Die theoretischen Grundlagen für die Konstruktion von Metallbälgen liegen in der Platten- und Schalentheorie, der Materialmechanik und der Computermathematik. Bei der Balgkonstruktion spielen viele Parameter eine Rolle, und der Schwerpunkt der Konstruktionsberechnungen variiert je nach Anwendung des Balgs im System. Wenn beispielsweise Faltenbälge in Kraftausgleichskomponenten verwendet werden, muss ihre wirksame Fläche konstant bleiben oder sich innerhalb des Betriebsbereichs nur sehr wenig ändern; bei der Messung von Bauteilen müssen deren elastische Eigenschaften linear sein; Bei der Verwendung als Vakuumdichtungen in Vakuumschaltröhren müssen die Bälge die Anforderungen an Vakuumdichtigkeit, axiale Verschiebung und Ermüdungslebensdauer erfüllen. Bei der Verwendung als Dichtungen in Ventilen müssen die Faltenbälge eine bestimmte Druckfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit, Betriebsverdrängung und Ermüdungslebensdauer aufweisen. Basierend auf den strukturellen Eigenschaften des Balgs kann davon ausgegangen werden, dass er aus einer kreisförmigen Schale, einer flachen konischen Schale oder einer kreisförmigen Platte besteht. Bei der Konstruktion und Berechnung eines Balgs handelt es sich im Wesentlichen um die Konstruktion und Berechnung einer kreisförmigen Schale, einer flachen konischen Schale oder einer kreisförmigen Platte.
Zu den berechneten Parametern gehören Steifigkeit, Spannung, wirksame Fläche, Instabilität, zulässige Verschiebung, Druckfestigkeit und Lebensdauer.
Druckfestigkeit: Die Druckfestigkeit ist ein entscheidender Parameter für die Leistung eines Balgs. Der maximale statische Druck, dem ein Balg bei Raumtemperatur ohne plastische Verformung standhalten kann, ist seine maximale Druckfestigkeit. Unter normalen Umständen arbeiten Faltenbälge unter einem bestimmten Druck (intern oder extern), sodass sie diesem Druck während des gesamten Betriebs ohne plastische Verformung standhalten müssen.
Die Druckfestigkeit eines Balgs fällt eigentlich in die Kategorie seiner Festigkeit. Der Schlüssel zur Berechnung ist die Spannungsanalyse, bei der die Belastung der Balgwand analysiert wird. Solange die Spannung an der Stelle maximaler Belastung der Balgwand die Streckgrenze des Materials nicht überschreitet, erreicht der Druck auf den Balg nicht seine Druckfestigkeit.
Unter gleichen Betriebsbedingungen ist der gleiche Balg unter Außendruck stabiler als unter Innendruck. Daher ist die maximale Druckfestigkeit bei Außendruck höher als bei Innendruck.
Wenn beide Enden eines Balgs befestigt sind und ein ausreichend großer Druck in seinen inneren Hohlraum ausgeübt wird, können die Balgkämme platzen und versagen. Der Druckwert im Inneren des Balgs zu Beginn des Berstens wird als Berstdruck bezeichnet. Der Berstdruck ist ein Parameter, der die maximale Druckfestigkeit eines Faltenbalges charakterisiert. Während des gesamten Betriebs ist der Arbeitsdruck des Balgs weitaus geringer als sein Berstdruck; Andernfalls reißt der Balg und wird beschädigt.
Wenn die Wellenlänge kleiner oder gleich dem Außendurchmesser ist, liegt das berechnete Ergebnis sehr nahe am tatsächlichen Berstdruck; Bei schlanken Bälgen ist der tatsächliche Berstdruck deutlich geringer. Der Berstdruck beträgt etwa das 3- bis 10-fache des zulässigen Arbeitsdrucks.
Stabilität: Wenn beide Enden des Balgs eingeschränkt sind und der Druck im Balg einen bestimmten kritischen Wert erreicht, wird der Balg instabil.
Zulässige Verschiebung: Bei einem unter Druck arbeitenden Balg ist seine maximale Kompressionsverschiebung die maximale Verschiebung, die der Balg erzeugen kann, wenn er unter Druck komprimiert wird, bis die Wellen miteinander in Kontakt kommen. Dies wird auch als maximal zulässige strukturelle Verschiebung bezeichnet und entspricht der Differenz zwischen der freien Länge und der maximal komprimierten Länge des Balgs.
Die maximale Verschiebung, die der Balg ohne plastische Verformung erreichen kann, wird als zulässige Verschiebung des Balgs bezeichnet.
Während des tatsächlichen Betriebs führt der Faltenbalg zu einer bleibenden Verformung, die auch als bleibende Verformung oder plastische Verformung bezeichnet wird. Unter Restverformung versteht man das Phänomen, dass sich ein Balg unter Kraft oder Druck verformt und nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt, nachdem die Kraft oder der Druck entfernt wurde. Sie wird normalerweise als der Betrag ausgedrückt, um den der Balg nicht in seine ursprüngliche Position zurückkehrt, auch bekannt als Nullpositionsversatz.
