例如波纹管的柔性管状装置的制作方法

专利名称：例如波纹管的柔性管状装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有直到60毫米内径的柔性管状装置，所述装置包括一个或多个波形环绕部，所述环绕部具有总体象钟一样的形状并带有圆形顶部和圆形底部。本发明进一步涉及这种装置的使用。
背景技术：
柔性管状装置例如具有一个或多个环绕部的波纹管在温度和压力变化情况下赋于携带气体、空气、水、蒸气、石油化学产品或任何其它物质的导管一定程度的柔韧性。涡轮机、泵、空压机、热交换器、反应器和阀是典型类型的设备，在那里波纹管被用来吸收该设备和连接管道之间的相对运动。除非对于这些尺寸改变提供一些补偿，高应力会被引入该设备或管道中，并可能导致系统失效。固有的柔韧性使波纹管能吸收沿着多于方向的运动，借此与使用传统装置例如弯和圈相比在设计管道系统配置中保留较大程度的自由度。
通常，波纹管能应用于四种基本运动模式(或它们的结合物)轴向、成角度、横向和扭转。然而，扭转模式通常是不想要的，这是因为它以减少其吸收其它模式能力的方式使环绕部不稳定。波纹管耐用性大大地取决于几何形状、材料性质、生产期间的制造过程以及边界和载荷状态，例如，无限制充压的波纹管会沿纵向胀大，反之，轴向受约束的波纹管会在不改变其尺寸长度的情况下抑制来自系统的轴向压力。因此，每个环绕部的寿命取决于种种因素，尤其是取决于在具有避免局部峰值载荷的几何形状的同时吸收运动的能力。
环绕部几何形状通常以声工程学原理和多年经验为根据。于是这个诀窍被用来设计环绕部，该环绕部可能需要经受住例如在设备开动、组装中一次性伸长或者工作中多次运动期间暴露于周围温度和压力的巨大变化。因此设计管道系统用波纹管经常需要彻底的系统感扰性检查，从而避免以后能导致波纹管失效的不利状态。
在该产业中一般所公认的是波纹管失效的主要原因是疲劳或安装期间的一次性损伤。在这两种情况下波纹管受力超过性能临界值，从而导致失效。判定这种失效类型并借此增加产品倾向性的方法应该是借助于提供改进的环绕部几何形状来减少变形期间的应力。波纹管几何形状除了取决于总长度、环形外围物长度、壁厚和内径之外还取决于环绕部数量。而环绕部几何形状取决于环绕部高度、间距和壁厚。这些都是共有的结构变量，它们能通过以实验为基础的安全系数以及多年的经验对于专门应用场合而言进行调节。通常该结构建立在“U”间隔、“S”间隔、“V”间隔或“Ω”间隔的变形基础上，工程设计数据和安全系数就从该处产生。这些形状由如同直线和圆扇形体的简单几何形状(原始物)“造成”，它们容易于描画、分析，并且容易在切割用于成形工具的金属之前可编程序地进入CNC界面。当这种与通常为不锈钢的材料和一种制造过程结合的环绕部形状满足用户需要和期待时，该结构可变成在专门范围内的最佳实践，甚至在没有成为最佳解决办法情况下也是如此。
所以，几何形状应力集中源增大环绕部对于疲劳失效的敏感性，所述集中源的作用比壁厚变化例如作为成形过程的结果在环绕部鼻顶区域内弄薄材料更加显著。因此，波纹管失效模式已导致多种波纹管以昂贵的高级材料例如不锈钢制成，这允许简陋的环绕部构造提供可接受的执行耐用性。
波纹管可能需要经受住很大数量的载荷循环，例如来自一台运转引擎的载荷循环。该循环应力范围控制该波纹管的总疲劳寿命，而且如果该引擎经历几个起动和关闭阶段，该应力范围会控制累加的失效寿命。在两种情况下该疲劳寿命均取决于完成循环的总数，还取决于该波纹管承受的平均应力和总应力范围。在应力值减小情况下，波纹管在失效之前会经受住大大增加的循环数量，反之在应力水平较高时，失效就会在相对较少的循环数量之后发生。
当需要专门设计用于高循环寿命的多种波纹管时，在确定用于最佳环绕部形状的特有结构变量或尺寸范围方面的文献十分少见。在这些情况下，必需把预期的循环数量通知波纹管制造者，而且根据来自在被估计材料和制造常数方面历史上成功结构的实验获得设计数据，就可形成安全的环绕部结构。此外，就估计用来计算多种当前标准间隔的疲劳数据而论，该文献是有局限性的，例如在环绕部的间距-高度比改变时该数据变化极大。
在波纹管等结构方面的指导例如可在“Standards of theExpansion Joint Manufactures Association，Inc”25 NorthBroadway，Tarrytown，New York 10591中被发现。

发明内容
本发明的目的是提供一种改进结构的柔性装置例如波纹管，从而与多种已知结构相比获得增大的寿命长度和/或获得使用多种替代材料的选择余地。另一目的是提供使用较低成本材料和/或较轻材料的选择余地。
本发明装置的新颖和有创造力的方面包括该环绕部外表面曲率在顶部处的数值小于在底部处的数值，因而所述曲率从曲线得出，该曲线被限定为该装置外表面和穿过该装置纵向轴线的平面的交线，而且这些方面包括该曲线的曲率只在位于顶部和相邻底部之间的改变位置处改变符号一次，而且在该曲线上第一区段的长度比在该曲线上第二区段的长度至少长10％，该第一区段从改变位置经过顶部延伸到相邻改变位置，而该第二区段从改变位置经过底部延伸到相邻改变位置。
所有几何形状改变和弯曲产生应力集中源，因而必需获得一种结构，在那里这种不可避免地出现的应力集中源的大小被减小。与标准的U形环绕部比较，增大的柔性用制造较高的环绕部而不显著地增加环绕部宽度的方法来达到。在此同时，在顶部具有较小的曲率，借此减少对于这个区域的应力集中源，从而减小该环绕部变形期间的总应力水平。具有曲线的该结构在顶部和相邻底部之间提供平滑的转变，该曲线的曲率只在位于该顶部和相邻底部之间的改变位置处改变符号一次。为了最小化沿着该顶部应力水平，在该曲线上第一区段的长度比该曲线上第二区段的长度至少长10％，这两个区段均从该曲线改变符号的位置延伸。按照这种方法，曲线改变符号的位置朝底部移动，从而提供一种具有狭窄底部和较宽、平缓顶部的结构，它能显著地减小总应力水平。这就提供一种改进的柔性装置结构，借此能获得加大的寿命长度。还有，该改进结构与多种已知结构相比提供对于使用替代材料的多种选择余地，例如以铝代替不锈钢。因此也可使用成本较低的材料和/或较轻的材料。
在另一实施例中在该曲线上第一区段的长度可能比在该曲线上第二区段的长度至少长50％，所述第一区段从改变位置经过顶部延伸到相邻改变位置，而所述第二区段从改变位置经过底部延伸到相邻改变位置。这给顶部处形状以进一步的优先权并进一步减小总应力水平。
在进一步实施例中该环绕部曲率沿着该顶部比沿着该底部在数值上可能至少小20％。
在优选实施例中间距-高度比可能在0.7和1.0之间。
在又一进一步实施例中在底部和相邻底部之间的该曲线可能具有布置在该顶部处的一个球面最佳点以及两个球面最低点，该最低点沿着该底部布置，而且沿着该曲线球面最高点的曲率可能具有局部最小值。这提供改进形状，它具有明显减小出现应力集中源的效果以及高度的材料利用率。
在又一进一步实施例中该曲线可能最好是连续而且可至少两次微分。这提供没有急剧几何形状变化的平滑形状。
在优选实施例中相应于从底部到相邻底部的环绕部的该曲线区段可能围绕轴线对称，该轴线与该纵向轴线垂直并穿过该顶部内的球面最佳点。
在另一优选实施例中该环绕部的大多数可能是大致相同的。
在进一步优选实施例中该装置可用挤出的金属合金管制成而且该环绕部可能在深拉过程例如弹性成形或液压成形中形成。
在又一进一步优选实施例中该金属合金可能是不锈钢或者铝合金。
该装置可用于机动车辆例如汽车内的导管或管道的柔性管接头，最好是用于空气调节系统内的导管或管道的管接头。它还可能具有许多其它用途，例如填充空气的冷却系统等等。


下面参照附图描述本发明，所述附图表示本发明实施例的实例。
图1表示柔性管状装置的部分横截面，所述横截面沿着通过该装置纵向轴线的平面剖取；图2表示曲线，该曲线被规定为柔性管状装置外表面和通过该装置纵向轴线的平面的交线；图3表示曲线，该曲线被规定为现有技术柔性管状装置外表面和通过该装置纵向轴线的平面的交线；图4-5表示多根曲线，它们各自被限定为根据现有技术状态的柔性管状装置外表面和通过该装置纵向轴线的平面的交线。
具体实施例方式
图1表示包括许多环绕部2的柔性管状装置。该装置的外表面用参考数码4标出。环绕部的间距和高度分别用参考符号q和w标出。而该装置的纵向轴线用参考数码8标出。
高度w由颈缩发生之前的最大材料伸长确定。颈缩是这种现象在例如为弹性成形的深拉过程期间局部壁厚变得很薄并由此导致材料破裂的危险。
