манометрическая трубчатая пружина

Формула изобретения

Манометрическая трубчатая пружина, имеющая асимметричное поперечное сечение относительно его большой оси, отличающаяся тем, что указанное поперечное сечение выполнено плавно изменяющимся вдоль продольной оси пружины, при этом внешний контур поперечного сечения выполнен плавно изменяющимся от плоскоовальной формы на свободном конце пружины до восьмеркообразной на закрепленном конце пружины, а внутренний контур поперечного сечения выполнен плавно изменяющимся от эллиптической формы на свободном конце пружины до плоскоовальной формы на закрепленном конце пружины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к упругим чувствительным элементам, используемым в приборах для измерения давления, робототехнических системах, особенно работающим в условиях вибраций и в силовом режиме.

Известна манометрическая трубчатая пружина с асимметричным относительно его большой оси поперечным сечением, при этом на внешнем и внутреннем контуре поперечного сечения располагается один или несколько продольных (вдоль продольной оси пружины) гребней /1/. Пружина такой конструкции имеет большую чувствительность, но низкую относительную жесткость. Кроме того, наличие гребней отрицательно сказывается на распределении поперечных напряжений в сечениях пружины.

Известна также манометрическая трубчатая пружина с плавно изменяющейся формой поперечного сечения от закрепленного конца пружины к свободному концу /2/. Пружина такой конструкции имеет повышенную относительную жесткость, но низкую прочность.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции манометрической пружины, обеспечивающей ее долговечность и надежность.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в увеличении прочности и относительной жесткости манометрической трубчатой пружины.

Указанный технический результат достигается тем, что поперечное сечение манометрической трубчатой пружины выполнено асимметричным относительно своей большой оси, при этом форма поперечного сечения плавно изменяется от закрепленного конца пружины к ее свободному концу, причем форма внешнего контура поперечного сечения плавно изменяется от восьмеркообразной на закрепленном конце пружины до плоскоовальной на свободном конце пружины; форма внутреннего контура поперечного сечения пружины плавно изменяется от плоскоовальной на закрепленном конце пружины до эллиптической на свободном конце пружины.

Между указанным техническим результатом изобретения и его существенными признаками существует следующая причинно-следственная связь.

Увеличение прочности манометрической трубчатой пружины происходит за счет выравнивания напряженного состояния в стенках внутреннего и внешнего контуров в плоскости поперечного сечения пружины, а также в плоскости продольной оси пружины.

Выравнивание напряженного состояния в плоскости поперечного сечения пружины обусловлено формой и взаимным расположением внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения, а также их расположением относительно центральной оси пружины.

Известно, что в манометрических пружинах с симметричным относительно своей большой оси поперечным сечением стенки внешнего и внутреннего контуров сечения находятся в неодинаковом напряженном состоянии. Стенка внешнего контура поперечного сечения более напряжена, чем стенка внутреннего контура поперечного сечения. Это объясняется тем, что в стенке внешнего контура поперечного сечения возникают растягивающие продольные и поперечные внутренние усилия, тогда как в стенке внутреннего контура поперечного сечения возникают растягивающие поперечные и сжимающие продольные внутренние усилия.

На величину и знак поперечных внутренних усилий большое влияние оказывает форма поперечного сечения пружины. Наименьшие поперечные напряжения возникают в пружинах с восьмеркообразным поперечным сечением, а наибольшие - в пружинах с эллиптическим поперечным сечением. Пружины с плоскоовальным поперечным сечением по величине поперечных напряжений занимают среднее положение между пружинами указанных типов. Поэтому для выравнивания напряженного состояния во внешнем и внутреннем контуре поперечного сечения целесообразно это сечение выполнять асимметричным относительно его большой оси, при этом во внешнем контуре поперечного сечения должны возникать поперечные напряжения, значительно меньшие, чем во внутреннем контуре поперечного сечения.

Эта задача решается выполнением внешнего контура поперечного сечения восьмеркообразной формы, а внутреннего контура поперечного сечения - плоскоовальной формы или выполнением внешнего контура поперечного сечения плоскоовальной формы, а внутреннего контура поперечного сечения - эллиптической формой.

Выравнивание напряженного состояния в плоскости продольной оси манометрической пружины обусловлено взаимным расположением внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения, а также их изменением вдоль продольной оси пружины.

