يكمن الأساس النظري لتصميم المنفاخ المعدني في نظرية الصفائح والقشرة، وميكانيكا المواد، والرياضيات الحسابية. هناك العديد من المعلمات المشاركة في تصميم المنفاخ، ويختلف تركيز حسابات التصميم اعتمادًا على تطبيق المنفاخ في النظام. على سبيل المثال، عند استخدام المنفاخ في مكونات موازنة القوة، يجب أن تظل المنطقة الفعالة الخاصة بها ثابتة أو تتغير قليلاً جدًا داخل نطاق التشغيل؛ عند استخدامها في قياس المكونات، يجب أن تكون خصائصها المرنة خطية؛ عند استخدامها كأختام مفرغة في أنابيب تبديل الفراغ، يجب أن يفي المنفاخ بمتطلبات الختم الفراغي، والإزاحة المحورية، وعمر الكلال؛ عند استخدامها كأختام في الصمامات، يجب أن يمتلك المنفاخ مقاومة معينة للضغط، ومقاومة للتآكل، ومقاومة لدرجة الحرارة، وإزاحة التشغيل، وعمر الكلال. بناءً على الخصائص الهيكلية للمنفاخ، يمكن اعتباره مكونًا من قشرة دائرية، أو قشرة مخروطية مسطحة، أو لوحة دائرية. إن تصميم وحساب المنفاخ هو في الأساس تصميم وحساب غلاف دائري، أو غلاف مخروطي مسطح، أو لوحة دائرية.
تتضمن المعلمات المحسوبة الصلابة، والإجهاد، والمنطقة الفعالة، وعدم الاستقرار، والإزاحة المسموح بها، ومقاومة الضغط، وعمر الخدمة.
مقاومة الضغط: تعتبر مقاومة الضغط معلمة حاسمة لأداء المنفاخ. الحد الأقصى للضغط الساكن الذي يمكن أن يتحمله المنفاخ في درجة حرارة الغرفة دون تشوه البلاستيك هو أقصى مقاومة للضغط. في الظروف العادية، يعمل المنفاخ تحت ضغط معين (داخلي أو خارجي)، لذا يجب أن يتحمل هذا الضغط دون تشوه لدن طوال فترة تشغيله.
تقع مقاومة الضغط للمنفاخ ضمن فئة قوتها. مفتاح الحساب هو تحليل الإجهاد، والذي يتضمن تحليل الضغط على جدار المنفاخ. طالما أن الضغط عند نقطة الضغط الأقصى على جدار المنفاخ لا يتجاوز قوة خضوع المادة، فإن الضغط على المنفاخ لن يصل إلى مقاومته للضغط.
في ظل نفس ظروف التشغيل، يكون نفس المنفاخ أكثر استقرارًا تحت الضغط الخارجي منه تحت الضغط الداخلي. ولذلك، فإن الحد الأقصى لمقاومة الضغط تحت الضغط الخارجي أعلى من المقاومة تحت الضغط الداخلي.
عندما يتم تثبيت طرفي المنفاخ، وإذا تم إدخال ضغط كبير بما فيه الكفاية في تجويفه الداخلي، فقد تنفجر قمم المنفاخ وتفشل. تسمى قيمة الضغط داخل المنفاخ عند بدء الانفجار بضغط الانفجار. ضغط الانفجار هو معلمة تميز الحد الأقصى لمقاومة الضغط للمنفاخ. طوال فترة تشغيله، يكون ضغط العمل للمنفاخ أقل بكثير من ضغط الانفجار؛ وإلا فإن المنفاخ سوف يتمزق ويتضرر.
عندما يكون الطول المموج أقل من أو يساوي القطر الخارجي، تكون النتيجة المحسوبة قريبة جدًا من ضغط الانفجار الفعلي؛ بالنسبة للمنفاخ النحيف، يكون ضغط الانفجار الفعلي أقل بكثير. يبلغ ضغط الانفجار حوالي 3 إلى 10 أضعاف ضغط العمل المسموح به.
الاستقرار: عند تقييد طرفي المنفاخ، إذا زاد الضغط داخل المنفاخ إلى قيمة حرجة معينة، يصبح المنفاخ غير مستقر.
الإزاحة المسموح بها: بالنسبة للمنفاخ الذي يعمل تحت الضغط، فإن الحد الأقصى لإزاحة الضغط هو الحد الأقصى للإزاحة التي يمكن أن تنتجها المنفاخ عند ضغطها تحت الضغط حتى تتلامس التموجات مع بعضها البعض. ويسمى هذا أيضًا الحد الأقصى المسموح به للإزاحة الهيكلية، وهو يساوي الفرق بين الطول الحر والحد الأقصى للطول المضغوط للمنفاخ.
يُطلق على الحد الأقصى للإزاحة التي يمكن أن يحققها المنفاخ دون تشوه البلاستيك الإزاحة المسموح بها للمنفاخ.
أثناء التشغيل الفعلي، سوف ينتج عن المنفاخ تشوهًا متبقيًا، يُعرف أيضًا بالتشوه الدائم أو التشوه البلاستيكي. يشير التشوه المتبقي إلى الظاهرة التي يتشوه فيها المنفاخ تحت القوة أو الضغط، ولا يعود إلى حالته الأصلية بعد إزالة القوة أو الضغط. يتم التعبير عنه عادةً بالمقدار الذي لا يعود به المنفاخ إلى موضعه الأصلي، والمعروف أيضًا باسم إزاحة الموضع صفر-.
