Stivhet: Belastningen som kreves for å produsere en enhetsforskyvning i en metallbelg eller annet elastisk element kalles elementets stivhet, vanligvis betegnet med "K". Hvis de elastiske egenskapene til elementet er ikke-lineære, er stivheten ikke lenger konstant, men endres med økende belastning. For elastiske belgelementer av -type som brukes i generell konstruksjon, er stivhetstoleransen begrenset til +/- 50%. Belgstivhet klassifiseres i aksial stivhet, bøyestivhet og torsjonsstivhet i henhold til belastningens og forskyvningens natur. Ved belgapplikasjoner er de aller fleste laster aksiale laster, og forskyvningen er lineær. Følgende er noen av hovedmetodene for å beregne den aksiale stivheten til belg:
1. Energimetode for beregning av belgstivhet
2. Empirisk formel for beregning av belgstivhet
3. Numerisk metode for beregning av belgstivhet
4. EJMA standard stivhetsberegningsmetode
5. Japansk TOYO-stivhetsberegningsmetode
6. Amerikansk KELLOGG (ny metode) stivhetsberegningsmetode
Foruten de seks stivhetsberegningsmetodene ovenfor, finnes det mange andre metoder for beregning av stivhet i utlandet, som ikke vil bli introdusert her. Kinesiske mekanikkforskere har utført omfattende forskning og eksperimentell analyse på belg, og oppnådd fruktbare resultater. De viktigste forskningsmetodene inkluderer:
(1) Perturbasjonsmetode
(2) Initial parameter metode for numerisk integrasjon
(3) Integralligningsmetode
(4) Perturbasjon endelige element metode. Alle disse metodene kan gi relativt nøyaktige beregninger av belg. På grunn av bruken av avansert teoretisk og beregningsmessig matematikk, er deres ingeniørapplikasjon noe vanskelig, og de er vanskelige å mestre, og krever ytterligere popularisering og promotering.
Stivhetsberegning når metallbelger brukes sammen med spiralfjærer
Når det kreves høy stivhet under bruk, men stivheten til selve metallbelgen er relativt lav, kan en sylindrisk spiralfjær anses å være plassert innenfor eller utenfor belgen. Dette forbedrer ikke bare stivheten til hele det elastiske systemet, men reduserer også feilen forårsaket av hysterese. Den elastiske ytelsen til dette systemet avhenger hovedsakelig av egenskapene til fjæren og stabiliteten til det effektive området til belgen.
Bøyestivhet av belg
Stressberegning av belg
Som en elastisk tetningskomponent må en metallbelg først oppfylle styrkekravet, noe som betyr at dens maksimale spenning ikke overstiger den tillatte spenningen under gitte forhold. Den tillatte spenningen kan oppnås ved å dele sluttspenningen med en sikkerhetsfaktor. Avhengig av belgens arbeidsforhold og brukskrav kan bruddspenningen være flytegrensen, den kritiske spenningen som belgen blir ustabil ved, eller utmattingsstyrken osv. For å beregne den maksimale arbeidsspenningen til en belg krever det å analysere spenningsfordelingen innenfor belgveggen.
Spenningen på en belg genereres av trykket i systemet og belgens deformasjon. Trykk genererer omkretsspenninger på belgen, mens radielle membran- og bøyespenninger genereres ved sideveggene, bunnene og bølgetoppene. Tynne skall som ikke kan motstå bøyning kalles noen ganger membraner, og spenningen beregnet ved å neglisjere bøyning kalles membranspenning. Radial membranspenning og bøyespenning genereres når belgen deformeres. Når belg er i drift, bærer noen indre trykk og noen ytre trykk. For eksempel bærer belgekspansjonsskjøter og metallslanger stort sett innvendig trykk, mens belg som brukes til ventilstammetetninger, vanligvis bærer eksternt trykk. Denne analysen fokuserer i hovedsak på belastningen av belg under internt trykk. Balgens evne til å motstå ytre trykk er generelt høyere enn deres evne til å motstå indre trykk. Med den utbredte bruken av belg har omfattende analyser, forskning og eksperimentell verifisering av belgspenning blitt utført, noe som har resultert i mange beregningsformler, programmer og diagrammer for ingeniørdesign. Noen metoder er imidlertid upraktiske å bruke på grunn av deres komplekse diagrammer eller programmer, mens andre gjør altfor forenklede eller idealiserte antakelser, noe som gjør det vanskelig å garantere sikker og pålitelig bruk. Mange metoder har ikke blitt akseptert av ingeniørmiljøet. Derfor oppfyller bare noen få metoder virkelig praktiske krav. To vanlig brukte metoder er som følger:
Numerisk metode for beregning av belgspenning
Denne metoden forutsetter at alle belg er under de samme forholdene, og studerer bare en enkelt halv-bølge av belgen under beregningen. Endebelgen er derfor ikke vurdert i studien, selv om grensebetingelsene til endebelgen er forskjellige fra midtbelgen. Den numeriske metoden er basert på E... Løsningen er avledet fra de ikke-lineære ligningene foreslått av Lesner for den aksialt symmetriske deformasjonen av et tynn-vegget revolusjonsskall med varierende veggtykkelse. Ved å utlede E. Lesner-ligningene, brukes generelle antakelser om tynn-skallteori, inkludert: antakelsen om at tykkelsen er svært liten sammenlignet med hovedradiene for skallets krumning; og antakelsene om materialhomogenitet og isotropi. Disse forutsetningene introduserer også visse feil i beregningene. Dette er fordi under produksjonen av belg forårsaker valsing, trekking og påfølgende korrugerende plastforming av emnet anisotropi og ujevnhet i materialets mekaniske egenskaper.
