Анализ современной патентной литературы по сильфонным элементам датчиков систем управления

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ ПАТЕНТНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО СИЛЬФОННЫМ ЭЛЕМЕНТАМ ДАТЧИКОВ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ А.Ю. Буданова, В.А. Крылов, О.И. Пирожникова Научный руководитель - д.т.н., профессор В.Л. Ткалич

Проведенный анализ отечественных и зарубежных работ по сильфонным элементам позволил выделить четыре основных направления исследований по их модернизации. Выявлена высокая актуальность дальнейшего развития сильфонных чувствительных узлов датчиков систем управления. В работе оценены перспективы развития сильфонных элементов, аргументирована перспективность исследования сильфо-нов для широкого круга задач, определены тенденции их развития.

Введение

Сильфон - это манометрический упругий элемент, широко используемый в различных областях техники. Он представляет собой тонкостенную, гофрированную в окружном направлении трубку, способную давать значительные перемещения под действием давления, осевой или поперечной силы и изгибающего момента. При осесиммет-ричном нагружении сильфона его характеристика близка к линейной, а эффективная площадь практически постоянна [1, 2].

Сильфоны по типу изготовления делятся на бесшовные и сварные. Последние могут быть сконструированы таким образом, что они способны выдерживать большие перегрузки давлением. Данный фактор обусловливает их широкое применение в соответствующих областях [3]. Сильфоны используются в качестве чувствительных элементов приборов для преобразования в перемещение или в усилие различных измеряемых параметров: давления, температуры, уровня расхода и т.д.

Сильфоны могут развивать значительные перестановочные усилия, что обеспечивает малый порог чувствительности приборов и позволяет использовать их в качестве элементов силовых приводов. Они также служат в различных приборах компенсаторами теплового расширения жидкости, что объясняется их высокой податливостью и способностью значительно изменять объем. Возможность получения сильфонов, обладающих малой осевой и изгибной жесткостью, позволяет успешно применять их в качестве разделителей сред, а также упругих выводов осевых и угловых перемещений. Сильфоны широко применяются и как компенсаторы теплового расширения трубопроводов, элементы гидравлических дистанционных передач. В последнем случае используется свойство сильфонов значительно изменять объем [5].

Основными рабочими характеристиками сильфонов, как и других упругих элементов, являются те, которые определяют его способность деформироваться под действием нагрузки. К ним относятся упругая характеристика, жесткость и чувствительность, а также точность для тех сильфонов, которые используются в качестве чувствительных элементов измерительных приборов [5, 6].

Целью работы явилось проведение патентного поиска и анализа по основным усовершенствованиям сильфонов за период с 1972 по 2006 годы и выявление основных направлений исследований по модернизации данного упругого элемента датчиков систем управления. Проведенный анализ позволил выделить четыре основных направления усовершенствований сильфонных элементов.

Расширение области применения сильфонов

С целью расширения области применения сильфон выполнен в виде замкнутой камеры, имеющей в поперечном сечении прямоугольный профиль, две параллельные стенки которой выполнены плоскими, а две другие снабжены прямолинейными гофрами.

С целью расширения области применения сильфонов между оболочками, их поверхностями образованы геометрические полости, заполненные сжимаемой средой, причем шаги гофров оболочек кратны друг другу. Данное изобретение обеспечивает сильфонам постоянство их жесткости при изменении температуры материала, что позволяет их применять в условиях осевых перемещений, пульсаций давления и изменения температуры в пневмогидросистемах.

С целью расширения области применения сильфонов, за счет получения нелинейной характеристики усилия и перемещения, пружины выполнены из проволоки с монотонно уменьшающимся диаметром, причем больший диаметр проволоке равен ширине впадины гофра. Данное изобретение позволяет использовать сильфоны в конструкциях упругих измерительных преобразователей (датчиков), и может найти применение в приборах для измерения параметров жидкости, пара или газа в зависимости от значения давления контролируемой среды.

С целью расширения области применения сильфонный узел снабжен размещенной внутри сильфона направляющей втулкой с двумя продольными пазами в ее нижней части, причем наружная поверхность втулки введена в контакт с одной парой роликов. Данное изобретение позволяет использовать сильфоны в арматуре в узлах с двумя и более сильфонами, к которым предъявляются требования высокой вибрационной и ударной стойкости.

С целью расширения области применения полиобъемный сильфон содержит не менее двух расположенных одна в другой гофрированных оболочек. Гофры оболочек имеют одинаковый шаг, опираются друг на друга по аксиально расположенным впадинам, а оболочки сварены друг с другом со стороны торцов. В межсильфонной полости, образованной смежными оболочками, создают избыточное давление.