Was die Beziehung zwischen Balgverschiebung und Nullpositionsversatz anbelangt, unabhängig davon, ob es sich um eine Zug- oder Druckverschiebung handelt, ist die Restverformung im Anfangsstadium der Balgverschiebung sehr gering, im Allgemeinen geringer als der zulässige Nullpositionsversatzwert, der in der Balgnorm angegeben ist. Wenn jedoch die Zug- (oder Druck-)Verschiebung allmählich ansteigt und einen bestimmten Wert überschreitet, führt dies zu einem plötzlichen Anstieg des Nullpositionsversatzwerts. Dies weist darauf hin, dass der Balg eine relativ große Restverformung erzeugt hat. Ab diesem Punkt nimmt die Restverformung deutlich zu, wenn die Verschiebung auch nur geringfügig erhöht wird. Deshalb sollte der Balg diesen Verschiebeweg im Allgemeinen nicht überschreiten; Andernfalls werden Genauigkeit, Stabilität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erheblich beeinträchtigt.
Die zulässige Kompressionsverschiebung eines Balgs unter Druck ist größer als seine zulässige Zugverschiebung unter Spannung. Daher sollten Bälge so konstruiert sein, dass sie möglichst unter Druck arbeiten. Experimente haben gezeigt, dass unter normalen Umständen bei Bälgen aus demselben Material und denselben Spezifikationen die zulässige Druckverschiebung das 1,5-fache der zulässigen Zugverschiebung beträgt.
Die zulässige Verschiebung hängt von den geometrischen Abmessungen und Materialeigenschaften des Balgs ab. Im Allgemeinen ist die zulässige Verschiebung direkt proportional zur Streckgrenze des Materials und dem Quadrat des Außendurchmessers und umgekehrt proportional zum Elastizitätsmodul des Materials und der Wandstärke des Balgs. Auch die relative Riffelungstiefe und -dicke haben einen gewissen Einfluss.
Lebensdauer: Die Lebensdauer eines Faltenbalgs ist die kürzestmögliche Betriebsdauer oder Anzahl der Zyklen, die erforderlich ist, um den normalen Betrieb unter Arbeitsbedingungen sicherzustellen. Elastische Dichtungssysteme aus Faltenbälgen arbeiten häufig unter wechselnden Belastungen und großen Verschiebungen mit einer hohen Zyklenzahl; Daher ist die Bestimmung der Lebensdauer des Balgs von entscheidender Bedeutung. Denn unterschiedliche Funktionen von Bälgen erfordern unterschiedliche Lebensdauern...
(1) Wenn Faltenbälge zum Ausgleich von Positionsabweichungen verwendet werden, die durch den Einbau in ein Rohrleitungssystem verursacht werden, beträgt die erforderliche Lebensdauer nur wenige Zyklen.
(2) Wenn Faltenbälge in Thermostaten mit hohen Schaltfrequenzen verwendet werden, muss ihre Lebensdauer 10.000 Zyklen erreichen, um den Nutzungsanforderungen gerecht zu werden.
(3) Wenn der Faltenbalg als Vakuumdichtung in Vakuumschaltern verwendet wird, muss seine Lebensdauer 30.000 Zyklen erreichen, um einen normalen Betrieb zu gewährleisten.
Wie aus den oben genannten drei Anwendungsbeispielen hervorgeht, schwankt die erforderliche Lebensdauer von Faltenbälgen aufgrund unterschiedlicher Einsatzbedingungen stark. Die Lebensdauer eines Balgs hängt von den Ermüdungseigenschaften des ausgewählten Materials sowie von der Größe der Eigenspannung im geformten Balg, der Spannungskonzentration und der Oberflächenqualität ab. Darüber hinaus hängt die Lebensdauer von den Betriebsbedingungen des Balgs ab, wie z. B. Verschiebung, Druck, Temperatur, Arbeitsmedium, Vibrationsbedingungen, Frequenzbereich und Aufprallbedingungen.
Im Betrieb hängt die Lebensdauer eines Faltenbalgs maßgeblich von der maximalen Beanspruchung ab, die im Betrieb entsteht. Um die Belastung zu reduzieren, wird dies im Allgemeinen durch eine Verringerung der Arbeitsverschiebung des Balgs und eine Senkung des Arbeitsdrucks erreicht. Im Allgemeinen sollte die Arbeitsverdrängung eines Balgs weniger als die Hälfte seiner zulässigen Verdrängung und sein Arbeitsdruck weniger als die Hälfte seines Druckwiderstands betragen.
Tests an gefertigten Bälgen haben gezeigt, dass die Lebensdauer des Faltenbalgs bei Einhaltung dieser Spezifikationen in der Regel etwa 50.000 Zyklen erreichen kann.
Abhängig von der Art des Arbeitsdrucks variiert auch die zulässige Verschiebung des Balgs. Wenn der Balg nur axiale Belastungen (Zug oder Druck) trägt, kann seine zulässige Verschiebung im Allgemeinen zwischen 10 % und 40 % der effektiven Länge des Balgs gewählt werden; Wenn der Balg jedoch seitliche konzentrierte Kräfte, Torsionsmomente oder kombinierte Kräfte trägt, sollte die zulässige Verschiebung entsprechend reduziert werden.
Durch den Einsatz mehrschichtiger Bälge können die durch Verformung verursachte Steifigkeit und Spannung reduziert und so die Lebensdauer des Balgs deutlich verbessert werden.
Wenn Faltenbälge unter den gleichen Bedingungen, aber mit unterschiedlichen Arbeitsdruckeigenschaften (konstante oder wechselnde Belastung) betrieben werden, ist ihre Lebensdauer unterschiedlich. Offensichtlich ist die Lebensdauer eines Faltenbalgs bei wechselnder Belastung kürzer als bei konstanter Belastung.
