DE3045641C2

DE3045641C2 - Faltenbalg

Info

Publication number: DE3045641C2
Application number: DE19803045641
Authority: DE
Inventors: Tadao Mito Ibaraki Aoki; Tomihiro Nagareyama Chiba Fukada; Okimasa Chiba Hasegawa; Mitsuru Mito Ibaraki Kamei
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Current assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Priority date: 1979-12-03
Filing date: 1980-12-03
Publication date: 1983-01-20
Also published as: JPS587863B2; DE3045641A1; JPS5680557A; FR2471525A1; FR2471525B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Faltenbalg nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein Faltenbalg dieser Art ist aus der US-PS 16 61 131 bekannt, wobei Schraubenfedern die Verstärkungsringe bilden, welche aufgrund ihrer Elastizität den Durchmesseränderungen des Faltenbalges folgen, wenn dieser einer Längenänderung unterworfen wird. Zwischen den Seitenflächen der Schraub·.nfedei und den Wandflächen des Balgclernentes is' dabei ein freier Raum vorgesehen, um ein übermäßiges Bi gen der Wandflächen zu vermeiden. Bei Verkürzung des Balges kommen dessen Innenflächen an den Seiten der Schraubenfedern zum Anliegen, wodurch die elastische Biegung begrenzt wird.

Es ist ferner bekannt. Ringe zum Verstärken eines Faltenbalges vorzusehen, wie es beispielsweise durch die Normen der Expansion joint Manufacturers Association (im folgenden als EJMA-Normen bezeichnet) vorgeschlagen wird. Wenn der Krümmungsradius am Scheiiel oder an der Sohle der Wellen des Faltenbalgs in seiner freien Länge mit R bezeichnet wird, und der Verstärkungsring einen Durchmesser im Querschnitt von Dhai. ^o muß der Vcrsiärkungsnng die Beziehung '/j D = R erfüllen, damit die Ringe in einen Oberflächenkontakt mit der Innenfläche des Scheitels oder mit der Außenfläche der Sohle des Faltenbalges kommen.

Mit solchen Verstärkungsringen ist der Faltenbalg gegenüber hohen Drücken widerstandsfähig, so daß er selbst dann nicht verformt wird, wenn ein übermäßig großer Druck anliegt. Bei einem in dieser Weise ausgebildeten Faltenbalg tritt jedoch eine übermäßig große Spannung örtlich am Scheitel oder an der Sohle auf, wenn der Faltenbalg auseinandergezogen oder zusammengedrückt wird, so daß seine Lebensdauer, verglichen mit einem Fallenbalg ohne Versiärkungsringe, kleiner ist. Da weiterhin die Federkonstante des Faltenbalgs größer, beispielsweise etwa 2,5mal so groß ist, muß die Festigkeit der Verankerung öder einer ähnlichen Einrichtung entsprechend größer sein, um den Axialdruck des Fahenbalges aufzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faltenbalg der eingangs angegebenen Art so auszubil-

den, daß seine Federkonsianie so klein ist, als wenn keine Versiärkungsringe vorhanden wären.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches gelöst. Durch Freiliegen der Scheitellinie des Faltenbalges vom Verstärkungsring bei Zusammendrücken des Faltenbalges werden Spannungskonzentrationen an der Scheitellinie vermieden, wodurch eine Verlängerung der Lebensdauer des Faltenbalgcs gegenüber einem Faltenbalg mit anliegenden Verslärkungsringer. erzielt wird. Zugleich wird die Federkonsianie des Falienbalgs so klein, als wären keine Verstärkungsringe vorhanden.

Aus der CH-PS 55 604 ist es bei einem eine Kolbenstange umschließenden Faltenbalg aus Gummi zwar bekannt, auf der Innenseite eine Anzahl von Metallscheiben vorzusehen, die den Balg gegen einen Druck von außen abstützen, jedoch können diese Scheiben die erfindungsgemaße Ausgestaltung von Verstärkungsringen nicht nahelegen, weil sie eine zu geringe Auflagefläche und damit eine zu hohe Flächenpressung ergeben.

Beispielsweise Ausfuhrungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Faltenbalg mit innenliegenden und

Fig. 2 einen Fallenbalg mit außenliegenden Verstärkungsringen,

Fig. 3 in einer Querschnittsansicht im einzelnen die Fallenbiegung bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4A, 4B. 4C und 4D den Berührungsbereich zwischen den Falten des Faltenbalges und einem Verstärkungsring.

F i g. 5A. 5B. 5C und 5D in graphischer Darstellung die Spannungsverteilung in den Faltenbalgkrümmungen und

Fig. 5E die Lage von Verstärkungsringen in der Faltenbalgkrümmung.

Wie es in Fi g. 1 dargestellt ist, sine Verstärkungsringe 2 an der Innenseile des Scheitels des Fallenbalges 1 im Falle eines Fahenbalges eingepaßt, der einen äußeren Druck aufnimmt. Im Falle eines Falienbiilges, der einen Innendruck aufnimm', sind die Versiärkungsringe 2 an der Außenfläche der Sohle des Faltenbalges 1 eingepaßt, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. F i g. 3 zeigt im einzelnen den Teil, an dem der Faltenbalg 1 und der Verstärkungsring 2 miteinander in Berührung stehen. Wenn der Krümmungsradius der Innenfläche des so Scheitels oder der Außenfläche der Sohle des Fahenbalges 1 mit R bezeichne! wird und der Verslärkungsring 2 im Querschnitt einen Durchmesser hat. der gleich D ist, dann besieht die Beziehung Vj D < R, so daß der Verslärkungsring 2 längs einer Linie mit der Innenfläche des oberen Teils des Scheitels oder der Außenfläche des unteren Teils der Sohle in Berührung steht.

Nach den EJMA-Normen erfüllt der Verstärkungsring die Beziehung '/j D=R. und er steht in einem Oberflächenkontakl mit der Innenfläche des Scheitels oder der Außenflache der Sohle des Faltenbalges.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel haben die Versiärkungsringe im Querschnitt eine Kreisform. Die Ringe können jedoch auch halbrund ausgebildet sein, vorausgesetzt, daß wenigstens derTcil, der mit dem Fallenbalg in Berührung kommt, einen geeigneten Krümmungsradius hat. Die optimale Beziehung zwischen dem Krümmungsradius Vj D im

Querschnitt des Vcriürkungsring« und dem Krümmungsradius R der Füllen, des Faltenbalges beträgt annähernd Vj D; R = 0,8 :1, wobei diese Beziehung jedoch in Abhängigkeit vom Ausmaß variabel ist, in dem der Fallenbalg auseinandergezogen oder zusammengedrückt wird.

Der Fal'enbalg und die Verstärkungsringe bestehen gewöhnlich aus Stahl. In bestimmten Fällen bestehen sie aus Edelstahl, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn sie in Leitungssystemen für flüssiges Natrium verwandt to werden.

Um den Faltenbalg zusammenzubauen, werden die Versirrkungsringe in mehrere Teile in Umfangsrichtung geteilt und dann an der Innenfläche des Scheitels oder der Außenfläche der Soh!e des Faltenbalges aneinander is befestigt. In diesem Fall sollten die Verstärkungsringe einfach längs einer Linie mit dem Faltenbalg in 3erührung stehen, wenn dieser seine natürliche Länge hat. Sie sollten nicht fest aufsitzen. Die Verstärkungsringe können bei irgendeinem Faltenbalg angewandt werden, der aus einer einzigen Falte oder aus mehreren Falten besteht.

Im folgenden werden die Merkmale des Fa'tenba'ges auf der Grundlage analytischer Ergebnisse im Vergleich mit einem herkömmlichen Faltenbalg dargestellt. In der folgenden Tabelle I sind die Spezifizierungen des Fallenbalges und des Verstärkungsringes angegeben, der analysiert wurde.

