Принцип действия пружинных манометров и вакуумметров (пружин Бурдона) основан на изменении формы поперечного сечения пружины под воздействием измеряемого давления.
Трубчатая пружина (пружина Бурдона) - это изогнутая по дуге тонкостенная трубка овального или эллиптического сечения (рисунки 4 и 5). У пружин Бурдона используют линейное перемещение свободного конца в качестве характеристики измеряемого давления. При увеличении давления малая ось сечения удлиняется, а большая укорачивается.
Трубчатая пружина считается ТОНКОСТЕННОЙ, если толщина h ее стенки мала по сравнению с длиной б малой полуоси сечения, и ТОЛСТОСТЕННОЙ, если они соизмеримы.
ТОНКОСТЕННЫЕ пружины Бурдона эллиптического сечения применяют в приборах для измерения вакуумметрического давления до 0,1 МПа и избыточного давления до 6 МПа.
Для измерения избыточного давления 20 - 160 МПа применяют ТОЛСТОСТЕННЫЕ пружины овального сечения.
Выбор материала пружин зависит от условий работы и класса точности. В приборах НИЗКОЙ точности, при давлении не более 15 МПа применяют пружины - из латуней Л62; Л68 из фосфористой бронзы Браф - 2,5.
|
|
В приборах ВЫСОКОЙ точности, с давлением выше 15 МПа применяют бериллиевую бронзу БрБр - 2,5; сплав 50 ХФА и мельхиор МНМц 20 - 20
В приборах, работающих при высоких температурах и агрессивных средах, - сплавы Н36ХТЮ и М41ХТ.
Механические свойства перечисленных материалов приведены в таблице 4
Таблица 4- Механические свойства материалов, применяемых для упругих чувствительных элементов
Марка | Предел текучести σт | Модуль упругости при растяжении Е | Марка | Предел текучести σт | Модуль упругости при растяжении Е |
МПа | МПа | ||||
Л62 | 500 | 1,16 * 105 | МНМц 20-20 | 1140 | 1,44 * 105 |
Л68 | 520 | 1,15 * 105 | 50ХФА | 1100 | 2,12 * 105 |
Бр ОФ4-2,5 | 540 | 1,0 * 105 | Н36ХТЮ | 1000 | 2,1* 105 |
Бр Бр-2,5 | 1280 | 1,33 * 105 | М41Т | 1250 | 1,9 * 105 |
17
Для инженерных расчетов используется теория трубчатых пружин, разработанная Федосеевым В. И. [2,7 ] и на основе приближенного энергетического метода Ритца [2,7 ] без учета влияния концевых заделок держателя и наконечника и со всеми допущениями, принятыми в теории оболочек.
Рисунок 4-Обозначение элементов и параметров трубчатой пружины
а) плоско-овальное б) эллиптическое
Рисунок 5 -Формы сечения пружин Бурдона(а, б)
При выборе и расчете основных характеристик трубчатых пружин по формулам Федосеева В. И необходимо учитывать следующие обозначения элементов и параметров трубчатой пружины (рисунки 4 и 5):
|
|
а, в - длины большой и малой полуоси сечения. Рекомендуется для малых и средних давлений применять трубки с отношений осей 1,5; 4,5, а для больших давлений 4:6. Большие значения отношений осей позволяет повышать предельное значение измеряемого давления без существенного снижения чувствительности пружины. [18, 22 ]
h - толщина стенки. При выборе толщины стенки пружины необходимо учитывать, что отношение h/в может применяться в пределах 0-2. [18, 22 ]
R - радиус кривизны центральной оси. Радиус всегда следует выбирать наибольшим из
18
возможных. При выборе необходимо учитывать, что R / в не должно быть меньше 6-7 (из-за опасности концентрации напряжений - в области близкой к центру кривизны продольной оси пружины).
Кроме этого, для пружин с электрическим преобразователем R/в = 6-7, для пружин в показывающих приборах. R/в = 7-8. [18, 22 ]
g - центральный угол. Находится в пределах = 180- 2700. Чем больше угол первоначальной закрутки, тем больше перемещение запаянного конца пружины. [18, 22 ]
l - перемещение запаянного конца пружины. Для показывающих приборов перемещение запаянного конца пружины должно находится 5-8 мм. Для приборов с электрическим преобразователем эта величина 2-3 мм. [18, 22 ]
В таблице приведены параметры трубчатой пружины необходимые для расчетов. Данные получены экспериментальным путем в лаборатории КИП цеха тепловой автоматики Белоярской атомной электростанции.
Таблица 5
Верхний предел по давления, кгс\см2 | Форма сечения пружины | Угол закрутки γ, град | 2a, мм | b, мм | Радиус R, мм |
1 | эллиптическая | 255 | 22,05 | 7,35 | 32,5 |
1,6 | плоскоовальная | 260 | 21,45 | 4,45 | 52,5 |
2,5 | плоскоовальная | 260 | 21,25 | 4,4 | 55 |
4 | эллиптическая | 258 | 21,2 | 8,4 | 35 |
6 | эллиптическая | 260 | 20,05 | 6,9 | 32,5 |
10 | эллиптическая | 260 | 16,25 | 6,1 | 32,5 |
16 | эллиптическая | 253 | 16,2 | 5,4 | 32,5 |
25 | эллиптическая | 265 | 16,1 | 6 | 32,5 |
40 | плоскоовальная | 263 | 20,2 | 5,65 | 52,5 |
60 | эллиптическая | 262 | 15,45 | 6,4 | 32,5 |
100 | плоскоовальная | 270 | 21,2 | 5,1 | 55,3 |
160 | плоскоовальная | 180 | 16,5 | 6,1 | 47,2 |
250 | плоскоовальная | 270 | 15,8 | 6,4 | 47 |
19