С целью расширения области применения полиобъемный сильфон содержит не менее двух расположенных одна в другой гофрированных оболочек одинакового шага, но различного диаметра гребней гофр, сваренных со стороны торцов друг с другом, и отличается тем, что указанные оболочки опираются друг на друга по аксиально расположенным впадинам. Кроме этого в межсильфонной полости, образованной смежными оболочками, создается избыточное давление.

С целью расширения области применения отверстия мембран, составляющих сильфон, не являются центральными, а смещены к наружному контуру мембран. Это позволяет получить сильфон, у которого отверстие не является центральным и сквозным, а имеет форму, необходимую для дополнительной очистки газов. Смещение внутреннего отверстия в мембранах сильфона может быть различным и зависит от конкретного случая их применения.

С целью расширения области применения в мембранном сильфоне, содержащем изогнутые кольцевые мембраны, их края попарно и попеременно жестко соединены. Соединение выполнено совместным изгибом стенок соседних мембран на 180° дважды в противоположных направлениях.

Повышение прочностных характеристик сильфонов и надежности

С целью повышения работоспособности волны, расположенные на боковой поверхности гофра сильфона, выполнены по кривой затухающих колебаний от впадины гофра к его вершине.

С целью повышения надежности работы сильфона путем уменьшения внутренних напряжений вершины и впадины его гофр расположены по прямолинейным образующим двух однополостных гиперболоидов вращения, с разными углами наклона этих образующих.

С целью повышения надежности работы сильфона увеличивают его устойчивость путем утолщения одной из боковых поверхностей гофр. Данное изобретение позволяет использовать сильфон в компенсирующих и уплотнительных устройствах.

С целью повышения ресурса работы сильфона его выполняют из плоских колец из полимерного материала, соединенных друг с другом швом по внутреннему и внешнему диаметру. Кольца выполняются двухслойными, а пространство между ними заполнено раствором полимера или способным к полимеризации при контакте с воздухом мономером. Данное изобретение увеличивает эластичность и увеличивает работоспособность, снижая остаточную деформацию. Это позволяет использовать сильфоны для защиты шарнирных и телескопических соединений от воздействия внешней среды.

С целью повышения ресурса работы сильфона исключаются сварные соединения между слоями армирующих колец, при этом каждое кольцо выполнено из свернутой в спираль ленты переменной ширины, а внешний виток спирали выполнен замкнутым.

С целью повышения надежности и нагрузочной способности сильфона, его выполняют из эластичного материала с одной утолщенной стенкой гофра. Утолщения выполняются в гребнях гофров, а во впадинах установлены армирующие кольца с У-образной формой поперечного сечения, вершина которого обращена к оси сильфона, причем наружный диаметр армирующих колец больше наружного диаметра гофров.

С целью улучшения эксплуатационных характеристик путем увеличения податливости и ресурса, первая из каждой пары сваренных гофр установлена впадиной внутрь силь-фона, вторая - впадиной наружу, а концы последней изогнуты на 90 градусов и вставлены первую гофру. Данное изобретение позволяет использовать сильфоны для герметичного подвижного соединения двух полых деталей прямоугольного сечения.

С целью повышения работоспособности сильфона его корпус выполнен из узких гофр и, по меньшей мере, двух широких гофр, стенки которых сопряжены между собой выпуклыми и вогнутыми поверхностями. Выпуклые и вогнутые поверхности в продольном сечении выполнены в виде дуги окружности. Отношение высоты Н между выпуклой поверхностью широкого гофра и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкого гофра к высоте к между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкого гофра составляет от 0,5 до 0,8. Отношение радиуса Я выпуклой поверхности широкого гофра к радиусу г выпуклой поверхности узкой гофры составляет от 2,6 до 5,0, при этом высота Н широкого гофра меньше радиуса Я. Широкие гофры расположены по краям сильфона.

С целью повышения ресурса работы и надежности сильфонов в сварном сильфо-не, содержащем последовательно соединенные с возможностью сближения и раздви-жения профилированные концентрическими кольцевыми участками мембраны, крайние из них жестко соединены с концевыми деталями, а каждая из остальных соединена с одной из соседних мембран внешним, а с другой - внутренним сварным швом, каждая пара мембран в зоне соединения их внутренним швом выполнена с круговым ребром жесткости в виде пояска, отогнутого на расстоянии не менее 0,5 мм от указанного шва под углом не менее 15° к поперечной плоскости сильфона. Благодаря наличию ребра жесткости и геометрии мембран область сварного шва полностью или частично разгружена от изгибающих механических нагрузок, и разрушение сварного шва в процессе эксплуатации не происходит.