Tabelle I

Krümmungsradius R an der Innenfläche
des Scheitels oder an der Außenfläche
der Sohle

11 mm

30

35

Faltenbalg	497 mm
Außendurchmesser des Scheitels	387 mm
Außendurchmesser der Sohle	55 mm
Kriimmungstiefe	50 mm
Ganghöhe	5 mm
Anzahl der Krümmungen	1,5 mm
nominelle Stärke des Materials einer	2 Falten
Falte und Anzahl der Falten	Edelstahl
Material
Verstärkungsring	18 mm
Durchmesser D des Ringes im
Querschnitt	Edelstahl
Material

50

55

,1. Druckwiderstand (Krümmungswiderstand)

Wenn Verstärkungsringe nach den EJMA-Normen für den in Tabelle I angegebenen Faltenbalg yerwandt werden, nimmt der zulässige Druck des Faltenbalges um etwa das 2,5fache. berechnet auf der Basis der EJMA-Normen, verglichen mit dem eines Faltenbalges ohne Verstärkungsringe zu. Die Verstärkungsringe mit Vi O < R haben die gleiche Wirkung wie die Verstärk kungsringe gemäß der EJMA-Normen vom Standpunkt der Vermeidung einer Verformung des Faltenbalges Scheitel oder an der Sohle. Sie lassen daher einen nahezu gleich großen Druck zu.

2. Spannungsverteilung des Faltenbalges im

auseinandergezogenen und zusammengedrückten

Zustand

Der Berührungsbereich zwischen dem Faltenbalg und den Ringen ist verschieden, wenn der Faltenbalg auseinandergezogen und zusammengedrückt wird, was davon abhängt, ob es sich um einen Faltenbalg handelt, der Verstärkungsringe gemäß EJMA-Ncrmen oder mit V2 D < R aufweist. Die Spannung verteilt sich daher unterschiedlich.

Die Fi g. 4A. 4B, 4C und 4D zeigen die analytischen Ergebnisse bezüglich des Berührungsbereiches zwischen den Ringen und dem Faltenbalg, wenn am Faltenbalg ein äußerer Druck liegt. Obwohl es in Fi g.4 nicht dargestellt ist, ist der Verstärkungsring an der Innenseite des Scheitels 10 des Faltenbalges 1 vorgesehen. In den Figuren sind weiterhin die Sohle 11 und der Bereich 12 dargestellt, in dem der Faltenbalg und der Verstärkungsring miteinander in Berührung stehen. Uni den Beruhrungsbereich zu verdeutlichen, ist er schraffiert dargestellt. F i g. 4A ζ. gi den Fall, in dem Verstärkungsnnge nach den E]MA-Nc men verwandt werden und der Faltenbalg um 50 mm zusammengedrückt ist. Der Faltenbalg kommt mit den Verstarkungsringen an der Innenfläche des Scheitels und am Fußteil des Scheitels in Berührung. Fig. 4B zeigt den Fall, in dem ein Faltenbalg mit Verstärkungsringen von V2 D < R um 50 mm zusammengedrückt ist. In diesem Fall kommt der Faltenbalg nicht mit den Verstärkungsringen in Berührung. Fig.4C zeigt den FpII, in dem ein Faltenbalg mit Verstärkungsringen gemäß der EJMA-Normen um 50 mm auseinandergezogen ist In diesem Fall kommt der Faltenbalg mit den Verstärkungsringen über einen beträchtlichen Bereich an der Innenfläche des Scheitels in Berührung. Fig.4D zegt den Fall, in dem ein Faltenbalg mit Verstärkurgsringen von V2 D < R 50 mm auseinandergezogen ist. In diesem Fall kommt der Faltenbalg längs einer Linie mit den Verstärkungsringen an der Innenfläche des ober*.η Teils des Scheitels in Berührung. Es zeigt sich somit, daß die Verstärkungsringe mit V₂ D < R nicht mit dem Faltenbalg in Berührung kommen, wenn dieser zusamrnengecirückt wird, und daß die Verstärkungsnnge längs einer Linie an der Innenfläche des oberen Teils des Scheitels des Faltenbalges anliegen, wenn dieser auseinandergezogen wird.

