A base teórica para o projeto de foles metálicos reside na teoria das placas e cascas, na mecânica dos materiais e na matemática computacional. Há muitos parâmetros envolvidos no projeto do fole, e o foco dos cálculos do projeto varia dependendo da aplicação do fole no sistema. Por exemplo, quando foles são usados em componentes de balanceamento de força, sua área efetiva deve permanecer constante ou mudar muito pouco dentro da faixa operacional; quando utilizados na medição de componentes, suas propriedades elásticas devem ser lineares; quando usado como vedação a vácuo em tubos de comutação a vácuo, o fole deve atender aos requisitos de vedação a vácuo, deslocamento axial e resistência à fadiga; quando usados como vedações em válvulas, os foles devem possuir certa resistência à pressão, resistência à corrosão, resistência à temperatura, deslocamento operacional e vida útil à fadiga. Com base nas características estruturais do fole, ele pode ser considerado composto por uma casca circular, uma casca cônica plana ou uma placa circular. Projetar e calcular um fole é essencialmente projetar e calcular uma casca circular, uma casca cônica plana ou uma placa circular.
Os parâmetros calculados incluem rigidez, tensão, área efetiva, instabilidade, deslocamento permitido, resistência à pressão e vida útil.
Resistência à pressão: A resistência à pressão é um parâmetro crucial para o desempenho do fole. A pressão estática máxima que um fole pode suportar à temperatura ambiente sem deformação plástica é a sua resistência máxima à pressão. Em circunstâncias normais, os foles operam sob uma determinada pressão (interna ou externa), portanto devem suportar esta pressão sem deformação plástica durante toda a sua operação.
A resistência à pressão de um fole, na verdade, se enquadra na categoria de sua resistência. A chave para o cálculo é a análise de tensão, que envolve a análise da tensão na parede do fole. Contanto que a tensão no ponto de tensão máxima na parede do fole não exceda a resistência ao escoamento do material, a pressão no fole não atingirá sua resistência à pressão.
Sob as mesmas condições operacionais, o mesmo fole é mais estável sob pressão externa do que sob pressão interna. Portanto, a resistência máxima à pressão sob pressão externa é maior do que sob pressão interna.
Quando ambas as extremidades de um fole são fixas, se uma pressão suficientemente grande for introduzida em sua cavidade interna, as cristas do fole podem estourar e falhar. O valor da pressão dentro do fole quando o rompimento começa é chamado de pressão de rompimento. A pressão de ruptura é um parâmetro que caracteriza a resistência máxima à pressão de um fole. Durante toda a sua operação, a pressão de trabalho do fole é muito inferior à sua pressão de ruptura; caso contrário, o fole irá romper e ser danificado.
Quando o comprimento do papelão ondulado é menor ou igual ao diâmetro externo, o resultado calculado é muito próximo da pressão de ruptura real; para foles finos, a pressão real de ruptura é muito menor. A pressão de ruptura é aproximadamente 3 a 10 vezes a pressão de trabalho permitida.
Estabilidade: Quando ambas as extremidades do fole estão restritas, se a pressão dentro do fole aumentar para um determinado valor crítico, o fole ficará instável.
Deslocamento Admissível: Para um fole operando sob compressão, seu deslocamento compressivo máximo é o deslocamento máximo que o fole pode produzir quando comprimido sob pressão até que as corrugações entrem em contato umas com as outras. Isto também é chamado de deslocamento estrutural máximo permitido e é igual à diferença entre o comprimento livre e o comprimento máximo comprimido do fole.
O deslocamento máximo que o fole pode atingir sem deformação plástica é chamado de deslocamento admissível do fole.
Durante a operação real, o fole produzirá deformação residual, também conhecida como deformação permanente ou deformação plástica. A deformação residual refere-se ao fenômeno em que um fole se deforma sob força ou pressão e não retorna ao seu estado original após a remoção da força ou pressão. Geralmente é expresso como o valor pelo qual o fole não retorna à sua posição original, também conhecido como deslocamento-da posição zero.
