Пип с механическими и механическими упругими чувствительными элементами

Белорусский Национальный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра «Информационно-измерительная  техника и технологии»

 

 

 

 

 

 

 

самостоятельная работа

по дисциплине «Первичные измерительные преобразователи»

ПИП C МЕХАНИЧЕСКИМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

 

 

 

                                                                

 

 

  Исполнитель:  студент группы 113319

                                                                         Кудряшев В.С.

                                             Руководитель: профессор

                                                                               Джилавдари И.З.

 

 

 

 

 

Минск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 МАТЕРИАЛЫ,   ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ…………………………………………………………...3

1.1Требования, предъявляемые  к материалу упругих элементов………………...3 

1.2 Механические  свойства материалов …………………………………………...5 

1.3 Материалы  для упругих элементов…………………………………………...14 

2 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА  УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ………………………...17

2.1 Упругая характеристика, жесткость, чувствительность……………………..17

3КОНСТРУКЦИЯ  И ПРИМЕНЕНИЕ ПЛОСКИХ ПРУЖИН…………………..21

4 ВИНТОВЫЕ ПРУЖИНЫ………………………………………………………..26

5 ТЕРМОБИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ  ПРУЖИНЫ…………………………………..30

6 МЕМБРАНЫ……………………………………………………………………...34

6.1 Плоские мембраны……………………………………………………………..35

7 СИЛЬФОНЫ……………………………………………………………………...38

8 МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ  ТРУБЧАТЫЕ ПРУЖИНЫ…………………………..40

9 МАЯТНИКОВЫЕ  ПРИБОРЫ…………………………………………………...43

9.2 Вариометры  и градиентометры……………………………………………….44

9.3 Инерционные  вибропреобразователи………………………………………...45

9.4 Акселерометры…………………………………………………………………48

 

 

 

 

 

 

 

 

1 МАТЕРИАЛЫ,   ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ

^{УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ}

 

1.1Требования, предъявляемые к материалу упругих элементов

 

Материал упругого элемента должен удовлетворять многим требованиям в зависимости от назначения упругого элемента и условий работы. Он должен обладать высокими упругими свойствами, достаточной прочностью и выносливостью. Его механические характеристики должны быть стабильны во времени и в условиях переменной температуры.

Если упругий элемент будет использоваться при рабочих температурах в несколько сотен градусов, то материал должен быть термостойким. В тех случаях, когда упругий элемент соприкасается с агрессивной средой, он должен иметь достаточную коррозионную стойкость.

В ряде случаев существенно требование высокой или, наоборот, низкой электропроводности.

Упругие элементы электроизмерительных приборов в большинстве случаев изготовляются из немагнитных материалов, однако если упругий элемент является частью магнитопровода, то его материал должен иметь достаточную магнитную проницаемость.

Материал должен обладать высокой пластичностью, поскольку упругие элементы обычно изготовляются из полуфабриката в виде листов, лент или проволоки, при прокатке или протяжке которых возникают большие пластические деформации. Изготовление самих упругих элементов, особенно манометрических, также требует значительной пластичности материала.

Во многих случаях при изготовлении упругого элемента возникает необходимость сварки или пайки, тогда материал должен обладать соответствующими свойствами и в этом отношении.

Удовлетворить всему комплексу многообразных и нередко противоречивых требований, предъявляемых к материалу упругого элемента, сложно, и выбор наиболее подходящего материала часто встречает большие трудности.

Очень немногие материалы, обладая высокими упругими и прочностными характеристиками, имеют в то же время достаточную пластичность. Еще меньше материалов, способных сохранять свои упругие свойства в условиях высоких температур (порядка нескольких сотен градусов) и в условиях сильно агрессивных сред. Жаропрочные сплавы применяются в машиностроении при температурах до 800—1000°С, однако, они не пригодны для изготовления из них упругих элементов, так как их пластические и упругие свойства недостаточны.

В связи с большим многообразием предъявляемых требований при выборе материала часто приходится ограничиваться удовлетворением лишь наиболее важным требованиям. Так, например, противоречивым оказывается требование сочетания термостойкости и высокой электропроводности, предъявляемое к упругим элементам некоторых электроизмерительных приборов. Термостойкость материала можно повысить путем легирования, но это снижает его электропроводность. Чистые металлы или слабо легированные сплавы обладают достаточной электропроводностью, но в то же время низкой термостойкостью. В большинстве случаев требование достаточной термостойкости оказывается более важным, поскольку повысить электропроводность можно не только соответствующим выбором материала упругого элемента, но и другими путями. Поэтому в таких случаях обычно приходится выбирать высоколегированный термостойкий материал, хотя его электропроводность и недостаточно велика.

 

1.2 Механические свойства материалов

 

Механические свойства материала наглядно  характеризуются диаграммой, получаемой при испытании на растяжение (рис.1). По оси ординат диаграммы откладывается напряжение (Р — растягивающая сила, F₀ — площадь поперечного сечения образца до его нагружения), а по оси абсцисс — деформация   ( удлинение образца, — его первоначальная длина).

При приложении к образцу  растягивающих сил он удлиняется вначале прямо пропорционально  силе, что отражается на графике  прямой OA. Линейная зависимость между напряжениями и деформациями выражается законом Гука, который при одноосном напряженном  состоянии  может  быть записан в  виде:

                                                              

                                                    (1)

 

где Е — модуль   упругости   материала,   характеризующий   его

жесткость.

 

То наибольшее напряжение _пц до которого еще справедлив закон  Гука,  называется пределом   пропорциональн о с т и. Предел пропорциональности — условная величина, зависящая от принятого допуска на отклонение характеристики материала от прямой. Обычно считают предел пропорциональности достигнутым, если тангенс угла между касательной к точке характеристики материала и осью превышает тангенс угла на линейном участке OA в 1,5 раза.

