Введение. При разработке, производстве и эксплуатации изделий различных отраслей промышленности необходим контроль определенных физических величин-параметров

 

ЭЛЕМЕНТЫ ПРИБОРОВ

 

 

Конспект лекций

для студентов специальностей:

1-38 01 01 Механические и электромеханические приборы и аппараты;

 

 

Учебное электронное издание

 

При разработке, производстве и эксплуатации изделий различных отраслей промышленности необходим контроль определенных физических величин-параметров. Параметрами могут быть перемещения, ускорение, давление, угол поворота и т.д.

Контроль осуществляется при помощи средств измерений.

Средство измерений – средство, предназначенное для измерений, вырабатывающее сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины или воспроизводящие величину заданного размера. Сигналами могут быть ток, напряжение, импульсы, давление, перемещение, и т. д. Основой для создания средств измерений служит элементная база, которая и составляет предмет изучения курса.

Элемент представляет собой часть средства измерений (СИ), предназначенную для выполнения некоторых функций, но имеющую самостоятельного значения.

В зависимости от степени разделения СИ на составляющие элементы, могут являться: детали (пружины рычаги и т. д.), сборочные единицы (опоры, амортизаторы, успокоители) или целые приборы, (чувствительные элементы, датчики, усилители). Группа элементов, выполняющая определенную функцию, называется блоком, устройством или узлом прибора.

Измерительный преобразователь – средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработке и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя.

Первичным измерительным преобразователем (ПИП) называется измерительный прибор, к которому подведена измеряемая величина.

ПИП подразделяют на параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

ПИП преобразует неэлектрические входные величины (перемещение, скорость, давление) в параметры электрических цепей (сопротивление R, индуктивность L, и емкость C).

Каждый элемент прибора, так или иначе, преобразует входные величины в выходные. Преобразование происходит так, что выходная величина зависит от входной по определенному закону . Этот закон называется функцией преобразования. Таким образом, элементы приборных устройств отличаются друг от друга, прежде всего функцией преобразования. Функция преобразования зависит, от характера информации на входе и выходе, т. е. от физического принципа, заложенного в основу построения данного элемента.

 

 

Тема 1. Опоры и направляющие

1.1 Направляющие для вращательного и прямолинейного движения

Направляющими называют сборочные единицы, детали или отдельные их поверхности, которые обеспечивают перемещение других деталей или сборочных единиц в требуемом направлении.

Различают направляющие для поступательного движения в плоскости и направляющие для вращательного движения вокруг некоторой оси или точки (опоры). В зависимости от вида трения, возникающего при взаимном перемещении деталей направляющих, различают направляющие: с трением скольжения; с трением качения; с трением.

1.1.1 Опоры с трением скольжения

Рис. 1.1 Цилиндрическая опора

Цилиндрические опоры. На рис. 1.1 показана цилиндрическая опора (подшипник), вал которой имеет возможность передавать крутящий момент. При вращении возникает трение скольжения, создающее момент трения. Момент трения цилиндрической цапфы при малой частоте вращения с учетом начального момента можно приблизительно определить по формуле:

где Р – усилие;

µ – коэффициент трения скольжения;

d – диаметр вала.

В целях уменьшения трения и износа трущихся деталей в соединениях следует применять неоднородные металлы.

Нагруженные силой Р валы проверяют на прочность (изгиб). Расчет на износ производят по удельному давлению q:

Минимальный диаметр цапфы вала можно определить

Для предохранения от продольного перемещения валик снабжают заплечиками. При их отсутствии возможно заклинивание валика и преждевременный износ опоры (рис. 1.2 а). При заплечиках без фаски (рис. 1.2 б) трение сильно возрастает. С целью уменьшения трения и сохранения смазки у заплечиков снимаются фаски под углом 45° (рис. 1.2 в).

При вертикальном расположении осей опор действующие вертикально усилия Р_у, воспринимаются или кольцевой пятой А (рис. 1.3 а) или сплошной пятой (рис. 1.3 б).

Рис. 1.2 Конструкции цилиндрических цапф.	Рис. 1.3 Схемы для расчета момента трения в вертикальных направляющих

Момент трения в вертикальной опоре со сплошной пятой определяется:

Момент трения в вертикальной опоре с кольцевой пятой рассчитывают по формуле;

Виды крепления цилиндрических опор представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4 Крепление цилиндрических опор в корпусе

Достоинства:

+ простота изготовления,

+ высокая прочность,

+ износоустойчивость,

+ могут воспринимать радиальные, осевые и комбинированные нагрузки.

+ в сравнении с другими видами опор скольжения допускают работу в большом диапазоне скоростей и нагрузок,

+ возможность работать в режима, как жидкостного трения, так и без смазки.

Недостатки:

- сложность конструкции регулировочных устройств;

- большой момент трения;

- большая разница между силами трения покоя и трения движения, что приводит к скачкообразному движению, особенно при малых скоростях;

- высокая чувствительность к несоосности отверстий.

