Khớp giãn nở trục không có ty hạn chế lực áp suất, Lực tác động dọc trục do áp suất bên trong đường ống, Lực đàn hồi của khớp giãn nở (bellows)

Cách tính lực tác dụng lên các điểm cố định (anchor load) khi lắp khớp nối mềm giãn nở inox / khớp giãn nở trục.

1. Các thành phần lực tác dụng lên điểm cố định

1.1. Khớp giãn nở trục không có ty hạn chế lực áp suất

Lực (F) tác động lên điểm cố định thường gồm:

F = F_p+F_s+F_f

Trong đó:

F_p: Lực tác động dọc trục do áp suất bên trong đường ống (N)

F_s: Lực đàn hồi của khớp giãn nở (bellows) (N)

F_f: Lực ma sát gối đỡ cố định/ dẫn hướng (N)

a. Lực tác động dọc trục do áp suất bên trong đường ống.

F_p = P×A_e

P: áp suất thiết kế, đơn vị Pa hoặc MPa
A_e: diện tích hiệu dụng của bellows, đơn vị m² hoặc mm²

Đây là lực lớn nhất và quan trọng nhất trong nhiều hệ thống.

b. Lực đàn hồi của khớp giãn nở (bellows)

F_s = K × Δx

K: độ cứng dọc trục của bellows, N/mm
Δx: chuyển vị làm việc của bellows, mm

c. Lực ma sát gối đỡ cố định/ dẫn hướng

F_f = μ × W

μ: hệ số ma sát
W: tải trọng tác dụng lên gối trượt/gối dẫn hướng, N

1.2. Công thức tổng quát thường dùng

Trường hợp A: khớp giãn nở trục thông thường

F = P.A_e + K.Δx + μ.W

Đây là công thức thực tế dùng nhiều nhất.

Trường hợp B: khớp có thanh giằng / tie rod khống chế lực áp suất.

F ≈ K.Δx + μ.W F

Vì phần lớn lực tác động dọc trục do áp suất bên trong đường ống (F_p = P×A_e) đã được thanh giằng giữ lại, không truyền hết vào gối đỡ chính.

1.3. Cách xác định diện tích hiệu dụng của bellows A_e

Trong đó:

D_e: đường kính hiệu dụng của bellows

Lấy theo:

Catalogue nhà sản xuất
Bản vẽ chế tạo
Dữ liệu thiết kế của bellows
Nếu chưa có dữ liệu, có thể ước tính gần đúng theo đường kính trung bình của bellows.

2. Ví dụ cụ thể

Ví dụ 1

Thiết kế một khớp giãn nở trục cho tuyến ống hơi:

DN100
Áp suất làm việc: P = 10 bar
Chuyển vị dọc trục: Δx = 20 mm
Độ cứng bellows: K = 150 N/mm

Dùng Phương pháp thực nghiệm (Đo đạc thực tế) để xác định độ cứng bellows (K). Cách thức thực hiện:

Cố định một đầu của bellows.
Tác dụng lực dọc trục (F) lên đầu còn lại bằng thiết bị kéo/nén hoặc dùng quả cân.
Đo độ biến dạng (khoảng cách nén/dãn -x) tương ứng với lực F.
Tính toán theo công thức: K = F/x

Đường kính hiệu dụng bellows: D_e = 110 mm
Tải trọng lên gối đỡ/gối trượt: W = 3000 N
Hệ số ma sát: μ = 0.2

Bước 1: Tính lực áp suất F_p

Đổi đơn vị:

10 bar = 1 ×10⁶ Pa
De = 120 mm = 0.12 m

Diện tích hiệu dụng:

Lực áp suất:

F_p = P x A_e = 1 ×10⁶ x 0.01131 = 11310 N = 11,31 kN

Bước 2: Tính lực đàn hồi F_s

F_s= K x Δx =150 × 20 = 3000 = 3 kN

Bước 3: Tính lực ma sát F_f

F_f = μ . W = 0.2 × 3000 = 600 N = 0.6 kN

Bước 4: Tính tổng lực lên điểm cố định

F = Fp + Fs + Ff F = 11310 + 3000 + 600 = 14910 N ≈ 14.9 kN

Kết luận:

Điểm cố định phải được thiết kế chịu ít nhất: F ≥14.9 kN

Trong thực tế nên cộng thêm hệ số an toàn, thường thiết kế neo lớn hơn nữa tùy tiêu chuẩn nội bộ.

Ví dụ 2:

Giả sử vẫn là DN100 nhưng áp suất tăng lên 16 bar: P = 1.6×10⁶ Pa

Khi đó:

F_p = 1.6 ×10⁶× 0.01131 = 18096 N = 18,1 kN

Cộng thêm lực lò xo và ma sát thì gối đỡ phải chịu tải có thể vượt 20 kN.

Đây là lý do nhiều hệ thống hỏng không phải do bellows yếu, mà do:

điểm cố định (Gối đỡ cố định) không đủ cứng
Gối dẫn hướng bố trí sai
Chọn nhầm ống mềm chống rung thay cho khớp giãn nở trục

3. Ứng dụng thực tế của công thức này

Công thức trên dùng để:

1) Chọn kết cấu điểm cố định

bản mã
bu lông móng
dầm đỡ
kết cấu thép

2) Kiểm tra tải lên thiết bị đầu cuối

bơm
turbine
bình áp lực
bộ trao đổi nhiệt

3) Bố trí gối dẫn hướng và gối đỡ cố định

Nếu gối đỡ cố định yếu hoặc gối dẫn hướng sai, bellows dễ:

mất ổn định
lệch tâm
rách mối hàn
nổ bầu giãn nở

4) Phân biệt đúng loại sản phẩm

Khớp giãn nở trục: dùng bù giãn nở nhiệt, cần anchor chuẩn
Ống mềm inox chống rung: dùng giảm rung, không thay thế hoàn toàn khớp giãn nở trong các hệ thống có giãn nở lớn