Stressberegningsmetode fra den amerikanske EJMA
Effektiv arealberegning av belg
Det effektive området er en av de grunnleggende ytelsesparametrene til en belg. Det karakteriserer belgens evne til å omdanne trykk til konsentrert kraft. I applikasjoner hvor belg brukes til å konvertere trykk til konsentrert kraftutgang, er det effektive området en avgjørende parameter.
Når belg brukes i kraft-balanserte instrumenter, påvirker stabiliteten til det effektive området direkte instrumentets nøyaktighet. I slike applikasjoner kreves det derfor ikke bare et rimelig effektivt areal, men det effektive arealet må også forbli uendret under drift uavhengig av arbeidsforhold.
1. Konsept og endringer i effektivt område
Det effektive området er et ekvivalent område som trykk utøves på vil produsere en lik aksial kraft. Generelt avtar det effektive området til en belg med økende indre trykk og øker med økende ytre trykk.
2. Effektivt volumetrisk område av en belg
Forholdet mellom volumendringen til en belg under ytre kraft eller trykkforskjell og den tilsvarende endringen i effektiv lengde kalles dens effektive volumetriske areal.
3. Beregning av det effektive området til en belg
Kravene til og beregningsmetodene for det effektive området til en belg avhenger av den tiltenkte bruken. Hvis belgen brukes som en elastisk tetning eller for termisk kompensasjon for rørledninger, er det effektive arealet kun av betydning for beregning av aksialkraften under belgdannelse og skyvekraften i systemet. Det er ofte en forskjell mellom det beregnede og målte effektive arealet til en belg. Generelt er det tilstrekkelig å beregne det effektive området ved hjelp av en spesifikk formel.
Når belg brukes i kraftbalanseringsinstrumenter og applikasjoner som krever at trykk konverteres til kraft, må deres effektive areal bestemmes nøyaktig, noe som krever individuelle målinger.
Følsomhet: Forskyvningen av en metallbelg og andre elastiske elementer under en enhetsbelastning kalles elementets følsomhet. Stivhet og følsomhet er de viktigste funksjonelle parametrene til belg og andre elastiske elementer, men de er to forskjellige måter å uttrykke den samme ytelseskarakteristikken på. For forskjellige situasjoner kan begge parameterne brukes for enkel analyse.
Effektivt område: For elastiske elementer som realiserer trykk-kraft eller kraft-trykkkonvertering, er en annen viktig funksjonell indikator det effektive området. Det effektive området refererer til størrelsen på den konsentrerte kraften som det elastiske elementet kan konvertere når forskyvningen er null under et enhetstrykk.
Levetid: Elastiske elementer fungerer i to tilstander: den ene arbeider under visse belastnings- og forskyvningsforhold, opprettholder en konstant eller minimalt skiftende belastning og forskyvning, kalt statisk drift; den andre er når belastningen og forskyvningen kontinuerlig og syklisk endres, og elementet er i en syklisk driftstilstand. På grunn av de forskjellige driftstilstandene er også skade- eller feilmodusene til elementet forskjellige. Instrumentelastiske følsomme elementer opererer innenfor sitt elastiske område, hovedsakelig i en statisk driftstilstand, og har en meget lang levetid, og når vanligvis titusener til hundretusener av sykluser. Komponenter av -belgtype som brukes i konstruksjon, opererer noen ganger innenfor et elastisk-plastområde eller under vekslende påkjenning, med en levetid på bare noen få hundre til tusen sykluser. Når komponenter brukes i syklisk drift, må en tillatt levetid spesifiseres, inkludert antall sykluser, tid og frekvens.
Den nominelle levetiden til et elastisk element er forventet levetid bestemt under elementets design, noe som krever at elementet ikke opplever utmatting, skade eller svikt innen denne perioden.
Tetningsytelse: Tetningsytelse refererer til et elements evne til å forhindre lekkasje under en viss intern og ekstern trykkforskjell. Komponenter av belgtype- fungerer med sitt indre hulrom fylt med gass eller flytende medier under trykk, derfor må tetningsytelsen garanteres. Testmetoder for tetningsytelse inkluderer pneumatiske forseglingstester, lekkasjetester, væsketrykktester og lekkasjedeteksjon ved bruk av såpevann eller et heliummassespektrometer.
Naturlig frekvens: Elastiske elementer brukt i industrien opererer ofte i miljøer med en viss grad av vibrasjon. Noen komponenter brukes som vibrasjonsisolerende deler og er i seg selv under vibrasjonsforhold. For elastiske elementer som brukes under spesielle forhold, er det viktig å forhindre at elementets egenfrekvens (spesielt grunnfrekvensen) er nær frekvensen til enhver vibrasjonskilde i systemet for å unngå resonans og skade. Belgkomponenter er mye brukt i ulike felt. For å unngå skader på belgens resonansflater, bør belgens egenfrekvens være lavere enn systemets vibrasjonsfrekvens, eller minst 50 % høyere.
Driftstemperatur: Driftstemperaturområdet for metallbelgkomponenter er bredt og er generelt spesifisert før design og produksjon av det elastiske elementet. Noen spesielle-belger har indre hulrom som tåler flytende oksygen (-196 grader) eller enda lavere temperaturer som flytende nitrogen, med trykkmotstand på opptil 25 MPa. Store belgekspansjonsskjøter (noen ganger med nominelle diametre som overstiger 1m) som brukes for rørledningssystemforbindelser krever trykkmotstand på 4MPa, temperaturmotstand på 400 grader og en viss grad av korrosjonsmotstand. Temperaturtilpasningsevnen til det elastiske elementet avhenger av temperaturmotstanden til det elastiske materialet som brukes. Derfor er det avgjørende å velge et elastisk materiale med passende temperaturytelsesparametere basert på driftstemperaturområdet til det elastiske elementet for å produsere kvalifiserte belgkomponenter.