Em relação à relação entre o deslocamento do fole e o deslocamento da-posição zero, seja deslocamento de tração ou compressão, no estágio inicial do deslocamento do fole, sua deformação residual é muito pequena, geralmente menor que o valor de deslocamento da posição-zero permitido especificado na norma do fole. No entanto, quando o deslocamento de tração (ou compressão) aumenta gradualmente até exceder um determinado valor, causará um aumento repentino no valor de deslocamento da posição-zero. Isto indica que o fole produziu uma deformação residual relativamente grande. Após este ponto, se o deslocamento aumentar mesmo que ligeiramente, a deformação residual aumentará significativamente. Portanto, o fole geralmente não deve exceder esse valor de deslocamento; caso contrário, sua precisão, estabilidade, confiabilidade e vida útil serão severamente reduzidas.
O deslocamento compressivo permitido de um fole sob compressão é maior que seu deslocamento elástico permitido sob tensão. Portanto, o fole deve ser projetado para operar sob compressão tanto quanto possível. Experimentos mostraram que, em circunstâncias normais, para foles do mesmo material e especificações, o deslocamento de compressão permitido é 1,5 vezes o deslocamento de tração permitido.
O deslocamento permitido está relacionado às dimensões geométricas do fole e às propriedades do material. Geralmente, o deslocamento permitido é diretamente proporcional ao limite de escoamento do material e ao quadrado do diâmetro externo, e inversamente proporcional ao módulo de elasticidade do material e à espessura da parede do fole. A profundidade e espessura relativas da ondulação também têm alguma influência.
Vida útil: A vida útil de um fole é o período operacional mais curto possível ou o número de ciclos necessários para garantir a operação normal sob condições de trabalho. Os sistemas de vedação elástica compostos por foles operam frequentemente sob cargas variadas e grandes deslocamentos com um elevado número de ciclos; portanto, determinar a vida útil do fole é crucial. Porque diferentes funções do fole requerem diferentes vidas úteis...
(1) Quando o fole é usado para compensar desvios de posição causados pela instalação em um sistema de tubulação, sua vida útil é de apenas alguns ciclos.
(2) Quando o fole é usado em termostatos com altas frequências de comutação, sua vida útil deve atingir 10.000 ciclos para atender aos requisitos de uso.
(3) Quando o fole é usado como vedação a vácuo em vacuostatos, sua vida útil deve atingir 30.000 ciclos para garantir a operação normal.
Como pode ser visto nos três exemplos de uso acima, a vida útil necessária do fole varia muito devido às diferentes condições de uso. A vida útil de um fole está relacionada às características de fadiga do material selecionado, bem como à magnitude da tensão residual no fole formado, à concentração de tensão e à qualidade da superfície. Além disso, a vida útil está relacionada às condições de trabalho do fole, como deslocamento, pressão, temperatura, meio de trabalho, condições de vibração, faixa de frequência e condições de impacto.
Durante a operação, a vida útil de um fole depende principalmente da tensão máxima gerada durante a operação. Para reduzir o estresse, isso geralmente é conseguido reduzindo o deslocamento de trabalho do fole e diminuindo a pressão de trabalho. No projeto geral, o deslocamento de trabalho de um fole deve ser inferior à metade do seu deslocamento permitido e a sua pressão de trabalho deve ser inferior à metade da sua resistência à pressão.
Testes em foles fabricados mostraram que se o fole funcionar de acordo com estas especificações, sua vida útil pode geralmente atingir aproximadamente 50.000 ciclos.
Dependendo da natureza da pressão de trabalho, o deslocamento permitido do fole também varia. Geralmente, quando o fole suporta apenas cargas axiais (tensão ou compressão), seu deslocamento permitido pode ser selecionado entre 10% e 40% do comprimento efetivo do fole; entretanto, quando o fole suporta forças laterais concentradas, momentos de torção ou forças combinadas, o deslocamento permitido deve ser reduzido adequadamente.
O uso de foles multi-camadas pode reduzir a rigidez e a tensão causada pela deformação, melhorando significativamente a vida útil do fole.
Quando os foles operam nas mesmas condições, mas com diferentes características de pressão de trabalho (carga constante ou alternada), sua vida útil será diferente. Obviamente, a vida útil de um fole operando sob cargas alternadas é menor do que sob cargas constantes.
