Пип с механическими и механическими упругими чувствительными элементами

                                                                                                       (3)

 

где — температурный коэффициент модуля упругости при сдвиге.

Так как в действительности модуль упругости нелинейно зависит от температуры, то значения коэффициентов и    различны в разных интервалах изменения температуры.

Большое значение для измерительных пружин имеют несовершенства упругих свойств, присущие в большей или меньшей степени всем реальным материалам.Точные измерения показывают, что даже при напряжениях, меньших пределах упругости, реальные материалы не имеют той строго линейной и однозначной зависимости между напряжениями и деформациями, которая выражается законом Гука (1). Кривые нагружения и разгрузки материала в пределах упругих деформаций в действительности не совпадают, образуя так называемую «петлю гистерезиса» (Рис. 4, а). Ширина петли гистерезиса очень мала и может быть обнаружена только при весьма тщательных измерениях. Явление гистерезиса не имеет существенного значения для работы большинства деталей , но для упругих чувствительных элементов величина гистерезиса является одной из важнейших характеристик, поскольку она целиком входит в погрешность прибора, определяя разницу в его показаниях при прямом и обратном ходе.

Явление гистерезиса  сложно, и природа его в настоящее  время еще недостаточно изучена. Известно, что с увеличением напряжений петля гистерезиса увеличивается. Большое влияние на величину гистерезиса оказывают химический состав и структура материала, определяемая его механической и термической обработкой. Величина гистерезиса уменьшается с увеличением предела упругости, т.е. с ростом сопротивления малым пластическим деформации продолжают нарастать по резко затухающему во времени закону (  кривая ОаА на Рис. 4, б). При снятии нагрузки деформации исчезают также с некоторым запаздыванием во времени (кривая АвВ), Явление изменения деформаций во времени при постоянной нагрузке называется последействием. Если после снятия нагрузки деформации по истечении некоторого времени исчезают полностью, то такое последействие называется упругим.

Являясь причиной отставания по фазе деформаций от величин  напряжений при нагружении и при  разгрузке упругого элемента, последействие, складываясь с гистерезисом, увеличивает разницу в показаниях прибора при прямом и обратном ходе (Рис. 4, в).

Чем медленнее изменяется измеряемая величина (соответственно и напряжения в упругом элементе), тем меньше проявляется упругое последействие: разница между деформациями при нагружении и при разгрузке уменьшается, а петля стремится к петле «чистого» гистерезиса (Рис. 4, а). При измерении переменных весьма быстро изменяющихся величин упругое последействие также мало сказывается, так как за короткие промежутки времени процесс упругого последействия не успевает развиться. Наиболее сильно проявляется упругое последействие при некоторых средних скоростях

Рисунок 4

Несовершенства упругих свойств материала:

а) петля гистерезиса; б) изменение деформаций во времени; в) гистерезис

и упругое последействие; г) пластическое последействие.

 

Стабильность рабочих свойств упругого элемента во времени может быть нарушена вследствие пластического течения материала (так называемой ползучести), которое может возникнуть при нормальной температуре и сравнительно небольших напряжениях (меньших предела упругости), но протекает более интенсивно при больших напряжениях и высоких температурах.

Возникновение пластического течения при напряжениях, меньших предела упругости, связано с неоднородностью структуры материала и появлением в его микрообъемах остаточных напряжений при изготовлении. Поэтому при нагружении детали напряжения в отдельных местах могут превзойти предел упругости материала (хотя среднее значение напряжений остается меньшим предела упругости), в результате чего в этих местах могут возникнуть пластические деформации. Процесс пластического течения происходит в течение некоторого времени и приводит к изменению размеров и перераспределению напряжений в материале детали. При нагреве ползучесть значительно ускоряется и при достаточно больших напряжениях может привести не только к изменению упругих свойств детали, но и к ее механическому разрушению.