图2表示具有圆形顶部T和圆形底部B、B’的曲线。顶部T由曲线6的球面最佳点定位。而底部由B、B’由曲线6的球面最小点定位。顶部T的曲率小于底部B、B’的曲率。线标明曲率约为零或不存在之处。它由改变位置P、P’进一步指示。区段7从改变位置P经过顶点T延伸到改变位置P’。区段7比区段9长，后者从改变位置P经过底部B、B’延伸到改变位置P’。
该环绕部可与该装置纵向轴线8垂直地布置或者它们可形成为沿着该纵向轴线的螺旋状物。
图3表示表明纯“U”形环绕部的曲线22。曲线22是由原始物即直线16和圆弧14构成。该结构在位置18和20处含有重要的应力集中源。这可简单地例如用FE分析器进行校验，所述分析器使用商业可提供的软件例如Cosmos或Ansys。
图4表示表明纯U形环绕部的曲线24。测量结果被用于根据下文表2的参考试验RefA(图4)和RefB(图5)。图5表示也表示纯U形环绕部的曲线。图4和5的结构被认为是该技术的产业状态并由印度的RANFLEX India Pvt.Ltd.公司提供。RefA结构是基于多年经验的种种制造尝试的结果。RefB结构也是基于制造波纹管方面的多年经验，但尚未被制造，这意味着实际的最终结构可改变几个十分之一毫米(1/10mm)。然而这将不会明显改变表2中描述的结果。由于提供资料的原因必需强调，制造在实例中描述的形状以及根据图4和5的形状采取现有技术状态的制造工具和技巧。例如必需查明可使用的适当材料量，以便避免该材料过度伸长造成破裂。
实例在下文中表示根据本发明的结构实例。表1表示该实例的内径、壁厚和材料。在每个实例中给出环绕部的结构，以及与该结构有关的相应曲率。该结构和曲率被呈现为一连串点，它们要被理解为在通过所述点的平滑曲线上的点，而且所述曲线未被描出。在每个实例中环绕部结构由圆形记号呈现，而曲率被呈现为三角形记号。水平轴线表示环绕部从一侧到另一侧的宽度，即在底部B处开始并经过顶部T在底部B’处终止的宽度，见图2。左侧垂直轴线描述高度。高度和宽度均以毫米计。右侧垂直轴线描述曲率并且单位为1/mm(毫米的倒数)。
表1

实例1.
实例2.
实例3.
实例4.
实例5.
实例6.
实例7.
应该指出，尽管实例3和4形状相似，但实例4中环绕部高度较大。这是因为不锈钢和铝合金之间的材料性能不同。
表2

在表2中标记为“Flex”的列表示环绕部的柔韧性，所述柔韧性被表示为当底部B(图2)处的一端固定而底部B’处的另一端在正好出现压缩弯曲以前的第一位置和正好出现拉伸凹进以前的第二位置之间位移时的总挠度。该位移平行于图2装置的纵向轴线8。B’在第一位置(压缩)比在第二位置(拉伸)更靠近B。柔韧性用考虑到材料和制造(变薄等)参数的FE分析法求出并且紧密地逼近所制造柔性装置的实际工况。
还有，在表2中表示两个参照物即RefA和RefB。对于RefA而言，材料和壁厚与实例3相同，即AA5049和0.5毫米，但结构为与图4相应的纯U形。尽管q和w不相上下，从0.10毫米到0.32毫米的柔韧性改进构成200％的改进。对于RefB而言，材料和壁厚与实例7相同，即AA5049和1.0毫米，但结构为与图5相应的纯U形。尽管q和w在此也不相上下，从0.52毫米到1.35毫米的柔韧性改进构成接近200％的改进。
在这个文件中，术语“曲率半径”要理解为圆的半径，所述圆接触曲线的内凹侧上一点，并具有这样尺寸以致于该圆和该曲线具有到达所述点两侧的共同切线。
术语“曲率”要理解为曲率半径的倒数。
实际上，可发现曲率半径和曲率被用于内凹和中凸表面两者。使用高分辨率光学测量技术可生成用来确定制成环绕部上曲率半径和表面曲率的目的数据。该数据还可用来确定在市场上发现的任何随意的环绕部是否处于与该保护范围抵触的状态。至于数据，这类系统容易生成具有测量点距降至百分之一毫米的12-bit分辨率扫描。这个数据能用于使用标准CAD软件或数学分析软件例如Mathcad的进一步分析。
间距-高度比被定义为间距q除以两倍高度w，即(q/2w)。
应该理解，在本说明书和附图中描述的发明可被变型和改变并且仍然处于下文权利要求确定的本发明范围之内。
权利要求
