足其要求第5章 波纹管膨胀节图纸设计5.1 总体装备图设计装配图在进行装配时要注意避免出现装配干涉，如在波纹管与端管焊接之后再焊接短板，但是在焊接短板之前，需要先装配好加强套环，并留出充足的活动余地，之后再进行端板与端管的焊接，必须保证这样的装配顺序，这样在下一步在机床上加工时才能很好的保证其同轴度，避免因焊接变形所带来的设备安装误差，总体安装效果图如下图5-1所示1-端板 2-拉杆 3-中间管 4 中间管 5-波纹管 6-加强套环 7-球面、锥面垫圈8-端管 9-筋板 10-运输杆 11-螺母 12-托耳图5-1 总体装配图5.2 零件结构图设计5.2.1 波纹管与端管的焊接结构图波纹管为薄壁结构，现在管壁上开出如图5-2的坡口，按照本次任务书要求计算所得出的波纹管壁厚为0.8mm（如图5-3）,所以在焊接时要非常小心，不能采用对焊的方式焊接，要采用搭接焊的方式焊接，焊接前先在端管外加工出如下图5-4所示的坡口和距离。图5-2 端管加工示意图图5-3 波纹管示意图由于波纹管为承压原件，其直边段不能承压，故端管内径要留出与波纹管直边段等长的距离包裹住波纹管，外部焊接时保证焊透，并在最外层装配加强套环，保证其能够承压，装配完成后如下图5-4所示图5-4 波纹管短管焊接结构5.2.2端板的结构图本次设计端板厚按要求计算取得16mm，材料取20R，具体尺寸图如图5-5所示图5-6 端板尺寸设计5.2.3 端板和端管的焊接结构端板内圆开好坡口后，再进行焊接，焊接为全焊透，局部放大图如图5-7所示,结构示意图如下图5-8所示，,端板材料为Q235-A,端板上拉杆中心孔到端管外壁的距离的数值L=71mm，图5-8 端管端板焊接局部图图5-7 端管端板焊接图5.2.4 拉杆结构设计拉杆材料为40Cr，本设计计算的拉杆长度L=1020mm,公称直径M=24mm，单头结构图如图5-9所示图5-9 拉杆单头结构拉杆应力按式（5-1）校核： （5-1）故满足要求。螺母及带垫片选择按GB/T 412000和GB/T 849选择，见附录，结构图如图5-10所示,螺母规格GB/T 41 M24,垫圈规格GB/T 849 25。图5-10 螺母及垫圈拉杆、螺母及垫圈装配图如下图5-11所示。图5-11 拉杆、螺母及垫圈装配图5.2.5 加强套环设计 加强套环用壁厚为2的OCr18Ni10Ti材料卷制而成，结构如下图5-12所示图5-12 加强套环5.2.6 加强筋板设计加强筋板结构图如下图5-13所示，用方形钢板按图纸要求切割即可。图5-13 加强筋板5.2.7 运输杆设计运输杆在膨胀节运输过程中起到固定波纹管的作用，以免因为运输过程中发生碰撞而损伤波纹管，结构图如下图5-14所示。图5-14 运输杆5.2.8 托耳设计托耳和运输杆件一起在运输波纹管时起到固定波纹管的作用，其具体结构图如图5-15所示。图5-15 托耳5.3 压力试验波纹管在设计成型后需要进行相应的压力试验，以便确认材料的缺陷、容器的变形、焊接管的强度。压力试验的使用介质一般是水。液压试验压力PT按式（5-2）校核： （5-2）式中PT内压容器的试验压力，MPP设计压力实验温度下的材料许用应力，为137MP设计温度下的材料许用应力，为114MP带入数据算得PT=0.75MP结论横向型复式拉杆波纹管由中间管所连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面与锥面垫圈等结构件组成，是一种能够吸收任意平面内的横向位移并能承受压力推力的膨胀节，还可以叫做补偿器，在管系统中采用波纹补偿器可以在承受系统压力的同时，也吸收因温差较大而引起的热膨胀距离。复式拉杆波纹管膨胀节的设计要求先选择好波纹管的材料，确定设计温度和设计压力，然后计算复式拉杆波纹管的具体参数:波高、壁厚、波数、波纹管层数，并在此基础上确定波纹管的其他结构件的尺寸和选型，如端板、中间管、加强套环的设计尺寸，拉杆、垫圈、螺母的选型，同时进行复式拉杆膨胀节的各种应力校核、刚度计算、疲劳寿命校核。