№9 (Лабораторные работы)

Министерство образования и науки Российской ФедерацииГосударственное образовательное учреждение высшего образованияМосковский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана(МГТУ им. Н.Э.Баумана)ИССЛЕДОВАНИЕМАНОМЕТРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКОВЫХ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВМетодические указания к лабораторной работе № 9по курсу «Основы конструирования приборов»Под редакцией: И.С.

ПотапцеваМосква20141ВведениеОболочковые упругие элементы используются как чувствительные элементы вприборах для измерения параметров газовых и жидкостных сред. Применяются дляизмерения: давления, силы, расхода и скорости потока в трубопроводе, уровня врезервуаре с газом или жидкостью и т.д. Применяются в качестве упругих подвижныхсоединений, сосудов переменной вместительности, оболочек для разделения сред,герметизации и других целей.Цель работы:1. ознакомление с назначением и использованием в приборахоболочковых упругих элементов и конструктивными схемами и ихпринципами действия2.

Задача лабораторных работ - проведение теоретических иэкспериментальных исследований упругой характеристики оболочковогоупругого элемента.Краткие теоретические сведения об оболочковых упругихэлементахОболочковыми упругими элементами являются элементы выполненные в видеоболочек и реагирующие на изменение воздействующего на них давления. К оболочковымупругим элементам относятся:1. Мембраны2.

Мембранные коробки3. Сильфоны4. Трубчатые манометрические пружиныРассмотрим работу этих элементов в отдельности.1. МЕМБРАНЫМембранами называются гибкие тонкие, равномерно зажатые по периметруметаллические и неметаллические пластины, воспринимающие внешние усилия иполучающие под их влиянием значительные упругие деформации δ. Мембранывыполняют круглыми (Ø10...300 мм) и в зависимости от формы пластины (плоская илигофрированная) они могут иметь линейную и нелинейную характеристики.Плоские мембраны с нелинейной характеристикой (рис.

1, в) применяют в2качестве преобразователей измеряемого давления р в усилие Q, воспринимаемоеразличными датчиками (например, емкостными). Под воздействием давления рмембрана прогибается.В электроконтактных устройствах автоматических систем часто применяютхлопающие мембраны (рис. 2), имеющие сферическую (а) или коническую (б)выпуклость. Под влиянием давления р со стороны выпуклости прогиб δ мембранысначала нарастает плавно (кривая ОА, рис. 3, в), а затем при некотором критическомдавлении ркр мембрана теряет устойчивость и скачком увеличивает свой прогиб с δ А доδ В. При этом точка К мембраны перемещается в положение К', а точка Ахарактеристики — в положение В. В момент потери устойчивости (хлопка) мембраныпроисходит замыкание контактов К', а их прижатие осуществляется дальнейшимповышением давления р и плавным нарастанием прогиба δ в соответствии с кривойхарактеристики ВС.Размыкание контактов производится разгрузкой мембраны (линия CDEOхарактеристики) и её возвращением в исходное положение вследствие давления р,действующего с противоположной стороны.Значение критического давления и вид характеристики хлопающих мембранзависят от параметра давления p'=pR4/(Eh4), где R – радиус проекции диафрагмы; h –3толщина диафрагмы.Для освобождения мембран от растягивающих деформаций им придаютгофрированную форму (рис.

4, а, б, в, г, д, е), обеспечивающую при равных условияхнагружения больший прогиб без появления остаточных деформаций. Характеристикатаких мембран зависит от формы волнистых складок и может быть линейной инелинейной.Рис.2Рис.3Одиночные, закрепленные по профилю мембраны применяют относительноредко. Чаще две одинаковые мембраны соединяют вместе и образуют мембраннуюкоробку, обладающую вдвое большим ходом (рис. 5, а). Такие коробки делятся наанероидные и манометрические (см. приложение 2).42. Мембранные коробкиМембранные коробки делятся наанероидныеиманометрические.Анероидные коробки, внутри которых воздух откачан, применяют для измеренияабсолютногосоединяетсядавления.собластьюВманометрических коробкахизмеряемогодавления.внутренняяполостьДля увеличения перемещениянесколько коробок часто соединяют в блоки (рис.

5, б).Металлические мембраны изготовляют из стали и бронзы, а эластичныенеметаллические — из резины и пластмасс. Неметаллические мембраны менее жесткии позволяют получать большие перемещения. Недостатки неметаллических мембранобусловлены отрицательными свойствами их материалов: зависимостью модуля Е оттемпературы, интенсивным старением резины, повышенной склонностью пластмасс кползучести и др.Для сообщения движения диафрагмы передаточному механизму прибора еецентральная плоская часть снабжается жестким центром О.3.

СИЛЬФОНЫСильфонами называют тонкостенные трубки с глубокими кольцевыми гофрами(рис. 6), способные под влиянием внутреннего давления Р или осевой нагрузки Аполучать значительные осевые или угловые перемещения при характеристике, близкой5к линейной. Это свойство обеспечило сильфонам широкое применение в качествечувствительных элементов регулирующих устройств и приборов (манометров,манометрических термометров и др.). Значительное изменение объема и эластичностьстенок позволяют использовать сильфоны в качестве уплотнителей при разделениидвух сред и для компенсации температурного расширения жидкостей.Рис.

