Rigidez: la carga requerida para producir una unidad de desplazamiento en un fuelle metálico u otro elemento elástico se denomina rigidez del elemento, generalmente denotada por "K". Si las características elásticas del elemento no son lineales, la rigidez ya no es constante sino que cambia al aumentar la carga. Para elementos elásticos tipo fuelle-utilizados en ingeniería general, la tolerancia de rigidez se limita a +/- 50%. La rigidez del fuelle se clasifica en rigidez axial, rigidez a la flexión y rigidez a la torsión según la naturaleza de la carga y el desplazamiento. En aplicaciones de fuelles, la gran mayoría de las cargas son cargas axiales y el desplazamiento es lineal. Los siguientes son algunos de los principales métodos para calcular la rigidez axial de fuelles:
1. Método energético para calcular la rigidez del fuelle.
2. Fórmula empírica para calcular la rigidez del fuelle
3. Método numérico para calcular la rigidez del fuelle.
4. Método de cálculo de rigidez estándar de EJMA
5. Método japonés de cálculo de rigidez TOYO
6. Método de cálculo de rigidez americano KELLOGG (nuevo método)
Además de los seis métodos de cálculo de la rigidez anteriores, existen muchos otros métodos para calcular la rigidez en el extranjero, que no se presentarán aquí. Los investigadores mecánicos chinos han llevado a cabo extensas investigaciones y análisis experimentales sobre fuelles, logrando resultados fructíferos. Los métodos de investigación más importantes incluyen:
(1) Método de perturbación
(2) Método de parámetro inicial de integración numérica
(3) Método de ecuación integral
(4) Método de elementos finitos de perturbación. Todos estos métodos pueden proporcionar cálculos relativamente precisos de los fuelles. Sin embargo, debido a la aplicación de matemáticas teóricas y computacionales avanzadas, su aplicación en ingeniería es algo difícil y difícil de dominar, lo que requiere una mayor popularización y promoción.
Cálculo de rigidez cuando se utilizan fuelles metálicos junto con resortes helicoidales
Cuando se requiere una alta rigidez durante el uso, pero la rigidez del propio fuelle metálico es relativamente baja, se puede considerar colocar un resorte helicoidal cilíndrico dentro o fuera del fuelle. Esto no sólo mejora la rigidez de todo el sistema elástico sino que también reduce en gran medida el error causado por la histéresis. El comportamiento elástico de este sistema depende principalmente de las características del resorte y de la estabilidad del área efectiva del fuelle.
Rigidez a la flexión de los fuelles
Cálculo de tensión de fuelles
Como componente de sellado elástico, un fuelle metálico debe cumplir primero con el requisito de resistencia, es decir, su tensión máxima no excede la tensión permitida en determinadas condiciones. La tensión permitida se puede obtener dividiendo la tensión última por un factor de seguridad. Dependiendo de las condiciones de trabajo del fuelle y los requisitos de uso, la tensión última puede ser el límite elástico, la tensión crítica en la que el fuelle se vuelve inestable o la resistencia a la fatiga, etc. Calcular la tensión de trabajo máxima de un fuelle requiere analizar la distribución de tensiones dentro de la pared del fuelle.
