Сильфоны. 
Пневматические системы автоматики

Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную в радиальном направлении цилиндрическую трубку (рис. 2.15/.

Рис. 2.15. Цельнометаллический сильфон

Под действием давления или силы, приложенной вдоль оси, изменяется длина сильфона. Функции, выполняемые сильфонами, весьма разнообразны. Они применяются для упругого соединения трубопроводов, расположенных под углом и со смещением по оси, их используют в качестве пневматического объема переменной емкости или уплотнителей в регулируемых дросселях, а также для разграничения двух сред в манометрических датчиках.

В пневмоавтоматике сильфоны используют для построения высокоточных вычислительных устройств, так как сильфоны хорошо сохраняют свои характеристики, в особенности при тех незначительных перемещениях, какие имеют место в этих устройствах. В приборостроении применяют сильфоны с диаметрами от 7 до 150 мм и толщиной стенки от 0,08 до 0,3 мм.

При необходимости повысить жесткость сильфона его устанавливают совместно с винтовой цилиндрической пружиной. Если сильфон изготовлен из материала с низкой упругостью, то, выбрав жесткость пружины в несколько раз больше жесткости сильфона, можно практически избавиться от какого-либо влияния упругих свойств сильфона на статическую характеристику. Для экономии места пружину размещают внутри сильфона. Увеличение жесткости сильфона за счет увеличения толщины стенки невыгодно, так как материал работает на изгиб и при том же прогибе возрастут напряжения.

При очень больших давлениях, когда прочность тонкостенного сильфона оказывается недостаточной, применяют многослойные сильфоны, что ведет к уменьшению напряжений и увеличению чувствительности по сравнению с однослойными сильфонами той же толщины. Однако вследствие трения слоев у многослойных сильфонов увеличивается гистерезис.

При конструировании приборов стремятся установить сильфоны так, чтобы они работали на сжатие, так как в этом случае они выдерживают давление до двух раз выше, чем при работе на растяжение.

Если сильфоны используют в пневматических вычислительных устройствах, работающих по принципу компенсации сил, то давление обычно подается внутрь сильфона, так как перемещение сильфона при этом мало и потеря устойчивости прямолинейной формы оси исключена.

Для расчета эффективной площади сильфона применяют эмпирическую форму лу, дающую хорошее совпадение с экспериментом:

где R_hvRbсоответственно наружный и внутренний радиусы сильфона.

Перемещение сильфона под действием давления р равно перемещению сильфона под действием осевой сосредоточенной силы.

Если при увеличении давления в сильфоне дно сильфона, перемещаясь, встречает на своем пути упор (рис. 2.16), то сила N. с которой сильфон действует на упор:

где р — давление в сильфоне, С/ - жесткость сильфона, И₀- ход сильфона до упора, ро — давление, при котором дно сильфона дошло до упора.

Рис. 2.16. Схема действия сильфона на упор

При отсутствии упора N = 0 и вся сила, создаваемая давлением, уходит на растяжение сильфона. В этом случае справедливо равенство:

При совместной работе сильфона и винтовой цилиндрической пружины (рис. 2.17, а, 6) усилие, действующее на сильфон со стороны пружины, можно подсчитать по формуле:

где C2 - жесткость пружины.

Рис. 2. / 7. Схема работы сильфона со&честно с винтовой цилиндрической пружиной.

Эта же сила может быть выражена через параметры сильфона. Если h = h₀, то получим:

Статическая характеристика сильфона, представляющая собой зависимость перемещения h от давления или осевой силы, линейна для довольно значительных перемещений.

Следует отметить разницу между эффективной площадью мембраны Fj и эффективной площадью сильфона Fjc При рассмотрении в предыдущем разделе эластичных мембран понятие жесткости не вводилось, при этом эффективная площадь мембраны оказывается зависящей от величины хода при любых возможных смещениях жесткого центра. Если ввести понятие жесткости, под которой понимается отношение силы /V/, действующей на сильфон, к перемещению его днища И, то эффективная площадь сильфона Foe будет постоянной при условии сохранения постоянства жесткости. Это имеет место на линейном участке статической характеристики. Таким образом, произведение эффективной площади мембраны Fj на давление р дает внешнее рабочее усилие, а соответствующее произведение эффективной площади сильфона Fx на давление — полную силу, часть которой в общем случае идет на создание внешнего рабочего усилия, а часть — на растяжение сильфона. Однако все сказанное не исключает возможности при описании жестких мембран вводить в рассмотрение жесткость.

Под площадью поршневого действия сильфона понимают условную площадь, равную частному от деления приращения объема па перемешение днища. Для сильфона площадь поршневого действия может быть приближенно принята равной эффёктивной площади, т. е.

где h — перемещение дна сильфона, AV— приращение объема.

Жесткость сварных сильфонов, у которых толщина материала б во всех точках практически одинакова, рассчитывают по формуле.

где п — число рабочих гофров, R" - наружный радиус сильфона, Е- модуль упругости материала. Коэффициент/! вычисляют по формуле.

где Цц — коэффициент Пуассона, ^ - безразмерный параметр сильфона.

У бесшовного сильфона, изготовленного гидравлическим или механогидравличсским способом путем вытяжки заготовки, толщина стенки в различных точках различная. Во внутренних точках на радиусе Rh (рис. 2.1S) толщина стенки равна толщине б₀ трубки-заготовки.

Рис. 2.18. Пшене ние толщины стенок сильфона

С увеличением радиуса толщина убывает. Толщина стенки сильфона в зависимости от радиуса может быть рассчитана по эмпирической формуле:

Для расчета бесшовных сильфонов вместо б³ подставляют его осредненное значение, равно среднему арифметическому из кубов толщин сильфона в нескольких точках, взятых на различных расстояниях от оси.

R + R

Так, для точек, отстоящих от оси на расстояниях R_H, ^в———- и R_H (соответственно точек 1,2, 3 на рис. 2.18), эти толщины будут равны:

Усредненное значение определяют из выражения:

У промышленных сильфонов в паспортах жесткость указывается, и необходимость в ее расчете отпадает.

На рис. 2.19 приведены зависимости развиваемых сильфоном усилий при изменении его объема с увеличением рабочего хода для эффективного диаметра 145 мм и различных рабочих давлений.

Рис. 2.19. Характеристики сильфонов Рабочее давление: 1−2 бара; 2−4 бара; 3 — б бара;, 4 — объем

Условное обозначение сильфона дано на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Условное обозначение сильфона