При нагружении свободного конца манометрической пружины внешней сосредоточенной силой (ее появление обусловлено воздействием передаточного механизма манометра) в ее поперечных сечениях возникает изгибающий момент, величина которого возрастает от свободного конца пружины к закрепленному, где достигает максимального значения. Поэтому целесообразно выполнить манометрическую пружину с переменным вдоль ее продольной оси поперечным сечением, причем поперечные сечения вблизи закрепленного конца пружины должны обладать высокой прочностью и жесткостью. Наиболее прочным и жестким асимметричным сечением является сечение, у которого внешний контур сечения имеет восьмеркообразный профиль, а внутренний контур сечения имеет плоскоовальный профиль. Асимметричное поперечное сечение, у которого внешний контур имеет плоскоовальный профиль, а внутренний контур имеет эллиптический профиль, обладает пониженными прочностью и жесткостью, но имеет высокую чувствительность. Поэтому выполнение пружины, у которой внешний контур поперечного сечения плавно изменяется от восьмеркообразного на закрепленном конце до плоскоовального на свободном конце, а внутренний контур поперечного сечения плавно изменяется от плоскоовального на закрепленном конце до эллиптического на свободном конце пружины, приводит к более равномерному распределению напряжений вдоль продольной оси пружины (с учетом распределения изгибающего момента от внешней силы в сечениях пружины).

Так как в такой конструкции пружины жесткость и чувствительность являются переменными, причем жесткость поперечных сечений увеличивается от свободного конца пружины к закрепленному концу, а чувствительность поперечных сечений увеличивается от закрепленного конца пружины к ее свободному концу, то с учетом распределения изгибающего момента от внешней силы в поперечных сечениях пружины, это приводит к повышению относительной жесткости манометрической пружины.

На фиг.1 изображен общий вид манометрической трубчатой пружины, на фиг.2 - поперечное сечение пружины, расположенное вблизи ее закрепленного конца, а также расположение поперечного сечения пружины относительно ее центральной оси (разрез по Д-Д на фиг.1), на фиг.3 изображены поперечные сечения пружины (разрезы по А-А, Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.1).

Манометрическая трубчатая пружина 1 имеет свободный конец 2, конец 3, закрепленный в держателе 4, продольную ось 5, центральную ось 6 и внутреннюю полость 7.

Поперечные сечения пружины 1 имеют большую ось 8, малую ось 9. Продольная ось 5 расположена на расстоянии R от центральной оси 6 пружины 1. Продольные волокна (относительно продольной оси 5), расположенные на расстоянии, большем R от центральной оси 6, образуют внешний контур 10 поперечного сечения; продольные волокна, расположенные на расстоянии, меньшем R от центральной оси 6 пружины 1, образуют внутренний контур 11 поперечного сечения.

Манометрическая трубчатая пружина работает следующим образом. При подаче рабочей жидкости или газа в рабочую полость 7 поперечные сечения пружины 1 деформируются, причем длина продольных волокон, образующих внешний контур 10, увеличивается, а длина продольных волокон, образующих внутренний контур 11, уменьшается. Такая деформация приводит к изменению кривизны продольной оси 5 пружины 1 и перемещению ее свободного конца 2. Деформация поперечных сечений вдоль продольной оси 5 носит различный характер. Вследствие разной формы сечения вблизи закрепленного конца пружины деформируются незначительно, сечения вблизи свободного конца пружины получают большую деформацию. Это приводит к увеличению относительной жесткости пружины и более равномерному (с учетом действия внешней силы на свободном конце пружины) распределению продольных напряжений. Также по-разному деформируется внешний 10 и внутренний 11 контур каждого из поперечных сечений пружины 1. Для каждого поперечного сечения, вследствие разной формы, деформация внешнего контура 10 меньше деформации внутреннего контура 11. С учетом того, что продольные волокна, образующие внешний контур 10 удлиняются, а продольные волокна, образующие внутренний контур 11 укорачиваются, напряженное состояние в стенках внешнего и внутреннего контуров выравнивается, свободный конец 2 пружины 1 получает перемещение.

Конструкция пружины является достаточно технологичной, так как, например, может быть изготовлена на прокатном оборудовании, у которого изменение профиля прокатных валков соответствует изменению внешнего и внутреннего контуров поперечного сечения манометрической пружины вдоль ее продольной оси.

Источники информации

1. SU 403977 А, 26.10.1973, G 01/7/04.

2. RU 2093805 C1, 20.10.1997, G 01 L 7/04 (прототип).