La tensión sobre un fuelle se genera por la presión en el sistema y la deformación del fuelle. La presión genera tensiones circunferenciales en los fuelles, mientras que las tensiones radiales de membrana y de flexión se generan en las paredes laterales, valles y crestas de la onda. Las capas delgadas que no pueden resistir la flexión a veces se denominan membranas, y la tensión calculada ignorando la flexión se llama tensión de membrana. La tensión radial de la membrana y la tensión de flexión se generan cuando el fuelle se deforma. Cuando los fuelles están en funcionamiento, algunos soportan presión interna y otros soportan presión externa. Por ejemplo, las juntas de expansión de fuelle y las mangueras metálicas soportan principalmente presión interna, mientras que los fuelles utilizados para sellos de vástago de válvula generalmente soportan presión externa. Este análisis se centra principalmente en la tensión de los fuelles bajo presión interna. La capacidad de los fuelles para soportar presiones externas es generalmente mayor que su capacidad para soportar presiones internas. Con la aplicación generalizada de los fuelles, se han llevado a cabo extensos análisis, investigaciones y verificación experimental de la tensión de los fuelles, lo que ha dado como resultado muchas fórmulas de cálculo, programas y gráficos para el diseño de ingeniería. Sin embargo, algunos métodos son incómodos de usar debido a sus gráficos o programas complejos, mientras que otros hacen suposiciones demasiado simplificadas o idealizadas, lo que dificulta garantizar un uso seguro y confiable. Muchos métodos no han sido aceptados por la comunidad de ingenieros. Por lo tanto, sólo unos pocos métodos cumplen verdaderamente los requisitos prácticos. Dos métodos comúnmente utilizados son los siguientes:
Método numérico para calcular la tensión del fuelle
Este método supone que todos los fuelles se encuentran en las mismas condiciones y solo estudia una media{0}}onda de los fuelles durante el cálculo. Por lo tanto, los fuelles de los extremos no se consideran en el estudio, aunque las condiciones de contorno de los fuelles de los extremos son diferentes de las del fuelle del medio. El método numérico se basa en E... La solución se deriva de las ecuaciones no lineales propuestas por Lesner para la deformación axialmente simétrica de una capa de revolución de paredes delgadas-con espesor de pared variable. Al derivar las ecuaciones de E. Lesner, se aplican supuestos generales de la teoría de la capa delgada-, que incluyen: el supuesto de que el espesor es muy pequeño en comparación con los radios principales de curvatura de la capa; y los supuestos de homogeneidad e isotropía del material. Estas suposiciones también introducen ciertos errores en los cálculos. Esto se debe a que durante la fabricación de fuelles, el laminado, el estirado y la posterior formación plástica corrugada del tocho provocan anisotropía y falta de uniformidad en las propiedades mecánicas del material.
Método de cálculo de tensiones de la EJMA americana
Cálculo del área efectiva de fuelles
El área efectiva es uno de los parámetros básicos de rendimiento de un fuelle. Caracteriza la capacidad del fuelle para convertir la presión en fuerza concentrada. En aplicaciones donde se utilizan fuelles para convertir la presión en fuerza concentrada, el área efectiva es un parámetro crucial.
Cuando se utilizan fuelles en instrumentos-equilibrados con fuerza, la estabilidad de su área efectiva afecta directamente la precisión del instrumento. Por lo tanto, en tales aplicaciones, no sólo se requiere un área efectiva razonable, sino que el área efectiva también debe permanecer sin cambios durante la operación, independientemente de las condiciones de trabajo.
1. Concepto y cambios en el área efectiva
El área efectiva es un área equivalente sobre la cual la presión ejercida producirá una fuerza axial igual. Generalmente, el área efectiva de un fuelle disminuye al aumentar la presión interna y aumenta al aumentar la presión externa.
2. Área Volumétrica Efectiva de un Fuelle
La relación entre el cambio de volumen de un fuelle bajo una fuerza externa o una diferencia de presión y el cambio correspondiente en la longitud efectiva se denomina área volumétrica efectiva.
3. Cálculo del Área Efectiva de un Fuelle
Los requisitos y los métodos de cálculo del área efectiva de un fuelle dependen del uso previsto. Si el fuelle se utiliza como sello elástico o para compensación térmica de tuberías, el área efectiva sólo es significativa para calcular la fuerza axial durante la formación del fuelle y el empuje en el sistema. A menudo existe una diferencia entre el área efectiva calculada y medida de un fuelle. Generalmente, es suficiente calcular el área efectiva mediante una fórmula específica.
Cuando los fuelles se utilizan en instrumentos de equilibrio de fuerza y aplicaciones que requieren convertir la presión en fuerza, su área efectiva debe determinarse con precisión, lo que requiere mediciones individuales.
