Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ функциональных и конструктивных свойств устройств вывода и построение классификационной схемы 8
1.1. Исследование функциональных и эксплуатационных особенностей устройств вывода
1.1.1. Функциональные элементы устройств вывода
1.1.2. Эксплуатационные свойства вывода 10
1.2. Классификация устройств вывода 13
1.3. Сравнительные характеристики устройств вывода 16
1.4. Особенности расчета и проектирования устройств вывода 21
Выводы 23
Глава 2. Исследование метрологических и эксплуатационных характеристик торсионного вывода 25
2.1. Анализ свойств и основных особенностей торсионного вывода
2.2. Исследование зависимости метрологических характеристик торсионного вывода от его конструктивных параметров 26
2.3. Расчет прочности торсионного вывода 30
2.4. Разработка методики проектирования торсионного вывода 34
2.5. Рекомендации по дальнейшему развитию и совершенствованию торсионных выводов 44
В ы в о д ы 49
Глава 3. Исследование метрологических и эксплуатационных характеристик сильфонного вывода 50
3.1. Схема вывода и его эксплуатационные свойства
3.2. Зависимость прочности сильфонного вывода от его конструктивных параметров 55
3.3. Метрологические характеристики 63
3.4. Рекомендации по регулировке сильфонного вывода
на уменьшение величины погрешности 72
В ы в о д ы 76
Глава 4. Анализ свойств мембранного вывода и разработка методики его проектирования 78
4.1. Описание мембранного вывода, его конструкционные и эксплуатационные особенности
4.2. Расчет рабочих характеристик мембраны вывода с тороидальной формой гофра 80
4.3. Исследование погрешностей мембранного вывода 105
4.4. Разработка рекомендаций по выбору конструктивных параметров мембранного вывода 122
В ы в о д ы 130
Глава 5. Исследование метрологических и эксплуатационных свойств магнитного вывода 132
5.1. Анализ основных свойств и особенностей магнитного вывода
5.2. Расчет устанавливающего момента магнитного вывода 137
5.3. Особенности выбора основных параметров магнитного вывода 155
5.4. Разработка способа повышения проводимости магнитной цепи вывода 166
5.5. Оценка влияния погрешностей изготовления и сборки на точность работы магнитного вывода 175
В ы в о д ы 188
Заключение 190
Литература 192
Приложения 211
- Исследование функциональных и эксплуатационных особенностей устройств вывода
- Анализ свойств и основных особенностей торсионного вывода
- Схема вывода и его эксплуатационные свойства
- Описание мембранного вывода, его конструкционные и эксплуатационные особенности
- Анализ основных свойств и особенностей магнитного вывода
Исследование функциональных и эксплуатационных особенностей устройств вывода
Проблема выводного устройства (иди просто "вывода") возникает всякий раз, когда приходится проектировать измерительные приборы, в которых механический сигнал между функциональными звеньями должен пройти через стенку корпуса (рис. I).
Каждое выводное устройство, независимо от своей схемы и конструктивного решения, содержит следующие элементы, показанные на рис. 2 (имеются в виду функциональные элементы, а не конструкционные; элемент может состоять из нескольких деталей вывода и, наоборот, одна и та же деталь конструкции может одновременно являться частью нескольких функциональных элементов):
передающий (выводящий) элемент. Он связан с ЧЭ и передает его усилие или перемещение через стенку корпуса следующему звену (преобразователю) прибора. Конструктивно этот элемент выполняется в виде штоков, рычагов или сочетания их в некоторую подвижную систему, обладающую определенным передаточным отношением выходного сигнала к входному (определенной чувствительностью);
направляющий элемент, обеспечивающий определенную (заданную) кинематику работы выводящего элемента и определяющий в совокупности с ним величину чувствительности устройства вывода. Направляющий элемент выполняется в виде опор скольжения или качения, упругих опор или иногда даже их сочетания.
Анализ свойств и основных особенностей торсионного вывода
Торсионный вывод (основная его модификация) состоит из трубки 2 (рис. 5), обычно тонкостенной, стержня 3 и корпуса 4. Один конец- б - трубки закреплен в корпусе, а другой - а - соедине] со стержнем. Этот конец трубки опирается на радиальный подшипник I, который, не мешая повороту стержня и трубки вокруг их общей оси, предотвращает изгиб стержня. Конец 6 стержня, выходящий из корпуса, обычно также опирается на радиальный подшипник 5.
При приложении к хвостовику а стержня момента М трубка закручивается на некоторый угол V и на соответствувдий угол поворачивается стержень. Таким образом трубка обеспечивает передачу стержню утла поворота и одновременно герметично изолирует механизм прибора от полосой с чувствительным элементом, заполненной средой и находящейся под давлением.
Торсионный вывод относится к группе выводов с упругим элементом трубчатого типа и реализует тип "В" кинематической схемы (см. табл. I).
Возможность применения того или иного торсионного вывода в некотором приборе конкретного типа при заданных условиях его эксплуатации определяется совокупностью следующих основных рабочих свойств торсионного вывода: допустимым значением угла закручивания трубки [ f ] ; допустимым значением рабочего избыточного давления среды [ р ] ; значением порога чувствительности А V или приведенного порога чувствительности у, = Ay/ft (диапазон углов закручивания трубки У = Ymax " Vmln где %ш " наибольший, а Чш - наименьший углы закручивания трубки) ; жесткостью на кручение трубки ктв ; податливостью на кручение стержня SCT = 1 /кст , а также коррозийной стойкостью элементов выводов, соприкасавшихся с измеряемой средой; габаритами вывода; технологичностью изготовления; стой мостью.