Рис. 1.5 Опора на камне

Опоры на камнях. В тех случаях, когда при значительных удельных давлениях цапфы на подшипник необходимо максимально снизить трение и величину износа, опоры выполняют из естественных или искусственных минералов (агата, корунда, рубина).

Опоры из минералов (камни) – запрессовывают непосредственно в корпус (рис. 1.5) или закольцовывают в металлические втулки, которые затем запрессовывают в корпус.

Минералы в сравнении с другими материалами имеют большую твердость, износостойкость и обеспечивают сохранение физико-химических свойств смазки в течении длительного времени поскольку не вступают в химическое взаимодействие с металлом цапфы. Вследствие этого они имеют малый момент трения и большой срок службы.

Рис. 1.6 Конические вертикальные опоры

Конические опоры. В точных приборах вертикальные цилиндрические направляющие заменяют коническими (рис. 1.6). Конические оси снабжены регулируемыми разгрузочными устройствами, которые устраняют заклинивание, компенсацию температурных изменений размеров, а так же дают выигрыш в легкости хода оси и долговечность работы прибора. Такие направляющие дороги в изготовлении, так как требуют индивидуальной притирки конусных поверхностей.

Момент трения конических направляющих значительно выше момента трения цилиндрических и зависит от угла конуса:

;

где N – нормальное усилие, ;

µ – коэффициент трения скольжения;

α – половина угла конуса.

Из этой формулы видно, что с уменьшением угла α; момент трения возрастает. Угол α не следует брать меньше чем 2°30’ так как иначе неизбежно заклинивание оси в направляющей.

Достоинства: в сравнении с цилиндрическими они более износостойки и обладают лучшим центрированием оси.

Недостатки:

- сложны в изготовлении;

- требуют индивидуальную притирку рабочих поверхностей;

- чувствительность к изменению температуры;

- возможность заклинивания;

- больший момент трения в сравнении с цилиндрическими опорами.

Опоры на центрах (рис.1.7) применяют в тех случаях, когда зазор между осью и опорой недопустим.

Рис. 1.7 Примеры опор на центрах

Для таких опор момент трения может быть рассчитан приближенно по формуле

.

Конструкция опоры на центрах, приведенная на рис. 1.7, позволяет регулировать осевой зазор при помощи винта 1, который контрят гайкой 2. При работе прибора в условиях изменения температур осевое регулирование опор на центрах необходимо осуществлять при помощи пружин. Оси и конусы вкладышей обычно изготовляют из стали неподверженной коррозии и закаливают до твердости HRC 50...56. Смазка в опорах не применяется, т.к. при малой опорной поверхности и большом давлении смазка выдавливается из точки контакта.

Опоры на центрах можно использовать лишь при малой частоте вращения оси и небольших нагрузках, вследствие больших контактных напряжений.

Расчет опор этого типа производится на момент трения и контактную прочность.

Рис. 1.8 Опора на кернах

Опоры на кернах представляют частный случай опор на центрах (рис. 1.8). Они состоят из цапфы конической формы, на конце которой выполнена сферическая полированная поверхность малого радиуса r_к=0,01-0,05 мм и подшипника с конической вогнутой поверхностью радиусом r_п=4-12r_к. Иногда делают со сферической вогнутой поверхностью.

Контакт цапфы и подшипника происходит в точке, поэтому опоры имеют малый момент трения и применяются при незначительных нагрузках и малых частотах вращения. Опоры применяются как при вертикальном, так и при горизонтальном положении оси.

Керны и подшипники стандартизованы (ГОСТ 8898-68, ГОСТ 893-68). В качестве материалов кернов применяются инструментальные стали У8А, У10А, У12А, а подшипник их минералов и специальных видов стекл.

Момент сил трения при вертикальном положении оси определяется по формуле:

где µ – коэффициент трения;

Р – осевая нагрузка;

а – радиус площадки соприкосновения керна с подшипником;

– максимальные контактные напряжения на площадке соприкосновения керна с подпятником.

Так же при проектировании опор на кернах рассчитывают контактную прочность керна и подшипника.

Рис. 1.9 Сферическая опора

Сферические опоры (рис. 1.9) применяют, когда в процессе эксплуатации или регулировки подвижная система устройства должна сочетать два движения: вращение оси и ее покачивание в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Эти опоры имеют малую площадь контакта, что приводит к быстрому изнашиванию. Недостатком является сложность их изготовления.

Расчет на прочность сферической опоры, нагруженной усилием Р, выполняют по формулам:

,

где R_B = (400—600) 10⁵ Н/м²; q = (40—80) 10⁵ Н/м².

Конструктивно сферическую цапфу выполняют как одно целое с валом или в виде отдельного шарика закрепленного на торце вала или оси. Опорные поверхности подушек малонагруженных опор можно изготовлять не сферическими, а конусными с углом 90°. Такие опоры проще в изготовлении.

Материалы для сферических цапф – углеродистая инструментальная сталь. Для вставных шариков – ШХ10, ШХ15. Опоры изготавливают из корозионностойких материалов, иногда из минералов и керамики.