Teoretický základ pro konstrukci kovových měchů spočívá v teorii desek a skořepin, mechanice materiálů a výpočetní matematice. Při návrhu měchu je zahrnuto mnoho parametrů a zaměření návrhových výpočtů se liší v závislosti na aplikaci měchu v systému. Například, když se měchy používají v součástech pro vyvažování síly, jejich účinná plocha musí zůstat konstantní nebo se v rámci provozního rozsahu měnit jen velmi málo; při použití v měření součástí musí být jejich elastické vlastnosti lineární; při použití jako vakuové těsnění ve vakuových spínacích trubkách musí vlnovec splňovat požadavky na vakuové těsnění, axiální posuv a únavovou životnost; při použití jako těsnění ve ventilech musí mít vlnovec určitou odolnost vůči tlaku, korozi, teplotní odolnosti, provoznímu posunutí a únavové životnosti. Na základě konstrukčních charakteristik měchu lze uvažovat jako složený z kruhového pláště, plochého kuželového pláště nebo kruhové desky. Návrh a výpočet měchu je v podstatě návrh a výpočet kruhového pláště, plochého kuželového pláště nebo kruhové desky.
Vypočítané parametry zahrnují tuhost, napětí, efektivní plochu, nestabilitu, povolené posunutí, tlakovou odolnost a životnost.
Odolnost vůči tlaku: Odolnost vůči tlaku je rozhodujícím parametrem pro výkon měchu. Maximální statický tlak, který měch vydrží při pokojové teplotě bez plastické deformace, je jeho maximální tlaková odolnost. Za normálních okolností měchy pracují pod určitým tlakem (vnitřním nebo vnějším), proto musí tento tlak vydržet bez plastické deformace po celou dobu svého provozu.
Tlaková odolnost měchu ve skutečnosti spadá do kategorie jeho pevnosti. Klíčem k výpočtu je analýza napětí, která zahrnuje analýzu napětí na stěně měchu. Dokud napětí v místě maximálního napětí na stěně měchu nepřesáhne mez kluzu materiálu, nedosáhne tlak na měch jeho tlakové odolnosti.
Za stejných provozních podmínek je stejný vlnovec stabilnější pod vnějším tlakem než pod vnitřním tlakem. Proto je maximální tlaková odolnost při vnějším tlaku vyšší než při vnitřním tlaku.
Když jsou oba konce měchu upevněny, pokud je do jeho vnitřní dutiny vyvinut dostatečně velký tlak, mohou hřebeny měchu prasknout a selhat. Hodnota tlaku uvnitř měchu při začátku protržení se nazývá tlak při roztržení. Trhací tlak je parametr charakterizující maximální tlakovou odolnost měchu. Během jeho provozu je pracovní tlak měchu mnohem nižší než jeho tlak při roztržení; jinak měch praskne a poškodí se.
Když je délka vlnité vlny menší nebo rovna vnějšímu průměru, vypočítaný výsledek je velmi blízký skutečnému tlaku při roztržení; u štíhlých měchů je skutečný tlak při roztržení mnohem nižší. Tlak při roztržení je přibližně 3 až 10násobek povoleného pracovního tlaku.
Stabilita: Když jsou oba konce měchu omezené, pokud tlak uvnitř měchu vzroste na určitou kritickou hodnotu, měch se stane nestabilním.
Přípustný posun: U měchu pracujícího pod tlakem je jeho maximální kompresní přemístění maximálním přemístěním, které může měch vytvořit, když je stlačen pod tlakem, dokud se zvlnění nedostanou do vzájemného kontaktu. Toto se také nazývá maximální přípustné konstrukční posunutí a rovná se rozdílu mezi volnou délkou a maximální stlačenou délkou měchu.
Maximální posuv, kterého může měch dosáhnout bez plastické deformace, se nazývá přípustný posuv měchu.
Během skutečného provozu bude měch produkovat zbytkovou deformaci, známou také jako trvalá deformace nebo plastická deformace. Zbytková deformace se týká jevu, kdy se měch deformuje působením síly nebo tlaku a po odstranění síly nebo tlaku se nevrátí do původního stavu. Obvykle se vyjadřuje jako hodnota, o kterou se měch nevrátí do své původní polohy, také známý jako offset nulové-pozice.