 

Рисунок 1

Диаграмма растяжения

 

При дальнейшем растяжении в образце возникают пластические деформации, при этом жесткость материала резко снижается и с увеличением нагрузки деформации растут более интенсивно, чем на начальном участке OA. Затем в

наиболее слабом месте образец заметно утоняется, и при достижении деформаций предельного значения _разр  он разрушается.

Наивысшая  точка   диаграммы   растяжения    соответствует пределу прочности _пч материала,  который определяется как отношение максимальной силы, растягивающей образец, к первоначальной  площади его поперечного сечения.

Если нагрузить  образец так, чтобы в нем появились  пластические     деформации, а   затем   полностью    снять нагрузку, то окажется, что при разгрузке изменение напряжений и деформаций подчиняется закону Гука, т. е.  линия разгрузки СВ представляет собой прямую, параллельную участку OA характеристики.

Деформацию  в точке С характеристики можно представить как сумму упругой и пластической деформаций . После разгрузки образца упругая деформация исчезает, а пластическая остается.

Помимо предела прочности  важной характеристикой механических свойств материала является предел текучести — напряжение, при котором начинает быстро возрастать пластическая деформация. Величина предела текучести является условной. Обычно под пределом текучести понимают то напряжение, при котором пластическая деформация составляет 0,2%.

Напряжения, возникающие в упругом  элементе при его работе, не должны превосходить предела текучести, так  как возникновение остаточных деформаций искажает форму упругого элемента и нарушает правильность его работы. Строго говоря, рабочие напряжения в упругом элементе должны оставаться меньше предела упругости — того наибольшего напряжения, при котором появляются лишь незначительные остаточные деформации. Величина предела упругости так же, как и предела текучести, определяется по допуску (см. рис. 1) на остаточную деформацию; но если для предела текучести этот допуск составляет 0,2%, то для предела упругости он значительно меньше, например, 0,001, 0,003 или 0,005%.

Если при расчете большинства деталей машин и приборов достаточно располагать двумя характеристиками прочности материала: и , то для правильного проектирования упругих элементов желательно знать величину предела упругости , чтобы гарантировать работу пружины в области упругих деформаций.

Величина предела текучести повышается при наклепе материала. Если нагрузить материал за пределами упругих деформаций, разгрузить и вновь нагрузить, то линия вторичного нагружения будет совпадать с линией раз-грузки, и характеристика будет изображаться линией BCD (см. рис. 1).

Если вторичное нагружение производится в ту же сторону, что и предыдущее, то упругий участок характеристики возрастает, поэтому говорят, что материал получил «упрочнение», «нагартовку».

Рисунок 2

Эффект Баушингера

 

Наоборот, предварительное  нагружение за пределами упругих деформаций снижает предел текучести материала, если оно противоположно по знаку последующему нагружению. Так, растяжение образца за пределами упругих деформаций вызывает снижение предела текучести материала при сжатии от величины (Рис-2). Это явление известно под названием эффекта Баушингера. Упрочнение, т. е. увеличение упругих свойств нагружением за пределами упругих деформаций, может быть получено только в том случае, если знак последующих рабочих нагрузок совпадает со знаком первичного нагружения.

Помимо перечисленных важным показателем  качества материала является предел выносливости — наибольшее напряжение, при котором образец не разрушается при любом большом числе циклов изменения напряжений во времени.

Известно, что  детали, способные длительно работать при довольно больших постоянных во времени напряжениях, могут быстро разрушиться при меньших, но переменных напряжениях. Однако, если напряжения в материале не превосходят предела выносливости, то такая деталь может работать, не разрушаясь, в течение любого отрезка времени.

Величина  предела выносливости (предела усталости) зависит не только от свойств материала, но и в большой степени от характера изменения напряжений во времени, от состояния поверхности детали и наличия в ней концентраторов напряжений.

Наиболее опасным оказывается  симметричный цикл изменения напряжений (Рис. 3, а). Упругие элементы часто работают в режиме «нагружение — разгрузка», такой цикл называется пульсационным (Рис. 3, б). Если упругий элемент предварительно поджат, то при изменении рабочей нагрузки напряжения в нем изменяются по некоторому асимметричному циклу (Рис. 3, в).

Рисунок 3

Циклы изменения напряжений: а) симметричный; б) пульсационный; в) асимметричный

 

Если поверхностные  слои детали нагартованы, а сама поверхность гладкая, не имеет трещин, царапин, рисок и следов механической обработки, то выносливость такой детали повышается. Наоборот, плохое состояние поверхностных слоев, особенно при наличии коррозии, резко уменьшает прочность детали при переменных напряжениях.

Усталостная прочность также падает вследствие концентрации напряжений, возникающей в местах резких изменений  формы детали.

Материал  упругого элемента должен обладать не только достаточно высокими упругими и прочностными свойствами, но и постоянством этих свойств во времени и при изменении условий работы прибора. Особенно трудно добиться стабильности свойств в том случае, когда упругий элемент работает при повышенных температурах.

Изменение температуры оказывает влияние  на величину модуля упругости большинства  материалов, что приводит к изменению  жесткости упругого элемента, а следовательно и к появлению температурной погрешности. При нагреве материала модуль упругости уменьшается, а при охлаждении — увеличивается.

В некотором интервале  изменения температур зависимость  модуля упругости от температуры  можно выразить формулой:

 

                                                                                                       (2)

где Е₀ — модуль упругости при растяжении в условиях нормальной

температуры;

      E_t — модуль упругости при увеличении температуры на t;

      — температурный коэффициент изменения модуля упругости.

 

Модуль упругости при  сдвиге G связан с температурой анало¬гичной зависимостью: