Выводы по главе 4.

Рассмотрены основные понятия, модели и методики обеспечения работоспособности соединений деталей прибо­ров, используемых при их изготовлении. Усвоение материала главы обес­печи­вается проведением тестирования.

5. Механические первичные преобразователи

5.1. Общие сведения

Работа любого прибора основана на его способности «улавливать» какие-либо изменения параметров состояния объектов контроля. Для оценки степени этого изменения необходимо преобразование измеряемого парамет­ра в параметр, который может быть сравнён с эталоном. Эффекты, ис­поль­зуемые для такого первичного преобразования измеряемой физической вели­чины, основаны на упругих, пьезоэлектрических, электродина­мических, тер­мо­элект­рических, фотоэлектрических, электромагнитных, опти­чес­ких и других законо­мерностях.

Принцип действия меха­нических чувствительных элементов основан на связи величины меха­ни­ческого воздействия на элемент и положения в пространстве какой-либо точки элемента. Изменение вели­чины воздействия приводит к пере­мещению частей элемента друг относительно друга. В большинстве случаев такое переме­ще­ние связано с деформированием элемента, а для однознач­ности свя­зи воздействий и деформаций чувс­тви­тельные элементы должны быть упругими, то есть обладать способ­ностью пол­ностью устранять деформации после прекраще­ния действия нагруз­ки.

Функцию первичного преобразователя может выполнять лю­бой упруго деформирующийся элемент. Наиболее распростра­нён­ными упругими чувствительными эле­мен­та­ми приборов являются следующие:

- цилиндрические винтовые пружины сжатия и растяжения;

- прямые пружины, работающие на кручение;

- прямые пружины, работающие на изгиб;

-спиральные и винтовые пружины, работающие на закру­чивание;

- биметаллические пружины, изгибающиеся при изменении темпера­туры;

- гофрированные трубки или сильфоны;

- мембраны;

- анероидные коробки;

- трубчатые пружины;

- резиновые упоры и амортизаторы.

Габариты упругих элементов не должны быть большими. Деформация большинства структурных элементов прямо пропорци­о­нальна усилиям и моментам, создаваемым ими, и не зависит от положения их в пространстве. Предварительное деформирование элемента позволяет запасать в нём механическую энергию.

Характеристикой упругого элемента называется зави­си­мость между деформацией и величиной силового воздействия на эле­мент (например, между прогибом f и силой Р, углом закру­чивания  и моментом М). Характеристика может быть линейной и нелинейной.

Жёсткостью упругого элемента называется предел отношения прираще­ния величины силового воздействия к прира­щению величины деформации. Величина, обратная жёсткости, называется чувствитель­ностью упругого элемента.

Необходимая для работы упругих элементов устойчивость их харак­терис­тик достигается выбором соответствующих материалов с удовлетвори­тель­ными упругими свойствами, технологией их изготовления, ограниче­нием значения предельно допустимой для данного элемента нагрузки.

При работе упругого элемента всегда имеет место явление упругого пос­лед­ствия или упругий гистерезис, заключающиеся в продолжении дефор­мирования после прекращения изменения нагрузки и несовпадении харак­те­ристик упругого элемента, снима­емых при увеличении или при уменьшении нагрузки на элемент. Максимальная величина несовпадения деформаций на рассматри­ваемом участке деформирования называется суммарной абсолют­ной погрешностью элемента, а отношение этого несовпа­дения к величине наибольшей деформации, выраженное в процентах, называется относи­тельной погрешностью (гистерезисом) чувст­ви­тельного элемента.

Упругие элементы выходят из строя вследствие пластического деформи­ро­вания. Для его предотвращения их подвергают стабили­зации – техно­логической операции, заключающейся в длительном или многократном нагружении элемента, иногда при повышенной температуре (заневоливание).

На характеристику упругого элемента влияет и изменение температуры t, изменяющее значение модуля упругости материала. Степень влияния оценивают относительной приведённой темпе­ратур­ной погрешностью

_t = _Е t P/P_max 100 % ,

где _Е - температурный коэффициент модуля упругости, Р и Р_max - действующее и максимально воспринимаемое элементом значение силы.

При выборе материала пружины необходимо учитывать устойчивость во времени упругих свойств материала готовой пру­жины (после термооб­ра­бот­ки), прочность и сопротивление ударным нагрузкам, а также электро­про­водность, коэффициент расширения, стойкость против коррозии и другие свойства, которые опре­де­ля­ются назначением и условиями работы пружины. Размеры сечений, марки и свойства материалов для изготовления пружин регла­мен­тируются ГОСТами и ОСТами и приводятся в справочной лите­ра­туре. Примеры материалов - сталь 1Х 18 Н9Т, сталь У8Ф, 65Г, 60С2А.

Для изготовления винтовых пружин, которые навиваются в хо­лод­ном состоянии и не подвергаются закалке, применяется пружинная стальная хо­лод­но­тянутая углеродистая проволока диа­мет­ром от 0,14 до 8 мм. После изготовления ответственные пру­жины сжатия сжимают до соприкосновения витков, а пружины рас­тя­жения растягивают нагрузкой в 2-3 раза выше предельной. Для пружин, работающих при повышенных температурах под действием ударной и циклической нагрузок, применяется стальная хромо­вана­диевая проволока диаметром от 0,5 до 14 мм. Вагонные пружины изготавливаются из проволоки диаметром 0,2- 70 мм. После навивки не заневоленные пружины подвергаются термо­обработке.

В тех случаях, когда пружина должна работать в магнитном поле, обладать хорошей электропроводностью или иметь высокую стойкость против коррозии, рекомендуется применять бронзы БрКМц3-1, БрОФ6,5-0,15 и БрОЦ4-3, а для ответственных пружин - бериллиевую бронзу БрБ2.