Pokud jde o vztah mezi posunutím měchu a posunutím nulové polohy, ať už se jedná o posunutí v tahu nebo tlaku, v počáteční fázi posunutí měchu je jeho zbytková deformace velmi malá, obecně menší než přípustná hodnota posunutí nulové polohy - uvedená v normě měchu. Když se však tahové (nebo tlakové) posunutí postupně zvyšuje, aby přesáhlo určitou hodnotu, způsobí náhlé zvýšení hodnoty posunutí nulové-polohy. To ukazuje, že měch produkoval relativně velkou zbytkovou deformaci. Po tomto bodě, pokud se posun zvýší byť jen nepatrně, zbytková deformace se výrazně zvýší. Proto by měch obecně neměl překročit tuto velikost posunutí; jinak bude jeho přesnost, stabilita, spolehlivost a životnost výrazně snížena.
Přípustný tlakový posun měchu pod tlakem je větší než jeho přípustný posuv v tahu pod tahem. Měchy by proto měly být navrženy tak, aby co nejvíce fungovaly pod tlakem. Experimenty ukázaly, že za normálních okolností pro měchy ze stejného materiálu a stejných specifikací je přípustný posuv v tlaku 1,5 násobek přípustného posuvu v tahu.
Přípustné posunutí souvisí s geometrickými rozměry a materiálovými vlastnostmi měchu. Obecně je přípustné posunutí přímo úměrné meze kluzu materiálu a druhé mocnině vnějšího průměru a nepřímo úměrné modulu pružnosti materiálu a tloušťce stěny měchu. Určitý vliv má také relativní hloubka a tloušťka zvlnění.
Životnost: Životnost měchu je nejkratší možná provozní doba nebo počet cyklů potřebných k zajištění normálního provozu za pracovních podmínek. Elastické těsnicí systémy složené z vlnovců často pracují pod proměnlivým zatížením a velkými posuny s vysokým počtem cyklů; proto je určení životnosti měchu zásadní. Protože různé funkce měchu vyžadují různou životnost...
(1) Je-li vlnovec použit ke kompenzaci polohových odchylek způsobených instalací v potrubním systému, jeho životnost je pouze několik cyklů.
(2) Když se vlnovec používá v termostatech s vysokými spínacími frekvencemi, jeho životnost musí dosáhnout 10 000 cyklů, aby byly splněny požadavky na použití.
(3) Když se měch používá jako vakuové těsnění ve vakuových spínačích, jeho životnost musí dosáhnout 30 000 cyklů, aby byl zajištěn normální provoz.
Jak je patrné z výše uvedených tří příkladů použití, požadovaná životnost měchu se značně liší v důsledku různých podmínek použití. Životnost vlnovce souvisí s únavovými charakteristikami zvoleného materiálu a také s velikostí zbytkového napětí ve tvarovaném vlnovce, koncentrací napětí a kvalitou povrchu. Životnost dále souvisí s pracovními podmínkami měchu, jako je výtlak, tlak, teplota, pracovní médium, vibrační podmínky, frekvenční rozsah a podmínky nárazu.
Během provozu závisí životnost vlnovce především na maximálním namáhání vznikajícím během provozu. Ke snížení napětí se toho obecně dosahuje snížením pracovního posunutí měchu a snížením pracovního tlaku. V obecném provedení by pracovní výtlak měchu měl být menší než polovina jeho povoleného přemístění a jeho pracovní tlak by měl být menší než polovina jeho odolnosti vůči tlaku.
Testy vyrobených měchů ukázaly, že pokud měch pracuje podle těchto specifikací, jeho životnost může obecně dosáhnout přibližně 50 000 cyklů.
V závislosti na povaze pracovního tlaku se mění i dovolené posunutí měchu. Obecně platí, že když měch přenáší pouze axiální zatížení (tah nebo tlak), jeho přípustné posunutí lze zvolit mezi 10 % a 40 % účinné délky měchu; pokud však měch nese příčné soustředěné síly, krouticí momenty nebo kombinované síly, přípustné posunutí by mělo být přiměřeně sníženo.
Použití více{0}}vrstvého měchu může snížit tuhost a napětí způsobené deformací, čímž se výrazně prodlouží životnost měchu.
Když měchy pracují za stejných podmínek, ale s různými charakteristikami pracovního tlaku (konstantní nebo střídavé zatížení), jejich životnost se bude lišit. Je zřejmé, že životnost měchu pracujícího při střídavém zatížení je kratší než při stálém zatížení.