Ползучесть металлического упругого элемента протекает интенсивно, если он работает при температурах порядка нескольких сот градусов; упругие элементы из неметаллических материалов (например, из фторопласта, резины) подвержены ползучести при нормальных или слегка повышенных температурах.

Пластическое течение материала  во времени может проявляться  в форме пластического последействия  и релаксации.

В отличие от упругого последействия, при пластическом последействии  некоторая часть деформации в детали сохраняется при полной ее разгрузке по истечении любого отрезка времени (Рис. 4, г). В результате пластического последействия размеры упругого элемента могут измениться, что приведет к искажению показаний прибора.

Если в испытываемом образце создать некоторую деформацию и оставить ее неизменной во времени, то окажется, что в результате пластического течения напряжения будут уменьшаться. Это связано с тем, что пластическая деформация с течением времени увеличивается. Так как полная деформация состоит из упругой и пластической, то увеличение пластической деформации приводит к уменьшению упругой деформации, а следовательно, напряжения в материале образца будут также уменьшаться. По истечении достаточно длительного времени напряжения в образце могут полностью исчезнуть. Ослабление напряжений с течением времени при условии постоянной деформации называется релаксацией напряжений.

 

1.3 Материалы для упругих элементов

 

Упругий элемент заданной (иногда довольно сложной) формы можно изготовить только из достаточно пластичного материала. Однако для изготовления упругого элемента пригоден не любой пластичный материал, а лишь такой, который в результате последующей механической или термической обработки способен приобрести высокую упругость и прочность.

Многие материалы, обладая высокой пластичностью в отожженном состоянии, в результате нагартовки, возникающей во время изготовления упругого элемента, значительно повышают свои упругие свойства. Технология изготовления упругих элементов из таких материалов относительно проста, так как обычно не требует специальной термообработки отформованного упругого элемента. Эти материалы особенно широко применялись в начале развития приборостроения. К таким материалам относятся латуни.

Пластичность латуней в мягком состоянии так велика, что, например, из латуни Л90 легко формуются сильфоны, процесс изготовления которых сопровождается весьма глубокой вытяжкой. Однако упругие свойства латуней невысоки, а гистерезис, последействие, ползучесть весьма значительны. Нередко большие остаточные напряжения, которые возникают при изготовлении латунных упругих элементов, по истечении некоторого времени приводят к растрескиванию материала. Упругие свойства латуни могут быть повышены в результате низкотемпературного отжига, в процессе которого также уменьшаются остаточные напряжения. Несмотря на это и на дешевизну, латунь не имеет перспектив для использования при изготовлении измерительных упругих элементов приборов высоких классов точности .

Лучшие упругие свойства по сравнению с латунными имеют упругие элементы из нейзильбера, кремнемарганцевой, оловянно-цинковой и оловянно-фосфористой бронз. Так же, как и латуни, эти материалы немагнитны, хорошо свариваются и паяются. Они стойки на воздухе, в пресной и морской воде. Эти материалы также приобретают упругие свойства в результате холодной пластической деформации, и поэтому, хотя прочность их относительно высока, большие несовершенства упругих свойств являются существенным недостатком таких материалов.

К числу материалов, приобретающих упругие свойства при нагартовке, относится элинвар, основным достоинством которого является постоянство модуля упругости в интервале температур от —50. до +80° С.

Нержавеющая сталь 1Х18Н9Т широко применяется при изготовлении сильфонов, мембран и других элементов, работающих в агрессивных средах (например, в морской воде, окислительных средах, слабых щелочах) и при повышенных температурах (до 400° С). Эта сталь немагнитна, хорошо сваривается, но плохо паяется. Низкие упругие свойства ограничивают ее применение в измерительных упругих элементах.

Особо высокой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред, например, в 98%-ном растворе азотной кислоты, обладает титан ВТ1-1. Он хорошо поддается точечной сварке, удовлетворительно — аргоно-дуговой. Упругие элементы, изготовленные из титана, имеют низкие упругие свойства и поэтому используются в основном в качестве разделителей сред.

