Độ cứng: Tải trọng cần thiết để tạo ra chuyển vị đơn vị trong hộp xếp kim loại hoặc phần tử đàn hồi khác được gọi là độ cứng của phần tử, thường được ký hiệu là "K". Nếu đặc tính đàn hồi của phần tử là phi tuyến thì độ cứng không còn không đổi mà thay đổi khi tải trọng tăng lên. Đối với các phần tử đàn hồi loại ống xếp-được sử dụng trong kỹ thuật nói chung, dung sai độ cứng được giới hạn ở +/- 50%. Độ cứng của ống thổi được phân loại thành độ cứng dọc trục, độ cứng uốn và độ cứng xoắn tùy theo tính chất của tải trọng và chuyển vị. Trong các ứng dụng hộp xếp, phần lớn tải trọng là tải trọng trục và chuyển vị là tuyến tính. Sau đây là một số phương pháp chính để tính toán độ cứng dọc trục của ống xếp:
1. Phương pháp năng lượng tính độ cứng của ống xếp
2. Công thức thực nghiệm tính độ cứng của ống xếp
3. Phương pháp số tính độ cứng của hộp xếp
4. Phương pháp tính độ cứng tiêu chuẩn EJMA
5. Phương pháp tính độ cứng TOYO của Nhật Bản
6. Phương pháp tính độ cứng KELLOGG (phương pháp mới) của Mỹ
Ngoài 6 phương pháp tính độ cứng trên, còn rất nhiều phương pháp tính độ cứng khác ở nước ngoài sẽ không được giới thiệu ở đây. Các nhà nghiên cứu cơ học Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng và phân tích thử nghiệm về ống thổi, đạt được nhiều kết quả khả quan. Các phương pháp nghiên cứu quan trọng nhất bao gồm:
(1) Phương pháp nhiễu loạn
(2) Phương pháp tham số ban đầu của tích phân số
(3) Phương pháp phương trình tích phân
(4) Phương pháp phần tử hữu hạn nhiễu loạn. Tất cả các phương pháp này có thể cung cấp các tính toán tương đối chính xác về ống thổi. Tuy nhiên, do ứng dụng toán học lý thuyết và tính toán tiên tiến nên ứng dụng kỹ thuật của chúng có phần khó khăn và khó thành thạo, đòi hỏi phải phổ biến và quảng bá hơn nữa.
Tính toán độ cứng khi sử dụng ống xếp kim loại kết hợp với lò xo xoắn ốc
Khi cần độ cứng cao trong quá trình sử dụng nhưng bản thân độ cứng của ống thổi kim loại tương đối thấp thì có thể coi một lò xo xoắn hình trụ được đặt bên trong hoặc bên ngoài ống thổi. Điều này không chỉ cải thiện độ cứng của toàn bộ hệ đàn hồi mà còn giảm đáng kể sai số do trễ gây ra. Hiệu suất đàn hồi của hệ thống này chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính của lò xo và độ ổn định của vùng hiệu quả của ống thổi.
Độ cứng uốn của ống thổi
Tính toán ứng suất của ống thổi
Là một bộ phận bịt kín đàn hồi, ống thổi kim loại trước tiên phải đáp ứng yêu cầu về độ bền, nghĩa là ứng suất tối đa của nó không vượt quá ứng suất cho phép trong các điều kiện nhất định. Ứng suất cho phép có thể đạt được bằng cách chia ứng suất tới hạn cho hệ số an toàn. Tùy thuộc vào điều kiện làm việc và yêu cầu sử dụng của ống thổi, ứng suất cực đại có thể là giới hạn chảy, ứng suất tới hạn khiến ống thổi trở nên không ổn định hoặc độ bền mỏi, v.v. Tính toán ứng suất làm việc tối đa của ống thổi yêu cầu phân tích sự phân bổ ứng suất trong thành ống thổi.