Sensibilidad: El desplazamiento de un fuelle metálico y otros elementos elásticos bajo una unidad de carga se denomina sensibilidad del elemento. La rigidez y la sensibilidad son los principales parámetros funcionales de los fuelles y otros elementos elásticos, pero son dos formas diferentes de expresar la misma característica de desempeño. Para diferentes situaciones, se puede utilizar cualquiera de los parámetros para facilitar el análisis.
Área efectiva: para elementos elásticos que realizan conversión de presión-fuerza o fuerza-presión, otro indicador funcional importante es el área efectiva. El área efectiva se refiere a la magnitud de la fuerza concentrada que el elemento elástico puede convertir cuando su desplazamiento es cero bajo una presión unitaria.
Vida útil: Los elementos elásticos operan en dos estados: uno está trabajando bajo ciertas condiciones de carga y desplazamiento, manteniendo una carga y desplazamiento constante o mínimamente cambiante, llamado operación estática; el otro es cuando la carga y el desplazamiento cambian continua y cíclicamente, y el elemento está en un estado operativo cíclico. Debido a los diferentes estados de funcionamiento, también difieren los modos de daño o fallo del elemento. Los elementos elásticos sensibles del instrumento operan dentro de su rango elástico, esencialmente en un estado operativo estático, y tienen una vida útil muy larga, que generalmente alcanza decenas de miles a cientos de miles de ciclos. Los componentes de tipo fuelle-utilizados en ingeniería a veces funcionan dentro de un rango elástico-plástico o bajo tensión alterna, con una vida útil de sólo unos pocos cientos a miles de ciclos. Cuando los componentes se utilizan en funcionamiento cíclico, se debe especificar una vida útil permitida, incluido el número de ciclos, el tiempo y la frecuencia.
La vida nominal de un elemento elástico es la vida útil esperada determinada durante el diseño del elemento, lo que requiere que el elemento no experimente fatiga, daño o falla dentro de este período.
Rendimiento de sellado: El rendimiento de sellado se refiere a la capacidad de un elemento para evitar fugas bajo una determinada diferencia de presión interna y externa. Los componentes tipo fuelle-funcionan con su cavidad interna llena de gas o medio líquido bajo presión, por lo tanto, se debe garantizar el rendimiento del sellado. Los métodos de prueba del rendimiento del sellado incluyen pruebas de sellado neumático, pruebas de fugas, pruebas de presurización de líquidos y detección de fugas utilizando agua jabonosa o un espectrómetro de masas de helio.
Frecuencia Natural: Los elementos elásticos utilizados en la industria suelen operar en ambientes con cierto grado de vibración. Algunos componentes se utilizan como piezas de aislamiento de vibraciones y se encuentran ellos mismos en condiciones de vibración. Para elementos elásticos utilizados en condiciones especiales, es esencial evitar que la frecuencia natural del elemento (especialmente la frecuencia fundamental) esté cerca de la frecuencia de cualquier fuente de vibración en el sistema para evitar resonancias y daños. Los componentes de fuelle se utilizan ampliamente en diversos campos. Para evitar daños a las superficies resonantes del fuelle, la frecuencia natural del fuelle debe ser menor que la frecuencia de vibración del sistema, o al menos un 50% mayor.
Temperatura de funcionamiento: El rango de temperatura de funcionamiento de los componentes de fuelles metálicos es amplio y generalmente se especifica antes del diseño y fabricación del elemento elástico. Algunos fuelles-para fines especiales tienen cavidades internas que pueden soportar oxígeno líquido (-196 grados) o incluso temperaturas más bajas como el nitrógeno líquido, con una resistencia a la presión de hasta 25 MPa. Las juntas de expansión de fuelle grandes (a veces con diámetros nominales superiores a 1 m) utilizadas para conexiones de sistemas de tuberías requieren una resistencia a la presión de 4 MPa, una resistencia a la temperatura de 400 grados y un cierto grado de resistencia a la corrosión. La adaptabilidad a la temperatura del elemento elástico depende de la resistencia a la temperatura del material elástico utilizado. Por lo tanto, seleccionar un material elástico con parámetros de rendimiento de temperatura apropiados en función del rango de temperatura de funcionamiento del elemento elástico es esencial para fabricar componentes de fuelle calificados.
