Главная / Полезно знать / Напряженно-деформированное состояние круглого сильфона

Напряженно-деформированное состояние круглого сильфона

Сильфон компенсатора

Прочность сильфона характеризуется напряженно-дефор­мированным состоянием и зависит от размеров, формы и рас­положения на нем сварных швов.

В каждом гофре при работе возникают мембранные и изгибные окружные и меридиональные напряжения как от сжа­тия-растяжения, так и от давления. Оценка прочности с доста­точной для практики точностью производится по величине ме­ридиональных изгибных напряжений [45].

Известны сварные и бесшовные, однослойные и многослой­ные сильфоны. Сварные, как правило, бывают однослойные с гофрами различной формы (рис. 1). Гофры остроугольной формы (рис. 1, а) обладают хорошей податливостью, т. е. имеют небольшую жесткость и хорошую компенсирующую спо­собность. Но применяются они при низких давлениях (до 0,2 МПа) на неответственных трубопроводах. Это связано с высокой концентрацией напряжений в местах расположения сварных швов. Здесь напряжения от сжатия-растяжения и от давления  складываются, так как имеют одинаковый знак.

Напряжения в различных гофрах сильфонов

Рис.1   Напряжения в различных гофрах сильфонов: а - остроугольный гофр, б - торовый гофр, в - торо-пластинчатый гофр, г - многослойный торо-пластинчатый гофр

Торовые гофры (рис. 1,6) по сравнению с остроугольными обладают большей жесткостью, но имеют небольшую компенсирующую способность. Сильфоны с такими гофрами работают при давлении до 10 МПа.

Наиболее широко распространены гофры такой формы, где сочетаются торообразные оболочки и плоские пластины (рис. 2,в). Здесь нижние и верхние полуторы соединены кольцевыми пластинами. Однослойные сварные сильфоны с такой формой гофров ранее применялись при давлении до 0,7 МПа.

Гофр имел высоту 120 мм, толщину 4 мм и радиус полутора 30 мм. Эти размеры получены по приближенному расчету, когда каждая сторона гофра рассматривается как кольцевая пла­стина, последовательно связанная с другими кромками через жесткие кольца. Поскольку принятая расчетная схема не учитывает деформации полуторовых частей гофров, пара­метры сильфона оказались занижены. Кроме того, прочность оценивалась по допускаемым напряжениям, а не по кривой мало­цикловой усталости, что также привело к большим запасам.

В дальнейшем для выбора оптимальных размеров сильфо­нов применен расчет на ЭВМ с использованием известной  методики в которой гофр рассматривается как кривой брус на упругом основании. На основе этих расчетов предельное давление повышено до 1,6 МПа, высота гофра принята 75 мм, толщина 4 мм, а радиус полутора 14 мм.

Анализируя напряженно-деформированное состояние рас­сматриваемого гофра (рис. 1, в) отметим, что при сжатии наиболее нагружен нижний полутор, а при растяжении — верх­ний.

Бесшовные сильфоны изготовляются однослойными или многослойными. Однослойные ничем не отличаются от свар­ных, они изготовляются обкаткой и не имеют сварных швов, многослойные имеют несколько слоев (от 2 до 10). Бывают сильфоны с гофрами различной формы. Наиболее широко рас­пространены гофры U-образной и Q-образной формы (рис. 2).

Компенсаторы с ограниченными кольцами на сильфонах

Рис.2   Компенсаторы с ограничительными кольцами на сильфонах:

а,б - сильфон с торо-пластинчатыми гофрами, в,г - сильфон с Q-образными гофрами

Многослойные сильфоны из-за тонких слоев (0,35 мм) обла­дают малой жесткостью. Отмеченное свойство положительно для компенсатора, работающего на трубопроводах низкого дав­ления. С повышением рабочего давления жесткости гофров бывает недостаточно, отчего они выпучиваются и сильфон те­ряет устойчивость.

Чтобы исключить это нежелательное явление, на сильфон устанавливают ограничительные кольца. Ограничительные кольца имеют форму сечения, близкую к сечению гофра. Они изготовляются с высокой точностью и в местах соприкосновения с сильфоном имеют высокую чистоту обработки. На работаю­щих при давлении до 1,6 МПа компенсаторах с сильфоном, имеющим Q-образные гофры, круглые кольца сплошного сече­ния заменяют разрезными (рис. 2, г). При этом крайние коль­ца, прижимающие сильфон к патрубку, заменять не рекоменду­ется. Такая замена уменьшает жесткость и массу компенса­тора.

Анализируя напряженно-деформированное состояние гофра многослойного сильфона (рис. 1,г), можно отметить, что на­пряжения в слоях не одинаковы. Больше нагружен слой с на­именьшим радиусом на оболочках полутора, а меньше — с наи­большим радиусом.

 

* — Поля, обязательные для заполнения
* — Поля, обязательные для заполнения
* — Поля, обязательные для заполнения