فيما يتعلق بالعلاقة بين إزاحة المنفاخ وإزاحة الموضع الصفري-، سواء كانت إزاحة الشد أو الضغط، في المرحلة الأولى من إزاحة المنفاخ، يكون التشوه المتبقي صغيرًا جدًا، وبشكل عام أقل من قيمة إزاحة الموضع الصفرية المسموح بها - المحددة في معيار المنفاخ. ومع ذلك، عندما تزداد إزاحة الشد (أو الضغط) تدريجيًا لتتجاوز قيمة معينة، فسوف يتسبب ذلك في زيادة مفاجئة في قيمة إزاحة الموضع صفر-. يشير هذا إلى أن المنفاخ قد أنتج تشوهًا متبقيًا كبيرًا نسبيًا. بعد هذه النقطة، إذا تمت زيادة الإزاحة ولو قليلاً، فإن التشوه المتبقي سيزداد بشكل ملحوظ. لذلك، يجب ألا يتجاوز المنفاخ عمومًا مقدار الإزاحة هذا؛ وإلا، فسيتم تقليل الدقة والاستقرار والموثوقية وعمر الخدمة بشكل كبير.
إن الإزاحة الانضغاطية المسموح بها للمنفاخ تحت الضغط أكبر من إزاحة الشد المسموح بها تحت التوتر. ولذلك، ينبغي تصميم المنفاخ للعمل تحت الضغط قدر الإمكان. أظهرت التجارب أنه في الظروف العادية، بالنسبة للمنفاخ من نفس المادة والمواصفات، فإن إزاحة الضغط المسموح بها تبلغ 1.5 مرة إزاحة الشد المسموح بها.
ويرتبط الإزاحة المسموح بها بالأبعاد الهندسية للمنفاخ وخصائص المواد. بشكل عام، الإزاحة المسموح بها تتناسب طرديًا مع قوة خضوع المادة ومربع القطر الخارجي، وتتناسب عكسيًا مع معامل مرونة المادة وسمك جدار المنفاخ. عمق التموج النسبي وسمكه لهما أيضًا بعض التأثير.
العمر الافتراضي: العمر الافتراضي للمنفاخ هو أقصر فترة تشغيل ممكنة أو عدد الدورات المطلوبة لضمان التشغيل العادي في ظل ظروف العمل. غالبًا ما تعمل أنظمة الختم المرنة المكونة من منفاخ تحت أحمال مختلفة وإزاحات كبيرة مع عدد كبير من الدورات؛ ولذلك، فإن تحديد عمر المنفاخ أمر بالغ الأهمية. لأن الوظائف المختلفة للمنفاخ تتطلب عمرًا مختلفًا...
(1) عندما يتم استخدام المنفاخ للتعويض عن الانحرافات الموضعية الناتجة عن التثبيت في نظام الأنابيب، فإن متطلبات العمر الافتراضي له تكون بضع دورات فقط.
(2) عند استخدام المنفاخ في منظمات الحرارة ذات ترددات التبديل العالية، يجب أن يصل عمره الافتراضي إلى 10000 دورة لتلبية متطلبات الاستخدام.
(3) عندما يتم استخدام المنفاخ كختم مفرغ في مفاتيح التفريغ، يجب أن يصل عمره الافتراضي إلى 30000 دورة لضمان التشغيل العادي.
كما يتبين من أمثلة الاستخدام الثلاثة المذكورة أعلاه، فإن العمر الافتراضي المطلوب للمنفاخ يختلف بشكل كبير بسبب ظروف الاستخدام المختلفة. يرتبط العمر الافتراضي للمنفاخ بخصائص الكلال للمادة المختارة، بالإضافة إلى حجم الإجهاد المتبقي في المنفاخ المشكل، وتركيز الإجهاد، وجودة السطح. علاوة على ذلك، فإن العمر الافتراضي يرتبط بظروف عمل المنفاخ، مثل الإزاحة، الضغط، درجة الحرارة، وسط العمل، ظروف الاهتزاز، نطاق التردد، وظروف التأثير.
أثناء التشغيل، يعتمد العمر الافتراضي للمنفاخ بشكل أساسي على الحد الأقصى للضغط الناتج أثناء التشغيل. لتقليل الضغط، يتم تحقيق ذلك عمومًا عن طريق تقليل إزاحة المنفاخ وخفض ضغط العمل. في التصميم العام، يجب أن تكون إزاحة العمل للمنفاخ أقل من نصف الإزاحة المسموح بها، ويجب أن يكون ضغط التشغيل أقل من نصف مقاومة الضغط.
وقد أظهرت الاختبارات التي أجريت على المنافيخ المصنعة أنه إذا تم تشغيل المنافيخ وفقًا لهذه المواصفات، فإن عمر الخدمة الخاص بها يمكن أن يصل بشكل عام إلى ما يقرب من 50000 دورة.
اعتمادًا على طبيعة ضغط العمل، يختلف الإزاحة المسموح بها للمنفاخ أيضًا. بشكل عام، عندما يتحمل المنفاخ الأحمال المحورية فقط (الشد أو الضغط)، يمكن تحديد إزاحته المسموح بها بين 10% و40% من الطول الفعال للمنفاخ؛ ومع ذلك، عندما يتحمل المنفاخ قوى مركزة جانبية، أو لحظات الالتواء، أو قوى مشتركة، فيجب تقليل الإزاحة المسموح بها بشكل مناسب.
يمكن أن يؤدي استخدام المنفاخ متعدد الطبقات- إلى تقليل الصلابة والضغط الناتج عن التشوه، وبالتالي تحسين عمر المنفاخ بشكل ملحوظ.
عندما تعمل المنافيخ في نفس الظروف ولكن مع خصائص ضغط عمل مختلفة (حمل ثابت أو متناوب)، فإن عمر الخدمة الخاص بها سوف يختلف. من الواضح أن العمر الافتراضي للمنفاخ الذي يعمل تحت الأحمال المتناوبة أقصر من العمر تحت الأحمال الثابتة.