Основными недостатками перечисленных выше материалов являются низкие упругие свойства и нестабильность их во времени. Причина этого кроется в значительных остаточных напряжениях, возникающих в материале при изготовлении упругого элемента.

 

 

 

2 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА  УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

 

2.1 Упругая характеристика, жесткость, чувствительность

 

Упругой характеристикой называется зависимость между перемещением определенной точки упругого элемента и величиной нагрузки р. Характеристика упругого элемента может быть представлена в виде уравнения, в табличной или графической форме.

В зависимости от конструкции и способа нагружения упругого элемента его характеристика может быть линейной и нелинейной: возрастающей или затухающей (Рис. 5).

Рисунок 5

Характеристики упругого элемента: а) линейная; б) затухающая; в) возрастающая

 

Упругая характеристика является основным показателем свойств упругих элементов, особенно измерительных пружин. Если известна упругая характеристика пружины, служащей для измерения некоторого параметра, преобразуемого в силовую нагрузку, то может быть построена характеристика этого элемента по измеряемому параметру: расходу, температуре, высоте над уровнем моря и т. д.

Отклонение линейной зависимости  между нагрузкой и перемещением оцениваются величиной нелинейной характеристики. Нелинейностью характеристики называется наибольшее отклонение действительной характеристики от линейной, отнесенное к наибольшему перемещению упругого элемента (Рис 6,а) и выраженное в процентах:

 

                                                                                             (4)

Величина и знак нелинейности не отражают форму характеристики полностью. Так, например, показанные на (Рис.6,б,в) характеристики имеют одинаковую нелинейность, в то втемя как формы их существенно  различны, и одна из них может быть пригодной для работы чувствительного элемента в приборе, а другая непригодной.

 

Рисунок 6

Нелинейные характеристики

 

Важным свойством  упругого элемента является его жесткость, а также чувствительность — величина, обратная жесткости.

Если характеристика упругого элемента линейна, то жесткость представляет собой отношение нагрузки р к соответствующему перемещению

                                                                                                              (5)

 

а чувствительность — отношение перемещения к  нагрузке:

                                                                                                                           (6)

Жесткость показывает, какую нагрузку следует приложить к упругому элементу, чтобы вызвать перемещение, равное единице; чувствительность численно равна перемещению, совершаемому упругим элементом под действием единичной нагрузки.

Размерность жесткости  может быть выражена в следующих единицах: кгс/мм, кгс /см² /мм, кгс.см /рад и пр. в зависимости от того, нагружен ли элемент силой, давлением или моментом, и какое перемещение упругого элемента измеряется: линейное или угловое. Размерность чувствительности обратна размерности жесткости.

Понятия  жесткости  и  чувствительности  совершенно  равноправны, и использование того или иного определяется только вопросами удобства. Например, понятие «жесткость» чаще используется по отношению к натяжным пружинам, которые должны при работе обеспечивать определенную силу, а понятие «чувствительность» обычно применяется по отношению к упругим чувствительным элементам, которые должны давать определенное перемещение под действием рабочей нагрузки.

При нелинейной характеристике жесткость и чувствительность упругого элемента меняются с нагрузкой и определяются следующим образом:

 

                                                    и                                                        (7)

На ( Рис.7)   жесткость    пропорциональна tg , а чувствительность — tg . Для всех упругих элементов величина жесткости или чувствительности представляет собой один из наиболее важных параметров, определяющих рабочие качества упругого элемента. Обычно, желательно,  чтобы измерительная пружина  обладала возможно большей чувствительностью; заводные пружины будут удовлетворять предъявляемым к ним требованиям, если отдаваемое ими усилие постоянно на рабочем ходе. Это означает, что идеальная заводная пружина должна иметь нулевую жесткость. Жесткость натяжной пружины должна быть достаточной для обеспечения требуемой силы  натяжения  при   данном  перемещении  упругого  элемента.