由于计算的时多参数的不确定性，需同时计算几组不同的数据，再从中选择最合适的方案，用该方案中的数据校核应力疲劳寿命，并最终确定膨胀节的结构设计，完成技术要求。做出总体装配图，各个零件的结构图，零件间链接结构图。谢 辞本课题在选题及进行过程中得到刘和平老师的悉心指导。论文过程中，刘老师多次帮助我做经验交流，普及知识，在我遇到瓶颈的时候给我细心的指导，帮助我解决一个又一个问题，给了我莫大的支持和鼓励，让我有信心的做下去，在这里向刘和平老师我最最真心的感谢，刘老师严谨的治学之风，扎实的工作态度给我留下了很深的影响，对于以后我的生活和学习工作都有很大的作用，向刘和平老师致敬。感谢我同组的王海潮、苏小鸽、陆少杰、朱娅文等同学，感谢你们在我很多细节性的小问题束手无策时，你们能站出来帮我解决心中的疑惑，让我继续的完成设计，在这里也向你们表示我最衷心的感谢。感谢宿舍的同学在我课题研究过程中给予心理上的鼓励。虽然不是同一个课题，但你们的鼓励让我更有信心的把课题进行下去，谢谢你们。感谢理工学院机电系所有老师对我生活和学习上的关怀。尤其感谢我们的辅导员黄广霞老师和余亚辉老师，在你们的帮助和陪伴下走过的大学岁月，给了我最好的锻炼和最快的成长。参考文献1 寿比南,张忠考等.GB/150-1998钢制压力容器S.北京:中国标准出版社.19982 蔡善祥,李建国等.GB/16749-1997压力容器波形膨胀节S.北京:中国标准出版社.19973 徐灏.机械设计手册M 北京:机械工业出版社.1995.54 李永生.波形膨胀节实用技术M.北京:化学工业出版社.20005 陆化生.波形管膨胀节在热力管道中的应用M.甘肃冶金.20066 单辉祖.材料力学教程M.北京:国防工业出版社.19827 王志文,蔡仁良等.化工容器设计M.北京:化学工业出版社.2005 8 樊大钧.波纹管设计学M.北京:北京理工大学出版社.19889 段玫,钟玉平等.GB/T 12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件S.北京:中国标准出版社.2008 10 成大先.机械设计手册M.北京:化学工业出版社.200911 濮良贵，纪名刚等.机械设计M.北京.高等教育出版社.200612 何铭新，钱可强等.机械制图M.北京.高等教育出版社.200413 王昆，何小柏，汪信远等.机械设计基础M.北京.高等教育出版社.201014 张月.AutoCAD 2005入门与提高M.西安.西北工业大学音像电子出版社.200615 徐鸿，董其武等.过程装备与控制工程专业英语M.北京.化学工业出版社.201116 闫康平，陈旷民等.过程装备腐蚀与防护M.北京.化学工业出版社.2012外文资料翻译The Key Technology Research of Metal Bellows Virtual DesignShi Yangon, Yao Baoji, Wang Liang Zhang Singling and Chef anglingCollege of Mechanical Engineering Anshan University, Qinhuangdao of China Management College of China, Qinhuangdao of Chinashi,, , wanglifang_2011163.com, 441051885, 59288263,Keywords: Bellows; Parametric design; Stiffness; Annoys; APDL; VC+; Secondary developmentAbstract: A parametric designing program which is used for the analysis of metal bellows stiffness, strength and fatigue life is developed basing on the softwares which contain Annoys, MSC.M