Расчет и проектирование элементов измерительных устройств

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Факультет «Системы автоматического управления»

Кафедра «Приборы и биотехнические системы»

 

 

 

Курсовой проект по дисциплине

«Расчет и проектирование элементов измерительных устройств»

Вариант №9

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:                                                                  студентка группы 120291

                                                                                                              Лила Л. Е.

Проверил:                                                                                к.т.н. Тархов Н. С.

 

 

 

 

 

Тула 2012

Содержание:

Задание на курсовой проект……………………………….……………………2

Введение……………………………………………………….………………….5

1 Расчет механического  элемента…………………..………………………….25

1.1 Расчет требуемой жесткости  упругого элемента………………………….25

1.2 Расчет среднего диаметра  пружины и числа рабочих витков…...………25

1.3 Расчет наружного диаметра  пружины………………….………………….27

1.4 Расчет пружины в  свободном состоянии…………………….………..…...27

1.5 Построение габаритных  характеристик…………….………………..…….28

1.6 Предварительный выбор  варианта…………………………………………28

1.7 Определение веса и  массы пружины………………………………………..29

1.8 Проверка пружин на  жесткость и максимальное

       касательное  напряжение………………………………………………….…30

1.9 Проверка пружин на  устойчивость и выбор способа  закрепления………31

1.10 Расчет нелинейности статической характеристики………………..……..34

1.11 Итоговая таблица расчетов…………………………………………………35

2 Расчет электромеханического  элемента……………………………………….36

2.1 Определение погрешности, обусловленной нагрузкой……..…………….36

2.2 Определение номинальной  и действительной мощности…..……………..36

2.3 Выбор материала……………………………….…………………………….37

2.4 Определение диаметра  проволоки…………….…………………………….37

2.5 Определение числа витков  и шага намотки…….……………………………37

2.6 Определение витковой  погрешности……….……………………………….38

2.7 Определение длины обмоточного провода…….…………………………..38

2.8 Определение средней  длины одного витка……….………………………….38

2.9 Расчет параметров каркаса………………………….…………………………38

3 Расчет электромагнитного  элемента……….……….…………………………40

3.1 Расчет значения тяговой  силы и воздушного зазора….…………………..40

3.2 Расчет конструктивного  фактора «Г»……………….……………………….41

3.3 Выбор материала магнитопровода……………….…………………………41

3.4 Выбор магнитных характеристик………………………………………….41

3.5 Определение основных  размеров и параметров электромагнита..……..42

3.6 Определение высоты  полюсного наконечника……………………………43

3.7 Выбор и определение  параметров обмоточного провода….……..……..44

3.8 Расчет размеров для  построения эскиза……………………….…………..47

Заключение………………………………………………..………………………48

Библиографический список………………………………….…………………..49

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Упругие элементы (пружины).

         Пружины приборов разделяют на плоские, материал которых испытывает деформации изгиба при работе; винновые пружины растяжения – сжатия, проволока которых при деформации скручивается; винтовые пружины кручения, по форме аналогичные винтовым пружинным растяжения – сжатия, но, так же как и у плоских пружин, их проволока изгибается. Кроме этих так называемых стержневых упругих элементов в приборах применяются упругие оболочки в форме мембран, сильфонов и трубчатых пружин. На рис. 1 показаны примеры стержневых пружин различных типов.

Рис. 1 Примеры стержневых пружин различных типов.

        Измерительные пружины, которые используются в качестве упругих измерительных преобразователей усилий и моментов в линейные и угловые перемещения. На рис. 2, а показана спиральная измерительная пружина магнитоэлектрического прибора.

Натяжные пружины – наиболее распространенная группа пружин; натяжные пружины различных типов и конструкций показаны на рис. 2, б.