Ứng suất lên ống thổi được tạo ra bởi áp suất trong hệ thống và sự biến dạng của ống thổi. Áp suất tạo ra ứng suất theo chu vi lên các ống thổi, trong khi màng xuyên tâm và ứng suất uốn được tạo ra ở các thành bên, máng và đỉnh sóng. Lớp vỏ mỏng không thể chống lại sự uốn cong đôi khi được gọi là màng, và ứng suất được tính bằng cách bỏ qua sự uốn cong được gọi là ứng suất màng. Ứng suất xuyên tâm và ứng suất uốn được tạo ra khi ống thổi biến dạng. Khi ống thổi hoạt động, một số ống thổi chịu áp lực bên trong và một số chịu áp lực bên ngoài. Ví dụ, các khớp nối giãn nở của ống thổi và ống kim loại chủ yếu chịu áp suất bên trong, trong khi các ống thổi được sử dụng cho vòng đệm thân van thường chịu áp lực bên ngoài. Phân tích này chủ yếu tập trung vào ứng suất của ống thổi dưới áp lực bên trong. Khả năng chịu áp lực bên ngoài của ống thổi thường cao hơn khả năng chịu áp lực bên trong. Với việc ứng dụng rộng rãi hộp xếp, các phân tích, nghiên cứu và xác minh thực nghiệm sâu rộng về ứng suất của hộp xếp đã được tiến hành, dẫn đến nhiều công thức, chương trình và biểu đồ tính toán cho thiết kế kỹ thuật. Tuy nhiên, một số phương pháp không thuận tiện khi sử dụng do biểu đồ hoặc chương trình phức tạp, trong khi các phương pháp khác đưa ra các giả định quá đơn giản hoặc lý tưởng hóa, gây khó khăn cho việc đảm bảo sử dụng an toàn và đáng tin cậy. Nhiều phương pháp chưa được cộng đồng kỹ thuật chấp nhận. Vì vậy, chỉ có một số phương pháp thực sự đáp ứng được yêu cầu thực tế. Hai phương pháp thường được sử dụng như sau:
Phương pháp số để tính ứng suất ống thổi
Phương pháp này giả định rằng tất cả các ống thổi đều ở trong cùng điều kiện và chỉ nghiên cứu một nửa sóng của ống thổi trong quá trình tính toán. Vì vậy, các ống xếp cuối không được xem xét trong nghiên cứu, mặc dù các điều kiện biên của các ống xếp cuối khác với các điều kiện biên của các ống xếp ở giữa. Phương pháp số dựa trên E... Giải pháp được rút ra từ các phương trình phi tuyến do Lesner đề xuất cho biến dạng đối xứng dọc trục của một lớp vỏ có thành mỏng- xoay có độ dày thành khác nhau. Để suy ra các phương trình E. Lesner, các giả định chung của lý thuyết-vỏ mỏng được áp dụng, bao gồm: giả định rằng độ dày rất nhỏ so với bán kính chính của độ cong của vỏ; và các giả định về tính đồng nhất và đẳng hướng của vật liệu. Những giả định này cũng gây ra một số lỗi nhất định trong tính toán. Điều này là do trong quá trình sản xuất ống thổi, quá trình cán, kéo và sau đó tạo thành lớp nhựa gấp nếp của phôi gây ra sự bất đẳng hướng và{10}không đồng nhất trong các đặc tính cơ học của vật liệu.
Phương pháp tính toán ứng suất của EJMA Mỹ
Tính diện tích hiệu quả của ống thổi
Diện tích hiệu quả là một trong những thông số hiệu suất cơ bản của ống thổi. Nó đặc trưng cho khả năng chuyển đổi áp suất thành lực tập trung của ống thổi. Trong các ứng dụng sử dụng ống thổi để chuyển đổi áp suất thành lực tập trung đầu ra, diện tích hiệu dụng là một thông số quan trọng.
Khi ống thổi được sử dụng trong các thiết bị-cân bằng lực, độ ổn định của vùng hiệu dụng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của thiết bị. Do đó, trong các ứng dụng như vậy, không chỉ yêu cầu diện tích hiệu dụng hợp lý mà diện tích hiệu dụng cũng phải không thay đổi trong quá trình hoạt động bất kể điều kiện làm việc.
1. Khái niệm và những thay đổi trong khu vực hiệu quả
Diện tích hiệu dụng là diện tích tương đương mà áp lực tác dụng lên sẽ tạo ra một lực dọc trục bằng nhau. Nói chung, diện tích hiệu quả của ống thổi giảm khi áp suất bên trong tăng và tăng khi áp suất bên ngoài tăng.
2. Diện tích thể tích hiệu dụng của ống thổi
Tỷ lệ giữa sự thay đổi thể tích của ống thổi dưới tác dụng của ngoại lực hoặc chênh lệch áp suất với sự thay đổi tương ứng về chiều dài hiệu dụng được gọi là diện tích thể tích hiệu dụng của nó.
3. Tính diện tích hiệu dụng của ống thổi
Các yêu cầu và phương pháp tính diện tích hiệu dụng của ống thổi phụ thuộc vào mục đích sử dụng của nó. Nếu hộp xếp được sử dụng làm đệm kín đàn hồi hoặc để bù nhiệt cho đường ống thì diện tích hiệu dụng chỉ có ý nghĩa để tính toán lực dọc trục trong quá trình hình thành hộp xếp và lực đẩy trong hệ thống. Thường có sự khác biệt giữa diện tích hiệu dụng được tính toán và đo lường của ống thổi. Nói chung, tính diện tích hiệu quả bằng cách sử dụng một công thức cụ thể là đủ.
Khi ống thổi được sử dụng trong các thiết bị và ứng dụng cân bằng lực đòi hỏi áp suất phải chuyển đổi thành lực thì diện tích hiệu dụng của chúng phải được xác định chính xác và yêu cầu các phép đo riêng lẻ.
Độ nhạy: Sự dịch chuyển của ống thổi kim loại và các phần tử đàn hồi khác dưới một tải đơn vị được gọi là độ nhạy của phần tử. Độ cứng và độ nhạy là các thông số chức năng chính của ống thổi và các bộ phận đàn hồi khác, nhưng chúng là hai cách khác nhau để thể hiện cùng một đặc tính hiệu suất. Đối với các tình huống khác nhau, một trong hai tham số có thể được sử dụng để dễ phân tích.