In den F i g. 5A, 5B. 5C und 5D sind die analytischen Ergebnisse bezüglich der Hohe der Spannnung in den Faltenbalgen dargestellt. Die Zahlen auf der Abszisse entsprechen den Bezugszeichen des in Fig. 5E dargestellten Faltenbalges. Beispielsweise entspricht die Zahl 51 dem unteren Teil der Sohle und die Zahl 81 dem ■oberen Teil des Scheitels. In den graphischen Darstellung" ii sind der Faltenbalg mit Verstärkungsringen von Vj D < R durch eine ausgezogene Linie a. ein Faltenbalg mit Vcstärkungsringen gemäfj der E|MA-Normen durch eine gestrichelte Linie b und eir Faltenbalg ohne Verstärkungsringe durch eine strichpunktierte Linie c dargestellt. Fig. 5A zeigt die Verteilungder me. idionalen Spannung an der Außenfläche der Faltenbalge, wenn diese um 50 mm zusammengedrückt sind, Fig. 5B zeigt die Verteilung der Umfangsspannung an der Außenfläche de/ Faltenbalge, wenn diese um 50 mm zusammengedrückt sind, F i g. 5C zeigt die Verteilung der meridionalen Spannung an der Außenfläche der FaUenbalge, wenn diese um 50 mm auseinandergezogen sind« und Fig,5D zeigt die

• Verteilung der Umfangsspannung an der Außenfläche der Faltenbalgc, wenn diese um 50 mm auseinandergezogen sind.

In den Fig. 5A bis 5D bilden die Linien, die die Höhe der Spannung wiedergeben, spitze Winkel da die Höhe der Spannung dadurch analysiert wurde, daß der Fallenba'lg in endliche Elemente unterteilt wurde. ·

Die Ergebnisse der Analyse zeigen, daß im Fall eines Faltenbulges mit Verstärkungsringen von '/₂ D < R diese nicht mit dem Faltenbalg in Berührung kommen, wenn dieser zusammengedrückt wird. Die Spannungsverteilung ist daher die gleiche wie bei einem Faltenbalg ohne Verstärkungsringe. Das heißt, daß die Spannung beträchtlich kleiner als die eines Faltenbalges mit Versiäifkungsringen gemäß der E]MA-Normen ist. is Andererseits ist die Höhe der Spannung des Faltenbalges im auseinandergezogenen Zustand dieselbe wie die eines Faltenbalges mit Verstärkungsringen gemäß der ρiMi.Wnpmgn und Tößer s!s bei einem F3Ucⁿb^a!^£T ohne Verstärkungsringe. Das bereitet jedoch keine Schwierigkeiten, da die Spannungshöhe in diesem Fall kleiner als die eines zusammengedrückter/ Faltenbalges ist.

Die maximale Spannungshöhe des Faltenbalges mit Versiärkungsringen von '/iD< R ist daher kleiner als bei finem Faltenbalg, der Verstärkungsringe gemäß der EJMA-Normen.

