一种用电磁力约束波纹管膨胀节压力推力的方法与流程

本发明涉及膨胀节技术领域，具体说的是一种用电磁力约束波纹管膨胀节压力推力的方法。

背景技术：

为避免非约束型波纹管膨胀节产生的压力推力作用于设备上，造成设备基座损坏，影响设备正常工作，通常选用约束型或直管压力平衡型波纹管膨胀节，用以约束或平衡压力推力。铰链型式的膨胀节（图1）由波纹管、端管和一组约束结构件组成，主要用于吸收角向位移并能够约束波纹管的压力推力。拉杆型膨胀节（图2）由工作波纹管、端管和一组约束结构件组成，主要用于吸收横向位移并能够约束波纹管的压力推力。约束型膨胀节利用约束结构件约束压力推力。

现有的直管压力波纹管平衡型膨胀节常规型式分外压和内压两种。外压型式的直管压力平衡型膨胀节（图3）由一组工作波纹管和一组平衡波纹管组成，主要用于吸收轴向位移并能够平衡波纹管的压力推力。内压型式的直管压力平衡型膨胀节（图4）由两个工作波纹管和位于中间的一个平衡波纹管及拉杆、端板等结构件组成，主要用于吸收轴向并能够平衡波纹管的压力推力。平衡型膨胀节利用介质压强各向同性，面积相等原理，增加一组平衡波和相应结构件平衡压力推力。

常规结构约束型波纹管膨胀节仅能补偿角向位移和横向位移，无法对轴向位移进行补偿，直管压力平衡型波纹管膨胀节为实现压力平衡，除需设置满足位移补偿需要的工作波外，还需另设一组平衡波用于平衡压力推力，同时增加相应的约束结构件，制造成本相对较高。对于内压型直管压力平衡型膨胀节而言，平衡波的外径要远大于工作波，因而造成膨胀节整体外径过大，设备重量较重。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种用电磁力约束波纹管膨胀节压力推力的方法，解决了常规约束型波纹管膨胀节不能补偿轴向位移、直管压力平衡型波纹管膨胀节外径过大、重量较重、制造成本高的问题。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种用电磁力约束波纹管膨胀节压力推力的方法，包括以下步骤：

步骤一、构建约束型膨胀节：

约束型膨胀节包括法兰一、位移传感器、磁极材料、电磁铁、波纹管、控制器、拉杆、压力传感器、绝磁材料、法兰二和电源，波纹管的两端分别与法兰一和法兰二连接，在法兰一的内侧端面上布置有多块磁极材料，在法兰二的内侧端面上布置有多块磁极材料或绝磁材料，每一块磁极材料对应一个电磁铁，磁极材料与对应电磁铁之间具有轴向位移间隙，该轴向位移间隙大于膨胀节最大工作轴向位移，磁极材料边缘与对应电磁铁边缘之间的距离大于膨胀节最大横向工作位移，法兰一内侧的电磁铁通过拉杆与法兰二侧的电磁铁或法兰二内侧上的绝磁材料连接，在法兰一的外圆安装有向控制器传输位移信号的位移传感器，压力传感器测量膨胀节内部压力，并向控制器传输压力信号，电源向位移传感器、压力传感器、电磁铁及控制器供电，由控制器根据位移信号和压力信号控制电磁铁中电流大小；

步骤二、构建压力推力平衡：

工作状态下，压力推力作用于法兰一和法兰二，法兰一和法兰二同时受到所有磁极材料和电磁铁产生的电磁力，控制器通过分析接收到的位移传感器和压力传感器读取的信号，控制电源输出不同的电流，保证电磁力与压力推力大小相等方向相反，实现压力推力平衡。

构建压力推力平衡的具体实现方法为：

工作状态下，膨胀节内部充满压力为p的介质，位移传感器读取法兰一位移，压力传感器读取膨胀节内部充满压力p，控制器接收到压力信号，通过内置的逻辑控制模块，计算出膨胀节受到的压力推力f，再通过位移传感器读取膨胀节轴向位移x0和压力推力f，计算出所需电磁铁线圈中电流的大小i，控制器通过控制电源，调节电流大小，保证磁极材料和电磁铁之间的作用力nf磁与压力推力f相等，为实现压力推力平衡，一种约束型波纹管膨胀节结构须满足下列关系式:

nf磁＝f＝pac(1)

f磁＝f(i；x；x0)(2)

式中

f——膨胀节受到的压力推力；

f磁——磁极材料与电磁铁之间的作用力；

ac——波纹管有效面积；

n——磁极材料数量或电磁铁的数量；

p——波纹管内介质压力；

i——电磁铁线圈中的电流；

x——磁极材料与电磁铁之间的轴向位移间隙；

x0——膨胀节轴向位移；

无论膨胀节在原始位置，还是任何轴向和横向变形位置，始终处于压力推力平衡状态。

本发明有益效果是：采用该方法的波纹管膨胀节在不影响承压和补偿能力的前提下，取消了平衡波，有效缩减膨胀节外径，约束波纹管膨胀节的压力推力，减轻膨胀节重量，降低成本。