С целью повышения ресурса работы и надежности сильфонов снижаются внутренние напряжения в гибком элементе. Это обусловлено тем, что армированный силь-фон содержит гофрированную трубу и усиливающие элементы: опорные полукольца, чехлы-полукольца, полукольца средние, кольца ограничительные, кольца компенсаторные, торцевые шайбы и втулки. При подаче рабочей среды во внутреннюю полость гофрированной трубы ее гофры расширяются совместно с чехлами-полукольцами.

С целью повышения прочности и надежности работы сильфонов производится защита герметичного скрепления от действия деформаций и нагрузок, возникающих от действия массы конструкции. Это обеспечивается за счет того, что мембранный силь-фон состоит из мембран крайних и мембран средних, герметично скрепленных попарно и попеременно по наружным и внутренним контурам, а также скрепленных жестким соединением попарно и попеременно, выполненным совместным изгибом на 180° два раза в противоположных направлениях стенок соседних мембран. Жесткое соединение выполнено со стороны оси сильфона.

Улучшение функциональных характеристик сильфонов

С целью повышения чувствительности упругого элемента стенки гофра сильфона выполняются разной длины. Данное изобретение позволяет использовать сильфоны в измерительных, регулирующих и предохранительных устройствах.

С целью повышения рабочего хода мембрану сильфона выполняют содержащей кольцевые гофры, в поперечном сечении прямолинейные участки, сопряженные криволинейными участками гофр. Причем прямолинейные участки гофр имеют длину, по меньшей мере, в два раза превышающую радиус кривизны криволинейных участков гофр. Данное изобретение позволяет использовать меньшие усилия для деформации сильфона.

С целью повышения функциональных характеристик сильфона выпуклые и вогнутые поверхности выполнены в продольном сечении корпуса в виде дуги окружности. Отношение высоты Н между выпуклой поверхностью широкого гофра и сопряженной с ней вогнутой поверхностью узкого гофра к высоте к между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью узкого гофра составляет 0,5-0,8. Отношение радиуса Я выпуклой поверхности широкого гофра к радиусу г выпуклой поверхности узкой гофры составляет 2,6-5,0, при этом высота Н широкого гофра меньше радиуса Я. Кроме того, широкие гофры расположены по краям сильфона.

С целью повышения функциональности сильфона его промежуточный слой выполнен из биметаллов с зеркальным расположением его слоев (активного и пассивного) по отношению к каждому полугофру сильфона (выступу и впадине гофра). Расположение биметаллов по периметру окружности сильфона может быть кольцевым либо дискретно дуговым, последнее может иметь угловое смещение от полугофра к полугофру либо в пределах групп полугофров или спиральную расположенность в упомянутой цилиндрической трубе и, как следствие, в сильфоне. Кроме того, все изложенное может иметь еще и дискретную расположенность в осевом направлении от полугофра к полугофру или в пределах групп полугофров, а свободные от биметаллов объемы промежуточного слоя гофрированной части сильфона, переходной зоны и концевой цилиндрической части заполнены материалом наружного и внутреннего слоев сильфона или аналогичным ему.

С целью повышения функциональных характеристик сильфонов многослойный сильфон имеет внутренний непроницаемый металлический слой и наружные перфорированные слои. Последние чередуются со слоями, выполненными из металлической сетки, что устраняет замкнутые полости в слоях сильфона при сохранении его прочности и гибкости.

С целью повышения гибкости и прочности сильфонов устраняются замкнутые полости между слоями сильфона. Это обеспечивается наличием пористых сетчатых (перфорированных) оболочек с наружной поверхности монолитной оболочки сильфона. Кроме того, сильфон содержит концевые цилиндрические участки и гофрированный средний участок. Гофрированный участок сильфона имеет внутреннюю монолитную металлическую оболочку и несколько наружных оболочек, изготовленных из металли-

ческой сетки (один вариант), из перфорированных металлических оболочек (второй вариант) и слоев сетки и перфорированных металлических оболочек.

Повышение работоспособности сильфонов при внешних воздействиях

С целью уменьшения габаритов сильфона в сжатом состоянии и повышения его работоспособности при высоких внешних давлениях, одна половина каждого гофра выполнена виде хлопающей мембраны с большим прогибом, а вторая - в виде жесткого тарельчатого элемента с опорной поверхностью, симметричной поверхности мембраны.

С целью повышения вибрационной и ударной стойкости сильфонного узла к воздействию вибраций и ударов применяется равномерное распределение хода штока между сильфонами независимо от их жесткости за счет того, что промежуточная втулка жестко закреплена с сепаратором.

