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Auslegung und Auswahl von Metallwellrohren

Veröffentlichungsdatum:

2018-10-23

Grundlagen der Auslegung und Auswahl von Metallwellrohren
 
Bei der Anwendung von Faltenbälgen bilden die vorgegebenen Betriebsbedingungen des Gesamtsystems oder der Teilsysteme (Komponenten) die maßgebliche Grundlage für die Auslegung und Auswahl des Faltenbalgs. Im Allgemeinen umfassen die festgelegten Auslegungsbedingungen folgende Punkte:
 
(1) Maximale Raumabmessung oder Durchgangsöffnung
(2) Art und Größe der Betriebsbelastung
(3) Arbeitsweggröße
(4) Betriebstemperaturbereich
(5) Eigenschaften des Arbeitsmediums
(6) Genauigkeitsanforderungen
(7) Lebensdauer
 
Inhalt und Grundsätze der Auslegung und Auswahl von Metallwellrohren
 
Die wesentlichen Aspekte der Auslegung und Auswahl von Faltenbälgen bestehen darin, anhand der im System vorgegebenen Kenndaten das Material, die Konstruktionsform, die geometrischen Abmessungen sowie die Leistungsparameter des Balgs auszuwählen. Bei der Auswahl sind die Anforderungen des Systems an den Bals zu erfüllen; zugleich ist eine fortschrittliche und sinnvolle Konstruktion anzustreben, wobei – soweit möglich – eine optimierte Auslegung durchgeführt werden sollte. Praxiserfahrungen zeigen, dass die Auslegung und Auswahl von Faltenbälgen von entscheidender Bedeutung sind: Wird die Auslegung nicht sachgerecht vorgenommen, können selbst hochwertig gefertigte Bälge die gestellten Einsatzanforderungen nicht erfüllen.
 
1. Materialauswahl
 
Auf der Grundlage der bekannten Bedingungen – einschließlich des Verwendungszwecks des Faltenbalgs, der Art und Höhe der Belastungen, der Genauigkeitsanforderungen, des Arbeitsmediums, der Betriebstemperatur sowie der Lebensdauer – sowie unter Berücksichtigung der Umform‑ und Schweißbarkeit des Materials ist ein geeignetes Material auszuwählen. Zudem ist bei der Materialwahl dessen Marktverfügbarkeit zu berücksichtigen.
 
2. Festlegung der Strukturform
 
(1) Wellenform auswählen
 
Die Auswahl einer möglichst geeigneten Wellenform erfolgt unter Berücksichtigung des Verwendungszwecks, der Leistungsanforderungen, der Einsatzbedingungen sowie der jeweiligen Eigenschaften und Fertigungseigenschaften der verschiedenen Wellenformen. Im Allgemeinen werden in den meisten Fällen U‑förmige Wellen ausgewählt.
 
(2) Bestimmung der Anzahl der Wellrohrschichten
 
Die Anzahl der Schichten eines Faltenbalgs wird in Abhängigkeit von dessen Einsatzbereich, dem Betriebsdruck, der Steifigkeit sowie dem Arbeitsmedium festgelegt. Bei höheren Betriebsdrücken werden in der Regel mehrschichtige Faltenbälge eingesetzt; bei solchen mehrschichtigen Ausführungen sind die Anzahl der Schichten sowie die Wanddicke jeder einzelnen Schicht sorgfältig zu wählen.
 
(3) Vorläufige Abschätzung, ob eine Kombination mit anderen elastischen Elementen erforderlich ist.
 
In einigen Fällen werden Wellrohre und Schraubenfedern parallel geschaltet; dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine höhere Messgenauigkeit erforderlich ist, bei relativ hohen Betriebsdrücken oder bei Vorliegen von Stoßbelastungen.
 
(4) Auswahl der Konstruktionsformen an den beiden Enden des Faltenbalgs
 
Bei der Auswahl der Konstruktionsformen der beiden Endbereiche des Faltenbalgs sind die Umform‑ und Schweißverfahren der Endkonstruktionen sowie die strukturellen Einschränkungen des gesamten Systems zu berücksichtigen.
 
(5) Prüfen, ob eine Führungseinrichtung erforderlich ist
 
Bei relativ langen Wirklängen von Faltenbälgen ist zur Vermeidung einer zylindrischen Knickinstabilität während des Betriebs die zusätzliche Anordnung von Führungseinrichtungen zu berücksichtigen. So sind beispielsweise Faltenbälge für Ventile in der Regel mit einer Führung ausgestattet.
 
(6) Prüfen, ob ein Verstärkungsring erforderlich ist
 
Um den Anforderungen eines höheren Betriebsdrucks gerecht zu werden, können Wellrohre durch Verstärkungsringe oder durch eine mehrschichtige Konstruktion verstärkt werden; alternativ lässt sich auch eine Kombination beider Konstruktionsformen einsetzen. Verstärkungsringe bewirken eine lokale Verstärkung, während eine mehrschichtige Bauweise eine durchgängige Gesamtverstärkung ermöglicht.
 
3. Auslegungsberechnung und Auswahl der Konstruktionsparameter des Faltenbalgs
 
Die Leistungsfähigkeit eines Wellrohrs hängt von seiner Konstruktion ab. Zu den wichtigsten Konstruktionsparametern eines Wellrohrs zählen der Innendurchmesser, der Außendurchmesser, die Wandstärke, der Wellenabstand, die Wellenstärke, die Anzahl der Wellen sowie die Anzahl der Schichten; ferner die Abmessungen der beiden Endanschlussbereiche sowie die wirksame Länge und die Gesamtlänge. In der Regel sollten Anwender von Wellrohren dieses nicht eigenständig konstruieren, sondern aus den einschlägigen Normen sowie den Produktkatalogen der Hersteller auswählen. Auf diese Weise lassen sich Entwicklungsherausforderungen minimieren, gleichzeitig können Fertigungskosten gesenkt und die Produktionsdauer verkürzt werden.
 
4. Auslegung und Berechnung der Leistungsparameter des Wellrohrs
 
Nachdem die wesentlichen Konstruktionsdimensionen des Faltenbalgs durch Berechnung oder eine erste Auslegung festgelegt wurden, sind anschließend die Leistungsparameter des Faltenbalgs zu ermitteln. Falls die Leistungsparameter den technischen Anforderungen nicht genügen, sind die geometrischen Abmessungen des Faltenbalgs entsprechend anzupassen. Je nach Verwendungszweck unterscheiden sich die technischen Anforderungen; bei der Auslegung ist daher je nach den jeweiligen Anforderungen ein dementsprechendes Konstruktionsverfahren zu wählen. Für Messanwendungen werden in der Regel vor allem Steifigkeit, Festigkeit und elastische Eigenschaften gefordert. Zwar können verschiedene Faltenbälge mit unterschiedlichen Geometrien und Abmessungen dieselben Steifigkeitsanforderungen erfüllen; die dabei auftretenden Spannungswerte sind jedoch nicht identisch. Als sinnvoll erweisen sich solche Lösungen, die sowohl die Steifigkeitsanforderungen erfüllen als auch im Betrieb geringe Spannungen hervorrufen. Eine Verringerung der Spannungen erhöht nicht nur den Sicherheitsfaktor, sondern mindert zudem die Auswirkungen der Materialelastizität auf Hysterese, Nachwirkung und Ermüdung, wodurch die Genauigkeit und die Betriebssicherheit des Faltenbalgs verbessert werden.

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