Схема вывода и его эксплуатационные свойства
Вывод с упругим элементом, обеспечивающий кинематическую схему "К", первоначально был осуществлен с разделителем в виде тонкостенной упругой трубки и передающим элементом - рычагом, расположенным внутри этой трубки (см. пп. 19, 20 приложения I). Эти выводы нашли применение в сигнализаторах уровня, в приборах с силовой компенсацией и в других устройствах, где диапазон поворота рычага нужен был небольшой и большая жесткость трубки не препятствовала нормальной работе прибора /31, 33, 50-53/. Большая жесткость трубки и трудности получения больших углов поворота рычага ограничивали распространение такого вывода.
Схему этого вывода в дальнейшем стали широко применять, заменив трубку сильфоном, имеющим значительно меньшую жесткость и допускающим существенно большие углы поворота. Сильфонный вывод получил широкое распространение благодаря присущей ему возможности сочетания малой жесткости разделителя с большой жесткостью передающего элемента /55-65/.
Конструктивная схема сильфонного вывода показана на рис. 19. Один торец сильфона I закреплен в корпусе 2, а другой соединен с передамщш элементом-рычагом 3. Усилие от рабочего избыточного давления воспринимается опорой 4, подвижная часть которой располагается на траверсе 5, соединенной с рычагом. Опора выполняется в виде ножевой, шарикоподшипниковой, а чаще всего - ленточной упругой подвески. Рабочая среда воздействует на сильфон обычно снаружи. Рычаг сильфонного вывода может быть прямым и изогнутым, что дает свободу компоновки прибора. Сильфонный вывод можно считать универсальным, пригодным как для приборов с перемещением ЧЭ, причем при сравнительно большом диапазоне углов поворота рычага (до ±10...15), так и для приборов с силовой компенсацией или измерительных преобразователей с передачей усилий и моментов при почти неподвижном рычаге вывода. Приложение I позволяет проследить использование сильфонного вывода и в уровнемерах, и в плотномерах, и в дифманометрах. Здесь же хорошо видно разнообразие конструктивных решений сильфонного узла вывода.
Конструкция сильфонного вывода непрерывно совершенствуется. Фирма РохЪого Со (США) в 1983 году выпустила на рынок самозащищенные дифманометри с мембранными блоками и сильфонным выводом (вместо торсионной трубки, применявшейся многие годы в приборах этого типа) /627.
Описание мембранного вывода, его конструкционные и эксплуатационные особенности
В мембранном выводе разделителем (уплотняющим элементом) является мембрана I (см. рис. 36), защемленная по контуру в корпусе 2, а в центре жестко и герметично соединенная с передающим элементом-рычагом 3.
Рабочее избыточное давление, воспринимаемое мембраной, создает на рычаге выталкивающее осевое усилие. Это усилие через траверсу 4 передается опорам 5, не позволяющим рычагу перемещаться вдоль его оси и допускающим лишь поворот рычага вокруг оси Н0И. Подвижная часть опор закреплена на траверсе, неподвижная связана с корпусом /9-89, 1457.
Таким образом этот вывод относится к конструктивной группе 2 (с упругим элементом) и реализует кинематическую схему ЯКМ (см. табл. I).
По сравнению с сильфонным выводом мембранный вывод менее универсален: у него больше жесткость, он допускает меньшие углы поворота У. Но конструктивно мембранный вывод проще, в изготовлении он технологичнее, позволяет осуществить более компактную компоновку. Жесткость мембранного разделителя в поперечном направлении позволяет упростить узел опор. У мембранного вывода лучше показатели стабильности характеристик, он в меньшей степени подвержен влиянию изменений рабочего избыточного давления р, легче обеспечивается антикоррозийная стойкость. Поэтому мембранный вывод и нашел большое применение.
Как уже отмечалось, особенностью мембранного вывода является зависимость его работы от изменения рабочего избыточного давления.
Равнодействующая 0. сил рабочего избыточного давления р на мембрану и рычаг создает на рычаге момент Q.-6 (если расстояние Є между линией действия равнодействующей и осью качания рычага 0 не равно нулю).
Поскольку само рабочее избыточное давление и его изменения могут достигать величин порядка десятков мегапаскалей, то при обычно имеющей место величине эффективной площади мембран порядка 1-3 см2 усилия & могут доходить до тонны-силы и более Такое усилие даже при величине е порядка 0,01 мм может создать на рычаге момент, соизмеримый и даже превышающий момент от измеряемого сигнала (момент от усилия ЧЭ).
Анализ основных свойств и особенностей магнитного вывода
Принцип действия магнитного вывода (магнитной муфты) рассмотрим на примере вывода, выполненного по схеме "В" (см. рис. 59). Эта схема получила наибольшее распространение и реализуется в двух вариантах: "радиальном" (рис. 59,а) и "торцевом" (рис. 59,6). И тот, и другой вариант имеют много различных конструктивных исполнений /3X7, но почти все выводы, построенные по этим схемам, состоят из следующих основных элементов: постоянного магнита 2, жестко закрепленного на оси I, разделителя 3 в виде стакана или диска из немагнитного материала, герметично соединяемого с корпусом прибора, и якоря 4, ось 5 которого геометрически является продолжением оси I. Якорь 4 магнитной муфты обычно распрлагается в полости измеряемой среды, поскольку его легче, чем магнит 2, защитить от агрессивного воздействия.
Поворот якоря пропорционален перемещению ЧЭ прибора. Магнито-механические усилия объединяют магнит и якорь в единую кинематическую цепь, поэтому при повороте якоря на тот же угол поворачивается и магнит. Разделитель 3 не участвует в передаче движения от якоря к магниту и, по существу, выделен из механизма передачи движения; он только воспринимает нагрузку от рабочего избыточного давления и герметизирует вывод /31, 98, 116, 166-1687.