附图说明

图1为单式铰链型膨胀节的结构示意图；

图2为复式拉杆型膨胀节的结构示意图；

图3为常规外压直管压力平衡型膨胀节的结构示意图；

图4为常规内压直管压力平衡型膨胀节的结构示意图；

图5为本发明的一种结构示意图；

图6为本发明的另一种结构示意图；

图中：1.法兰一，2.位移传感器，3.磁极材料，4.电磁铁，5.波纹管，6.控制器，7.拉杆，8.压力传感器，9.绝磁材料，10.法兰二，11.电源，12.挡板。

具体实施方式

一种用电磁力约束波纹管膨胀节压力推力的方法，包括以下步骤：

步骤一、构建约束型膨胀节：

如图5、图6所示，约束型膨胀节包括法兰一1、位移传感器2、磁极材料3、电磁铁4、波纹管5、控制器6、拉杆7、压力传感器8、绝磁材料9、法兰二10和电源11，波纹管的两端分别与法兰一1和法兰二2连接，组成轴向型膨胀节，轴向型膨胀节不限定于三种部件组成的结构，符合轴向型膨胀节公知标准即可，在法兰一1的内侧端面上布置有多块磁极材料3，在法兰二10的内侧端面上布置有多块磁极材料3或绝磁材料9，每一块磁极材料3对应一个电磁铁4，在拉杆两杆都连接电磁铁时，拉杆利用挡板固定设置位置不变，保证两侧磁极材料与对应电磁铁之间的间隙相同，磁极材料3与对应电磁铁4之间具有轴向位移间隙x，为避免位移过程中干涉，该轴向位移间隙大于膨胀节最大工作轴向位移，磁极材料边缘与对应电磁铁边缘之间的距离y大于膨胀节最大横向工作位移，法兰一内侧的电磁铁通过拉杆与法兰二侧的电磁铁或法兰二内侧上的绝磁材料连接，在法兰一的外圆安装有向控制器传输位移信号的位移传感器，压力传感器测量膨胀节内部压力，可安装在法兰二上或法兰一上，并向控制器传输压力信号，电源向位移传感器2、压力传感器8、电磁铁4及控制器6供电，由控制器6根据位移信号和压力信号控制电磁铁中电流大小；

步骤二、构建压力推力平衡：

工作状态下，压力推力作用于法兰一和法兰二，法兰一和法兰二同时受到所有磁极材料和电磁铁产生的电磁力，控制器通过分析接收到的位移传感器和压力传感器读取的信号，控制电源输出不同的电流，保证电磁力与压力推力大小相等方向相反，实现压力推力平衡。

构建压力推力平衡的具体实现方法为：

工作状态下，膨胀节内部充满压力为p的介质，位移传感器读取法兰一位移，压力传感器读取膨胀节内部充满压力p，控制器接收到压力信号，通过内置的逻辑控制模块，计算出膨胀节受到的压力推力f，再通过位移传感器读取膨胀节轴向位移x0和压力推力f，计算出所需电磁铁线圈中电流的大小i，控制器通过控制电源，调节电流大小，保证磁极材料和电磁铁之间的作用力nf磁与压力推力f相等，为实现压力推力平衡，一种约束型波纹管膨胀节结构须满足下列关系式:

nf磁＝f＝pac(1)

f磁＝f(i；x；x0)(2)

式中

f——膨胀节受到的压力推力；

f磁——磁极材料与电磁铁之间的作用力；

ac——波纹管有效面积(详见gb/t12777-2019标准)；

n——磁极材料数量或电磁铁的数量；

p——波纹管内介质压力；

i——电磁铁线圈中的电流；

x——磁极材料与电磁铁之间的轴向位移间隙；

x0——膨胀节轴向位移；

无论膨胀节在原始位置，还是任何轴向和横向变形位置，始终处于压力推力平衡状态。

位移补偿方式：

（1）发生轴向位移：管道发生轴向压缩位移，压缩法兰一1、法兰二10向膨胀节中部移动，控制器6通过分析接收到的位移传感器2和压力传感器8读取的信号，控制电源11，使电磁铁4线圈电流减小，保证电磁力与压力推力大小相等方向相反，从而实现压力推力平衡。管道发生轴向拉伸位移，拉伸法兰一1、法兰二10向膨胀节两端移动，控制器6通过分析接收到的位移传感器2和压力传感器8读取的信号，控制电源11，使电磁铁4线圈电流增大，保证电磁力与压力推力大小相等方向相反，从而实现压力推力平衡。根据上述平衡原理，轴向移动过程中和到达位移位置始终保持压力平衡状态。

（2）发生横向位移：管道发生横向位移，拉动法兰一1和法兰二10相对错动，控制器6通过分析接收到的压力传感器8读取的信号，控制电源11，使电磁铁4线圈电流保持恒定，保证电磁力与压力推力大小相等方向相反，从而实现压力推力平衡。根据上述平衡原理，移动过程中3磁极材料和电磁铁4轴向间隙不变，电磁铁4线圈电流恒定，可以始终保持压力平衡状态。