Vùng hiệu dụng: Đối với các phần tử đàn hồi thực hiện chuyển đổi áp suất-lực hoặc lực-áp suất, một chỉ báo chức năng quan trọng khác là vùng hiệu dụng. Diện tích hiệu dụng đề cập đến độ lớn của lực tập trung mà phần tử đàn hồi có thể chuyển đổi khi độ dịch chuyển của nó bằng 0 dưới một đơn vị áp suất.
Tuổi thọ sử dụng: Các phần tử đàn hồi hoạt động ở hai trạng thái: một trạng thái làm việc trong các điều kiện tải và chuyển vị nhất định, duy trì tải trọng và chuyển vị thay đổi không đổi hoặc tối thiểu, được gọi là hoạt động tĩnh; trường hợp còn lại là khi tải và chuyển vị thay đổi liên tục và theo chu kỳ, và phần tử ở trạng thái vận hành theo chu kỳ. Do các trạng thái hoạt động khác nhau nên chế độ hư hỏng hoặc hỏng hóc của phần tử cũng khác nhau. Các bộ phận nhạy cảm đàn hồi của dụng cụ hoạt động trong phạm vi đàn hồi của chúng, về cơ bản ở trạng thái vận hành tĩnh và có tuổi thọ rất dài, thường đạt tới hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn chu kỳ. Các thành phần loại ống thổi được sử dụng trong kỹ thuật đôi khi hoạt động trong phạm vi nhựa đàn hồi hoặc dưới áp lực xen kẽ với tuổi thọ chỉ từ vài trăm đến một nghìn chu kỳ. Khi các bộ phận được sử dụng trong hoạt động theo chu kỳ, phải xác định tuổi thọ làm việc cho phép, bao gồm số chu kỳ, thời gian và tần số.
Tuổi thọ định mức của một phần tử đàn hồi là tuổi thọ sử dụng dự kiến được xác định trong quá trình thiết kế phần tử đó, yêu cầu phần tử đó không bị mỏi, hư hỏng hoặc hỏng hóc trong khoảng thời gian này.
Hiệu suất bịt kín: Hiệu suất bịt kín đề cập đến khả năng của một phần tử ngăn chặn rò rỉ dưới sự chênh lệch áp suất bên trong và bên ngoài nhất định. Các bộ phận thuộc loại ống thổi-hoạt động với khoang bên trong chứa đầy chất khí hoặc chất lỏng dưới áp suất, do đó, hiệu suất bịt kín phải được đảm bảo. Các phương pháp kiểm tra hiệu suất bịt kín bao gồm kiểm tra độ kín bằng khí nén, kiểm tra rò rỉ, kiểm tra áp suất chất lỏng và phát hiện rò rỉ bằng nước xà phòng hoặc máy quang phổ khối heli.
Tần số tự nhiên: Các phần tử đàn hồi dùng trong công nghiệp thường hoạt động trong môi trường có độ rung nhất định. Một số bộ phận được sử dụng làm bộ phận cách ly rung và bản thân chúng ở trong điều kiện rung. Đối với các phần tử đàn hồi được sử dụng trong các điều kiện đặc biệt, điều cần thiết là phải ngăn tần số tự nhiên của phần tử (đặc biệt là tần số cơ bản) gần với tần số của bất kỳ nguồn rung nào trong hệ thống để tránh cộng hưởng và hư hỏng. Các thành phần ống thổi được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Để tránh làm hỏng bề mặt cộng hưởng của ống thổi, tần số tự nhiên của ống thổi phải thấp hơn tần số rung của hệ thống hoặc cao hơn ít nhất 50%.
Nhiệt độ hoạt động: Phạm vi nhiệt độ hoạt động của các bộ phận ống thổi kim loại rộng và thường được chỉ định trước khi thiết kế và sản xuất phần tử đàn hồi. Một số-ống thổi có mục đích đặc biệt có các khoang bên trong có thể chịu được oxy lỏng (-196 độ ) hoặc thậm chí ở nhiệt độ thấp hơn như nitơ lỏng, với khả năng chịu áp suất lên tới 25MPa. Các khe co giãn ống thổi lớn (đôi khi có đường kính danh nghĩa vượt quá 1m) được sử dụng cho các kết nối hệ thống đường ống yêu cầu khả năng chịu áp suất 4MPa, khả năng chịu nhiệt độ 400 độ và mức độ chống ăn mòn nhất định. Khả năng thích ứng nhiệt độ của phần tử đàn hồi phụ thuộc vào khả năng chịu nhiệt độ của vật liệu đàn hồi được sử dụng. Do đó, việc lựa chọn vật liệu đàn hồi có các thông số hiệu suất nhiệt độ thích hợp dựa trên phạm vi nhiệt độ vận hành của phần tử đàn hồi là điều cần thiết để sản xuất các bộ phận ống thổi đủ tiêu chuẩn.