1.一种柔性管状装置例如内径直到60毫米的波纹管，所述装置包括一个或多个波形环绕部(2)，所述环绕部具有总体象钟一样的形状并带有圆形顶部(T)和圆形底部(B，B’)，其特征在于，所述环绕部(2)的外表面曲率在所述顶部(T)处的数值小于所述底部(B，B’)处的数值，所述曲率从曲线(6)得出而且所述曲线被限定为所述装置外表面(4)和穿过所述装置纵向轴线(8)的平面的交线，其中所述曲线的曲率只在位于顶部(T)和相邻底部(B，B’)之间的改变位置(P，P’)处改变符号一次，而且其中在所述曲线(6)上第一区段(7)的长度至少比在所述曲线上第二区段(9)的长度至少长10％，所述第一区段(7)从改变位置(P)经过顶部(T)延伸到相邻改变位置(P’)，而所述第二区段(9)从改变位置(P)经过底部(B，B’)延伸到相邻改变位置(P’)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述曲线(6)上第一区段(7)的长度比在所述曲线上第二区段(9)的长度至少长50％，所述第一区段(7)从改变位置(P)经过顶部(T)延伸到相邻改变位置(P’)，而所述第二区段(9)从改变位置(P)经过底部(B，B’)延伸到相邻改变位置(P’)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述环绕部的所述曲率沿着所述顶部(T)比沿着所述底部(B，B’)在数值上至少小20％。
4.如权利要求1-3中一项或多项所述的装置，其特征在于，间距-高度比(q)在0.7和1.0之间。
5.如权利要求1-4中一项或多项所述的装置，其特征在于，在底部(B，B’)和相邻底部(B’，B)之间的所述曲线(6)具有布置在所述顶部(T)处的一个球面最佳点以及两个球面最低点，所述最低点沿着所述底部(B，B’)布置，而且其中沿着所述曲线(6)球面最高点的曲率具有局部最小值。
6.如权利要求1-5中一项或多项所述的装置，其特征在于，所述曲线(6)是连续而且可至少两次微分的。
7.如权利要求1-6中一项或多项所述的装置，其特征在于，相应于从一个底部(B)到相邻底部(B’)的一个环绕部的所述曲线(6)区段围绕轴线对称，所述轴线与所述纵向轴线(8)垂直并穿过所述顶部(T)内的所述球面最佳点。
8.如权利要求1-7中一项或多项所述的装置，其特征在于，所述环绕部的大多数是大致相同的。
9.如权利要求1-8中一项或多项所述的装置，其特征在于，所述装置用一种挤出的金属合金管制成而且所述环绕部在深拉过程例如弹性成形或液压成形中形成。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述金属合金是不锈钢或者铝合金。
11.一种如上述权利要求中一项或多项所述的装置的使用，所述装置用于在机动车辆例如汽车中的导管或管子的柔性管接头。
12.如权利要求11所述的使用，其特征在于，它用于汽车空气调节系统内的导管或管子的管接头。
全文摘要
本发明涉及一种柔性管状装置例如内径直到60毫米的波纹管，所述装置包括一个或多个波形环绕部(2)，所述环绕部具有总体象钟一样的形状并带有圆形顶部(T)和圆形底部(B，B’)。新颖的方面包括环绕部(2)的外表面曲率在该顶部(T)处的数值小于在该底部(B，B’)处的数值，所述曲率从曲线(6)得出而且所述曲线被限定为该装置外表面(4)和穿过该装置纵向轴线(8)的平面的交线，其中该曲线的曲率只在位于顶部(T)和相邻底部(B，B’)之间的改变位置(P，P’)处改变符号一次，而且其中在该曲线(6)上第一区段(7)的长度至少比在该曲线上第二区段(9)的长度至少长10％，所述第一区段(7)从改变位置(P)经过顶部(T)延伸到相邻改变位置(P’)，而所述第二区段(9)从改变位置(P)经过底部(B，B’)延伸到相邻改变位置(P’)。这与现有技术相比，提供一种改进结构，它因在较低应力处增大柔韧性而具有增强的耐用性。
文档编号F16L11/15GK1738989SQ200380108903
公开日2006年2月22日 申请日期2003年11月17日 优先权日2002年11月18日
发明者H·彼得森, S·B·奥尔森, K·B·尼尔森 申请人:挪威海德罗公开有限公司