3. Federkonstante des Faltenbalges

Die analytischen Ergebnisse gemäß Fig.4 zeigen, daß die Verstärkungsringe mit '/2 D < R längs einer Linie mit der Innenfläche des oberen Teils des Scheitels in Berührung kommen, wenn der Faltenbalg auseinandergezogen wird, und mit dem Faltenbalg in keine Berührung kommen, wenn dieser zusammengedrückt wird. Die Federkonstante dieses Faltenbalges im äusammengedrückten Zustand ist daher gleich der eines !Faltenbalges ohne Verstärkungsringe und beträchtlich kleiner als bei einem Faltenbalg mit Verstärkungsringen nach den EJMA-Normen (etwa 1 :2.5 im Fall des Faltenbalges gemäß Tabelle I). Die Federkonstante des Faltenbalges im auseinandergezogenen Zustand ist größer als bei einem Faltenbalg ohne Verstärkungsringe, jedoch kleiner als bei einem Faltenbalg mit Verstärkungsringen nach den EJMA-Normen.

Es ist daher möglich, die zugehörigen Einrichtungen, beispielsweise die Verankerungskonstruktion, verglichen mit einem Faltenbalg mit Verstärkungsringen nach den EJMA-Normen zu vereinfachen.

Tabelle Il zeigt in einem Vergleich den Axialdruck der Faltenbalge, wenn diese zusammengedrückt sind.

Tabelle Π

Faltenbalg mit Verstärkungsringen nach 8,6 t

den EJMA-Normen

Faltenbalg mit Verstärkungsringen von 3,4 t

\/2D<R

(Wenn die Faltenbalge um 500 mm zusammengedrückt sind)

Die Eigenschaften des oben beschriebenen Faltenbalges lassen sich in der in Tabelle III angegebenen Weise zusammenfassen.

Der Faltenbalg mit Verstärkungsringen von ¹V₂ D < R verstärkt die Eigenschaft herkömmlicher Verstärkungsringe nach den EJMA-Normen, d.h. verstärkt den Widerstand gegenüber Druck, während er gleichzeitig eine Biegung verhindert, die dann auftreten kann, wenn ein übermäßiger Druck ausgeübt oder der Faltenbalg verschoben wird. Der Faltenbalg hat eine Lebensdauer, die mit der eines Faltenbalges ohne Verstärkungsringe vergleichbar ist, und zeigt gleichfalls eine Federkonstante, die genau so klein wie bei einem Faltenbalg ohne Verstärkungsringe ist.

Ein Faltenbalg der beschriebenen Art eignet sich insbesondere für Kühlsysteme in Kernreaktoranlagen vom Typ des schnellen Brüters sowie für andere kerntechnische und chemische Anlagen, bei denen eine hohe Zuverlässigkeit und eine große Lebensdauer erforderlich ist.

Tabelle III	kein Ver	Verstär-	Verstär	1
Eigenschaft	stärkungs-	kungsringft	kungs	I
O: sehr gut	ring	nach den	ringe mit
X: schlecht		EJMA-	1/2 D<Ä
		Normen		1
	X	O	O	Ii ei 1
Widerstand				1:1
gegenüber
Druck (gegen				I
über Biegung)	O	X	O	t
Gleichmäßigkeit
der Spannung in·				§'
den einzefnen
Scheiteln oder
Sohlen	O	X	O
Abnahme der
Federkonstante

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Faltenbalg, bestehend aus wenigstens einem metallischen Baigelement mit in Umfangsrichiung' verlaufenden Wellen, in deren Scheitel und/oder Sohlen Versiärkungsringe mit wenigstens einem teilkreisförmigen Querschnitt derart liegen, daß die entsprechenden Flächenabschnitte des Faltenbalgelements in Abstand von den Seitenflächen der Verstärkungsringe liegen, wobei der Krümmungsradius der den Flächen des Falicnbalgelemenies zugewandten Abschnitte der Versiärkungsringe kleiner als der Krümmungsradius der Scheitel bzw. der Sohlen der Wellen des Fahenbalges ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärkungsring (2) so bemessen ist, daß er entlang der Scheitellinie (12) der Welle des Faltenbalges (I) in entspannter Lage und bei auseinandergezogenem Faltenbalg an diesem anliegt und bei Zusammendrücken des Faltenbalges die Berührung entlang der Scheitefii'ue aufgehoben ist.