С целью повышения работоспособности сильфонов в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок устраняются соударения колец сильфона. Для этого в сильфоне, состоящем из закрепленных на кольцах мембран, на внутренних поверхностях колец равномерно по окружности расположены оси, на которых установлены рычаги, связанные между собой и образующие цепь шарнирных параллелограммов.

С целью повышения ресурса работы сильфонов при высоких внешних давлениях и в условиях воздействия вибрационных нагрузок полости между оболочками заполнены под давлением жидкостью, причем в полости, образованной первой и второй от оси сильфона оболочками, давление меньше, чем внутреннее рабочее давление, а в каждой последующей полости давление меньше, чем в предыдущей.

С целью повышения вибрационной и ударной стойкости сильфонного узла, его функциональных характеристик, а также упрощения конструкции, в сильфонном узле с последовательным соединением сильфонов промежуточной втулкой, содержащем шток и контактирующие с ним тела качения, последние выполнены в виде роликов. В промежуточной втулке выполнены попарно соосные отверстия, в которых с возможностью вращения установлены торцевые части роликов.

Заключение

В результате анализа отечественных и зарубежных работ по сильфонным элементам и проведенного патентно-информационного поиска выявлена высокая актуальность дальнейшего развития сильфонных чувствительных узлов датчиков систем управления.

Проведенный патентный поиск и последующий анализ усовершенствований сильфоных элементов за период с 1972 по 2006 годы позволил выделить четыре основных направления исследований:

1. расширение области применения сильфонов;

2. повышение прочностных характеристик сильфонов и надежности;

3. улучшение функциональных характеристик сильфонов;

4. повышение работоспособности сильфонов при внешних воздействиях.

В работе аргументирована перспективность исследования сильфонных чувствительных элементов для широкого круга задач:

• в качестве манометрических чувствительных элементов;

• в пневматической регулирующей аппаратуре;

• в качестве чувствительного элемента приборов для преобразования давления в перемещение;

• в качестве элементов силовых приводов;

• в качестве компенсаторов теплового расширения жидкостей;

• в качестве разделителей сред - фильтров;

• в качестве упругих выводов осевых и угловых перемещений;

• в строительстве трубопроводов, машиностроении, самолетостроении и вакуумной технике.

Анализ приборов, сконструированных на базе сильфонных элементов, за период с 1960-х годов по настоящее время позволил оценить перспективы развития данных элементов, что наглядно отражено на рис. 1 в координатах «временные промежутки»-«количество изобретений на базе сильфонов».

20 т-

18---- —

16---- - - —

14--- - - - —

12---- - - - - —

10--- - - - - —

8--- - - - - —

6--- - - - - —

4--- - - - - —

2--- - - - - —

0

1960 1970 1980 1990 2000 2010

Рис. 1. Перспективы развития сильфонных элементов

Высокий интерес к сильфонным элементам подтверждается большим количеством работ, посвященных теории, экспериментальным исследованиям и методам расчета сильфонов.

Использование ЭВМ открыло новые возможности в разработке методов исследования сильфонов. Появились работы с более точными решениями задач определения жесткости и напряжений в сильфонах. Кроме того, появилась возможность формулирования и решения новых задач, которые прежде считались недоступными инженерам из-за их сложности. К ним относятся задачи расчета сильфонных элементов сложной формы (например, сильфонов с переменной толщиной гофров), а так же задачи, связанные с учетом малых нелинейных эффектов поведения сильфонов [5, 6].

Из всего вышесказанного можно заключить, что сильфоны широко применяются в различных областях техники, причем спектр их применения постоянно расширяется. Данное обстоятельство обусловливает высокий интерес науки к исследованию сильфо-нов и определяет тенденции развития данных манометрических элементов.

Литература

1. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. Изд. 2. М.: Машиностроение, 1981. 392 с.

2. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.

3. Жибарева И.Н. О проектировании упругих чувствительных элементов (стандартные измерительные сильфоны). // Приборы и системы управления. 1998. № 11. С. 43-50.

4. Осипов С.В. Разработка методов расчета нестабильности характеристик упругих элементов сильфонного и мембранного типа, 1987.

5. Ткалич В.Л. Исследование форм эластик упругих чувствительных элементов (УДК 62.27). // Научное приборостроение. 1999. Т. 9. №2. С. 53-58.

6. Ткалич В.Л., Степанова Н.Е., Момзикова Т.Н. Анализ современных методов и алгоритмов решения уравнений динамики. // Деп. ВИНИТИ 28.06.00, № 1813 - В00. 9 с.