Кинематические пружинные устройства, к которым относят как непосредственно пружинные передаточные механизмы (рис. 2, в), так и упругие опоры (рис. 2, г), упругие направляющие (рис. 2, д) и гибкие связи (рис. 2, е). Достоинством этих элементов приборов является практически полное отсутствие трения при перемещениях механизмов, однако они могут использоваться лишь при ограниченных перемещениях.

Амортизаторы, предохраняющие приборы и их элементы от перегрузок при ударах и вибрациях. Пружины амортизаторов чаще всего выполняются в виде винтовых пружин растяжения – сжатия или кручения и нередко работают совместно с другими упругими элементами, например резиновыми.

Примеры пружин-амортизаторов показаны на рис. 2, ж

 Пружинные двигатели, использующиеся преимущественно в малогабаритных переносных, автономных приборах. Чаще всего их выполняют в виде плоских спиральных пружин; в отдельных случаях используют винтовые пружины кручения и винтовые пружины растяжения – сжатия.

Примеры пружинных двигателей даны на рис. 2, з.

Пружинные фрикционные и храповые муфты и тормоза (рис. 2, и). Для большинства конструкций таких пружин подбирается материал, обладающий не только высокой упругостью, но и сопротивляемостью истиранию.

Электроконтактные пружины по своему функциональному назначению близки к натяжным пружинам, но иногда выделяются в отдельную группу в связи с дополнительными требованиями к электропроводности материала, стойкости к коррозии и в ряде случаев к истиранию. Примеры электроконтактных пружин даны на рис. 2, к.

Материал упругих элементов должен обладать высокими упругими и прочностными свойствами в работе, быть достаточно пластичным при изготовлении, чтобы технологический процесс изготовления пружины не был слишком сложным и дорогим. Для пружин измерительных преобразователей особое значение имеет стабильность упругих свойств материала во времени (отсутствие ползучести, последствия, гистерезиса, релаксации напряжений).

Существенные ограничения на выбор материала налагают агрессивные свойства рабочей среды; пружины, работающие в условиях агрессивных сред, изготовляют из коррозионностойких материалов.

Рис. 2 Виды пружин.

           Для материалов пружин электроизмерительных приборов определяющими могут быть такие их свойства, как электропроводность или магнитная проницаемость. В тех случаях, когда процесс изготовления упругого элемента включает операции сварки или пайки, материал должен обладать соответственно хорошей свариваемостью и легко паяться.

В зависимости от технологической операции, придающей материалу упругие свойства, материалы упругих элементов разделяют на две группы. К первой группе относятся материалы, которые, обладая высокой пластичностью в отожженном состоянии, значительно повышают свои упругие свойства в результате нагартовки, возникающей при изготовлении упругого элемента. К таким материалам относятся латуни Л80, Л90, нейзильбер МНЦ15-20, кремниево–марганцевая, оловянно-цинковая, оловянно-фосфорная бронзы, элинвар, хромо-никелевая нержавеющая сталь 1Х18Н9Т и др. Необходимо отметить, что пружины из этих материалов обладают относительно низкими упругими свойствами и нестабильны во времени. Это объясняется наличием значительных остаточных напряжений, возникающих в материале при изготовлении упругого элемента. Рабочие температуры элементов из нагартовываемых цветных сплавов невысоки (до 100… …200о С). Несмотря на эти недостатки, материалы первой группы получили достаточно широкое применение, особенно для изготовления неответственных пружин. Так, для изготовления винтовых и плоских пружин применяется углеродистая стальная пружинная проволока, подвергаемая специально термообработке (патентированию) и последующему сильному наклепу. В результате этого материал приобретает высокую прочность и в то же время сохраняет пластичность, достаточную для дальнейшей механической обработки. Пружины, изготовленные из такой проволоки, как правило, не подвергаются дополнительной термообработке, кроме проводимого иногда небольшого нагрева для снятия остаточных напряжений.

Ко второй группе принадлежат материалы, повышающие свои упругие свойства в процессе термической обработки. Это углеродистые стали У8Ф…У12А и легированные стали 65Г, 60С2А, 70С2ХА, Х05, 50ХФА, 4Х13 и др., получающие высокие упругие и прочностные свойства после закалки изготовленных из них пружин.

Наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных свойство по отношению к упругим элементам обладают дисперсионно-твердеющие сплавы, например бериллиевая бронза, никель – титановая бронза, марганцевый мельхиор и др. Высокая пластичность этих сплавов в закаленном состоянии позволяет изготовлять из них упругие элементы практически любой сложной формы. В процессе отпуска, который иногда называют старением или облагораживанием, отформованный упруги элемент получает высокую упругость и прочность. Рабочие температуры элементов из этих материалов могут достигать 300…350о С. Дисперисонно-твердеющие сплавы используются для изготовления чувствительных элементов измерительных приборов.

Разнообразие требований к свойствам упругого элемента не позволяет ограничиться рекомендацией небольшого числа материалов, которые были одинаково пригодны для различных пружин и измерительных упругих элементов. Число материалов, специально разработанных для изготовления плоских и винтовых пружин, удовлетворяющих тем или иным эксплуатационным условиям, весьма велико.

Выбор материала пружины предопределяет расчетные значений модулей упругости при растяжении Е и сдвиге О и прочностные характеристики В тех случаях, когда в таблицах свойств материалов даются только величины величину , необходимую для расчетов винтовых пружин растяжения – сжатия, подсчитывают по формуле .

Определение допускаемого нормального [σ] или костельного [τ] напряжения может быть сделано только после выбора величины коэффициента запаса . Значение коэффициента запаса выбирают в зависимости от назначения пружины в механизме, условий эксплуатации и свойств материала пружины в пределах 1,2…2,5 (для более пластичных материалов =5…10. В этом случае коэффициент запаса выбирается уже низ соображений прочности, а из необходимости получить малый гистерезис характеристики пружины.

Пружины, работающие под статической нагрузкой или при кратковременных усилиях, изменяющихся в небольшом диапазоне, рассчитывают по коэффициенту запаса текучести. Пружины, работающие при значительно и часто изменяющейся нагрузке, например пружины амортизаторов, следует рассчитывать с учетом коэффициента запаса по выносливости; если в справочной литературе величины предела выносливости нет, то в этом случае для определения допускаемого напряжения используют значение предела текучести, несколько увеличивая принимаемых коэффициент запаса.

Потенциометры

Потенциометрический преобразователь (потенциометр) предназначен для получения электрического сигнала, функционально зависящего от перемещения токосъемного элемента (движка с контактами). Потенциометр представляет собой регулируемый делитель напряжения, выполненный на основе резистивного элемента. При соответствующем включении он может быть использован и как переменное сопротивление.

Электрическая схема потенциометра показана на рис. 3. Входное напряжение U0 подводится к точкам А и В потенциометра, а выходное Uвых снимается с точек А и С (скользящий контакт).

 

Рис. 3 – Электрическая схема потенциометра

Текущее сопротивление Rx потенциометра связано с перемещением движка Ix зависимостью

Где R0 и l0 – соответственно общее сопротивление и полная рабочая длина потенциометра. Тогда

 

В том случае, когда Rx=f(lx), то Uвых=f(lx). Такие потенциометры получили название функциональных. Функциональные потенциометры могут быть получены различными путями. Наиболее распространенным является использование резистора с переменным приращением сопротивления на единицу перемещения движка потенциометра ( обмотка с переменным шагом, переменная длина витка обмотки, применение для обмотки провода с различным поперечным сечением, с токоподводящей пленкой переменного поперечного сечения и т. П.). Другой путь заключается в использовании линейного резистивного элемента с шунтированием отдельных его участков. И, наконец, можно использовать линейный резистивный элемент, но перемещение движка потенциометра функционально связать с аргументом (перемещением или углом поворота). Это достигается применением кулачковых, механизмов или ходового винта с неравномерным шагом.