Cильфоны: цельные, сварные и сильфонные компенсаторы

Быстрое развитие химии и атомной энергетики вызвало потребность в арматуре, работающей на агрессивных и радиоактивных средах. К этой арматуре предъявляются повышенные требования в отношении плотности всех соединений. Помимо этого должна быть обеспечена безопасность дистанционного монтажа и демонтажа арматуры. Сальниковые уплотнения с мягкой набивкой не удовлетворяют этим требованиям, так как они требуют периодической подтяжки, а иногда и замены набивки. В связи с этим быстрое развитие получила так называемая сильфонная арматура, в которой уплотнение соединения шпиндель—крышка обеспечивается сильфоном (при поступательном, а иногда и вращательном движении шпинделя). Сальник в этом случае либо вовсе отсутствует, либо играет вспомогательную роль.

Рис. 376. Сильфон цельный

Используются сильфоны также и для выполнения задач привода, в этом случае сильфон заменяет цилиндр с поршнем. Иногда используют упругие свойства сильфона и для замены пружины, что имеет место при необходимости установки сильфона.
Первоначально сильфоны в арматуре использовались для целей привода в термостатных конденсатоотводчиках, в настоящее время наибольшее применение они имеют в вентилях.
Сильфоны изготовляются из полутомпака Л80 и из коррозионностойкой стали Х18Н10Т и других марок, а также из неметаллических материалов (фторопласт и др.). По числу слоев сильфоны бывают однослойные и многослойные. К сильфонам предъявляются обычно требования, по которым они должны обеспечить определенный ход при рабочем давлении и гарантировать нормальную работу изделия в течение достаточного срока, т. е. иметь необходимую долговечность. Очень часто к ним предъявляются также требования по антикоррозионной устойчивости.
До настоящего времени нет достаточно простого и удобного для практического применения аналитического метода расчета сильфонов.

Рис. 377. Сильфон сварной

Некоторые из имеющихся практических данных, которые могут быть использованы при расчете, приведены ниже. Следует иметь в виду, что эти формулы и графики дают приближенные величины жесткости и долговечности и в практике могут иметь место отклонения от полученных расчетным путем.
По методу изготовления сильфоны могут быть цельными (рис. 376) и сварными (рис. 377); их упругие свойства различны. С точки зрения упругих свойств сильфон (при отсутствии давления среды) можно приравнять к пружине с жесткостью С0, где

где Q_yc — нагрузка,  кГ (сила  упругости сильфона — без дей­ствия давления среды) в кГ;

λ — упругий ход сильфона в мм.

На основном участке (упругого хода) жесткость С₀ является величиной постоянной, следовательно, приближенный график изменения силы от прогиба будет иметь вид прямой линии, про­ходящей через начало координат (рис. 378). Такой график не вполне точно отвечает свойствам сильфона в связи с наличием петли гистерезиса (штриховая линия), но для практических целей он вполне применим.

Жесткость цельного однослойного сильфона (рис. 376) при отсутствии давления среды может быть определена по формуле

где D_H и D_в — наружный и внутренний диаметры сильфона в мм;

t — шаг гофра в мм;

δ— толщина стенки сильфона в мм;

п — число гофров в сильфоие;

Е — модуль нормальной   упругости в кГмм².

Модуль   упругости   полутомпака   Л80   равен  11 600 кГ1мм^г, стали Х18Н10Т — 20 200 кГ/мм².

Для упрощения вычислений разработана номограмма значе­ний γ = 2,5 (1 + 0.013t²) δ^2,45 приведенная на рис. 379.

С использованием номограммы формула для определения жесткости приобретает вид

Как видно из формулы, на жесткость сильфона большое влия­ние (степень 2,45) оказывает толщина стенки б. Вследствие слож­ности технологического процесса изготовления сильфона толщина стенки получает местные изменения и не может быть выдержана в жестких допусках. Во всяком случае колебания толщины стенки в пределах 10% считаются вполне допустимыми. Это дает значи­тельные отклонения фактической жесткости сильфона от расчетной.

Для получения более точных результатов рекомендуется в формулу подставлять уточненные значения δ = δ’, полученные путем усреднения толщины стенки в соответствии с фактическим весом сильфона:

где    δ_н — толщина стенки по нормали в мм;

G_H — расчетный вес сильфона по нормали;

G_ф — фактический вес рассчитываемого сильфона.

Рис.378. Характеристики сильфона

Рис.379. Номограмма для определения коэфициента γ

Если жесткость сильфона подсчитана по толщине стенки δ_н т. е. имеется теоретическая жесткость сильфона, то уточнение жесткости по усредненной толщине стенки δ’ можно произвести путем умножения на соответствующее значение (δ’/δ_н)^2,45 ,   т. е.

С’о = Со (δ’/δ_н)^2,45 кГ/мм,

где С ‘о — уточненное значение Со.

При действии гидростатического давления снаружи или внутри сильфона последний деформируется под действием усилия Q_cp = PF_г, где F_г — площадь  действия  гидравлического давления в см². Обычно считают

F_г = 0,785 D²_г,

где

В подавляющем большинстве случаев сильфоны работают в сжатом состоянии и лишь в редких случаях, на некоторых участках хода, — в растянутом.

При сжатом сильфоне сила упругого сопротивления сжатию действует в сторону действия усилия от давления среды, при рас­тянутом сильфоне — в обратную сторону.

Это условие можно представить в виде формулы

Q_Сф = Q_cр ± Q_yc ,

где Q_cф — сила, передаваемая сильфоном, в кГ.

Знак «плюс» принимается для сжатого сильфона, «минус» — для растянутого.

В аналогичных случаях (расчет мембран) пользуются понятием «эффективная площадь», которая учитывает общий результат действия гидравлического давления среды и силы, вызываемой силами упругости. Принимают Q_cф = PF_э.

Приравнивая   PF_э = Q_cp ± Q_уc, получаем

В тех случаях, когда усилие от жесткости сильфона имеет незначительную величину по сравнению с усилием от действия среды величиной Q_ус пренебрегают и принимают Q_сф = Q_cp.

На рис. 380 приведен пример расчетного графика из числа применяемых   при  расчете сильфонов.

График дан для двухслойного сильфона с наружным диа­метром D_H = 27 ± 0,84 мм и внутренним D_в = 17,3 мм. Шаг гофра t = 2,5мм, F_г = 3,75см².

Рис.380. Расчетный график сильфона НС27-12-0,16х2:

1-линейный ход λ,  2-жесткость С_р, 3-установочная длина L