6.Материалы сильфонов должны обладать высокой упругостью, прочностью привысоких давлениях, жаростойкостью, сопротивляемостью окислительным процессам,малым гистерезисом. Этим требованиям удовлетворяют латунь Л80; бериллиевыебронзы БрБ2, БрБ2,5, БрБнТ1,9; сплавы H36XTЮ, НХН60В, ХН38ВТ; нержавеющиестали Х18Н9Т, 1Х14Н182Б и некоторые другие материалы.В тех случаях, когда требуется увеличить жесткость упругой системы иуменьшить влияние упругого гистерезиса в заданном диапазоне давлений, сильфомспаривают с винтовой пружиной, жесткость которой превышает жесткость сильфона.4. ТРУБЧАТЫЕ ПРУЖИНЫТрубчатые пружины с линейной характеристикой применяют в качествеприемников (датчиков) манометров — приборов измерения давления сжатых газов.Они представляют собой полые металлические трубки некруглого сечения (обычноэллиптического или овального), изогнутые по окружности (рис.

7 ), спирали иливинтовой линии (рис. 7. а, б, в). Свободный конец трубки закрыт наглухо6(герметически), а неподвижный соединяется с емкостью измеряемого давления Р, подвлиянием которого свободный конец получает некоторое перемещение, передаваемоеотсчетному или записывающему устройству непосредственно или с помощьюпередаточного механизма.Рис. 7.Рис. 8.Сечение трубки может быть различным, по обязательно некруглым (рис.

7 , б)или круглым, но со смещенным центром относительно оси симметрии (рис. 7, д). Под7влиянием давления Р поперечное сечение трубки деформируется, стремясь при этомпринять круглую форму (малая ось увеличивается, а большая — уменьшается). Вволокнах материала трубки, расположенных относительно нейтральной оси к центру,возникают напряжения сжатия, а в наружных волокнах — напряжения растяжения. Подвлиянием этих напряжений трубка стремится выпрямиться, создавая на свободномконце А тяговое усилие: радиальное Qr и тангенциальное Qt.Чувствительность трубчатых пружин зависит от угла между неподвижным исвободным концом трубки γ. В пружинах, изогнутых по окружности (рис.

7), этот уголравен 270°. Значительно большей чувствительностью обладают спиральные пружины(рис. 8), в которых угол γ > 2π.При отсутствии жестких требований к стабильности характеристики трубчатыепружины изготовляют из латуни Л62, Л68 или из фосфористой бронзы БрОФ4-2,5. Вответственных случаях при повышенных давлениях и жестких требованиях кстабильности характеристики применяют бериллиевые бронзы (БрБ2,5 и БИТ 1,9) имарганцевый мельхиор МНМц20-20.

Пружины высокого давления изготовляют изсталей 50ХФА л 18ХНВА. Сплавы Н36ХТЮ и Н41ХТ применяют для трубок,работающих в агрессивных средах при t = 200...300°С.5. Краткие теоретические сведения1.1 Мембраны. Для расчета упругих характеристик исследуемых упругихэлементов используются формулы:δìδ ì3P ⋅ R4= η p ⋅ Ap ⋅+ ϕ p ⋅ Bp 3E ⋅ h4hhгдеЕ — модуль упругости первого рода материала трубки (Н/мм2);Р — давление, действующее на мембрану, (Н/мм2);δм — перемещение (ход) жесткого центра мембраны, (мм) под действием давления;h — толщина материала мембраны, (мм);R — радиус мембраны, (мм);8ηр и φр — коэффициенты, зависящие от диаметра жесткого центра (табличныекоэффициенты).Ар и Bр — коэффициенты, зависящие от формы и размеров гофр, рассчитываются поформулам:Ap =2(3 + α )(1 + α )ν2 3K1 1 − 2 α Bp =32 K1  13 −ν−α 2 − 9  6 (α − ν )(α + ν ) где:=α     К1, К2 —K1 ⋅ K 2 — безразмерный параметр;табличные коэффициенты, зависящие от формы и размеров гофр.ν - коэффициент Пуассона (для металлов ν = 0,3)При исследовании мембранной коробки, состоящей из двух мембран, необходимоучитывать, что перемещение (прогиб) жесткого центра такой коробки под действиемдавления в два раза больше прогиба одной мембраны, т.е.

–δк=2δм .1.2 Трубчатые элементы. Зависимость между перемещением свободного концаманометрической трубчатой пружины (пружины Бурдона) эллиптического сечения идавлением, действующим на нее, определяются по формуле:(1 −ν 2 ) ρ 3  b 2  α22⋅ 1 − 2  ⋅⋅ (1 − sin γ 0 ) + (1 − cos γ 0 )δT = P ⋅2Ebh  a  β + χгде:Е - модуль упругости первого рода материала трубки (Н/мм2);δТ - перемещение свободного конца трубки, (мм);Р - давление внутри трубки (Н/мм2) или (МПа);γ0 - начальный центральный угол трубки (когда она ненагружена измеряемымдавлением), (радиан);χ = ρ ∙ h/a2 - главный параметр трубки;ρ -начальныйдавлением), (мм);радиускривизнытрубки(ненагруженнойизмеряемымh - толщина стенок трубки, (мм);a и b - большая и малая полуоси сечения трубки, (мм);α и β - коэффициенты, зависящие от отношения a/b (табличные коэффициенты);9Основные характеристики оболочковых упругих элементовК основным характеристикам оболочковых упругих элементов относятся:− упругая характеристика;− чувствительность;− жесткость;− нелинейность упругой характеристики;− тяговое усилие;− силовая характеристика;− упругое последействие и упругий гистерезис.Упругая характеристика.