МАНОМЕТР ПРЕЦИЗИОННЫЙ
PRECISION MANOMETRE

Изобретение относится к приборостроению, в частности к манометрам, устанавливаемым на котлах высокого давления, подверженных большим пиковым нагрузкам, выводящим из строя манометрические трубчатые пружины.
Трубчатые пружины используют в основном для преобразования измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорциональное перемещение ее свободного конца. Наиболее распространенной манометрической трубкой является одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изогнутую по дуге окружности трубку с обычно вытянутым овальным поперечным сечением, в котором а и б - большая и малая полуоси (рис.2-16, а), с.52 в [1].
Известны манометры, в которых применяются аналогичные манометрические одновитковые пружины, в [2, 3] и других. В аналоговом манометре, например МПТИ [2], работа которого основана на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации манометрической пружины, однако недостатком является то, что трубчатая пружина не предохраняется от возможных максимальных нагрузок, превышающих допустимые для трубчатой пружины. Кроме того, манометрические пружины во время своей работы многократно подвергаются действию периодически меняющихся во времени нагрузок (напряжений). Характерно то, что при действии повторно-переменных нагрузок происходит постепенное разрушение манометрической трубки вследствие усталости материала трубки и в результате постепенного развития трещин. Существенное значение для возникновения трещин и развития трещин усталости имеют не только дефекты внутреннего строения материала (внутренние трещины, шлаковые включения и т.п.), но также и дефекты обработки поверхности детали (царапины, следы от резца или шлифовального камня).
Исследования показывают, что поломки в подавляющем большинстве случаев происходят из-за трещин усталости [4, с.354-358].
Известна манометрическая трубчатая пружина [5, фиг.219-20 "а"], представляющая собой полую трубку преимущественно овального или эллиптического сечения, изогнутую по дуге окружности, один конец которой подвижен, а другой - неподвижен. При повышении давления во внутренней полости за счет поступающей в нее среды пружина разгибается так, что ее свободный конец перемещается несколько вверх пропорционально создаваемому давлению.
1
К недостатку трубчатой пружины следует отнести то, что в случае превышения наружного радиуса пружины более R возникают остаточные деформации, которые могут привести к неизбежной ее поломке.
Известен манометр [6] - с профильной скобой, упирающийся в трубку Бурдона на корпусе, - состоящий из корпуса, шкалы, указательной стрелки и механизма ее перемещения с помощью трубчатой пружины, установленной на ниппельной опоре корпуса. При деформации трубчатой пружины сверх допустимой конец ее начнет упираться в неподвижный упор в виде скобы, в связи с чем перемещения конца трубчатой пружины прекратятся.
Недостатком данного манометра является то, что если даже прекратится перемещение пружины, то раздувание ее поперечного сечения и выпучивания будут продолжаться, что неизбежно выведет ее из строя.
1
2
1
2
Известен манометр [7], выбранный в качестве прототипа, состоящий из корпуса, трубчатой пружины с подвижным и неподвижным концами, шкалы с указательной стрелкой, механизма ее перемещения, вокруг и внутри трубчатой пружины устанавливаются первый, второй и третий подвижные и неподвижные дугообразные упоры радиусами R и R, при этом первый и второй подвижные упоры, а также третий подвижные и неподвижные упоры шарнирно соединены между собой шарнирной тягой, свободный конец второго подвижного упора выполнен с шарниром, который жестко закреплен с корпусом, причем первый и третий подвижные упоры размещены в корпусе с возможностью контактирования с трубчатой пружиной при повышении давления внутри нее, а третий подвижный и неподвижный дугообразные упоры размещены с возможностью контактирования с внутренней поверхностью корпуса. В дугообразные упоры упирается трубчатая пружина при максимально возможном ее нагружении при деформации ее радиусов R и R, а давлением, могущим деформировать трубчатую пружину больше предела текучести, пробка-кран ломается, соединяя при этом внутреннюю полость трубчатой пружины с внешней полостью, таким образом, не допускается в материале трубчатой пружины возникновения опасных напряжений.
2
1
Особенностью конструкции выбранного прототипа является то, чтобы при пульсации или резком увеличении давления в трубчатой пружине 9 по другим причинам пружина не вышла из строя, предусмотрены ограничения поворота последней упорами 11 и 12 радиусом R и упорами 13 и 19 - R, определяемыми по расчетным формулам [4]. Таким образом, трубчатая пружина оказывается зажатой между подвижными и неподвижными упорами 11, 12, 13, 19 с расчетным зазором между ними, а последние непосредственно или через тягу 16 упираются в корпус 1 манометра, не давая трубчатой пружине 9 далее деформироваться.
При возникновении очень больших давлений внутри полости трубчатой пружины 9 открывается пробка-клапан 21, выпуская часть жидкости из трубчатой пружины 9. Механические ограничения деформаций до допустимых для трубчатой пружины 9 позволяют предотвратить ее поломку и повысить надежность показаний давления с использованием всего диапазона шкалы манометра.
Однако у прототипа имеется ряд существенных недостатков, а именно:
1
2
- повышение надежности манометра достигается путем усложнения конструкции прибора за счет применения дополнительных конструктивных деталей, таких как первый, второй и третий подвижные и неподвижные дугообразные упоры радиусами R и R, при этом первый и второй подвижные упоры, а также третий подвижные и неподвижные упоры шарнирно соединены между собой, первый и третий подвижные упоры соединены между собой шарнирной тягой, свободный конец второго подвижного упора выполнен с шарниром, который жестко закреплен с корпусом. Шарнирные соединения при повторно-переменных нагрузках быстро изнашиваются, что отрицательно отражается на надежной работе манометра, что может приводить к полной его непригодности;
- первый и третий подвижные упоры размещены в корпусе с возможностью контактирования с трубчатой пружиной при повышении давления внутри нее, а третий подвижный и неподвижный дугообразные упоры размещены с возможностью контактирования с внутренней поверхностью корпуса. Размещение внутри корпуса такого количества деталей увеличивает размеры и массу манометра и, как следствие, повышает его удорожание, что экономически нецелесообразно;
- в тексте описания прототипа допущена неточность толкования работы пробки-крана 21: "При возникновении очень больших давлений внутри полости трубчатой пружины 9 ломается пробка-кран 21, выпуская часть жидкости из трубчатой пружины 21"? Причем предохранительный пробка-кран 21 установлен на подвижном конце трубчатой пружины 9, но на фигурах позиция 21 нигде не обозначена. Кроме того, такое толкование в тексте описания прототипа носит противоречивый характер, а именно:
- при возникновении очень больших давлений внутри полости трубчатой пружины пробка-кран 21 ломается, выпуская часть жидкости из трубчатой пружины 9, следовательно, манометр не пригоден к работе, и его необходимо ремонтировать;
- другой недостаток: часть жидкости попадает под давлением внутрь корпуса манометра, заполняя весь его объем, и, как следствие, жидкость под высоким давлением разрушает защитное стекло, что неизбежно выводит прибор из строя.
Целью предлагаемого технического решения является упрощение конструкции и повышение надежности работы манометров.
о
2
Технический результат достигается тем, что манометр содержит цилиндрический корпус, в котором установлен держатель с трубкой Бурдона внутри корпуса и штуцером для подключения к измеряемому давлению с внешней стороны корпуса, трубка Бурдона свободным концом связана с помощью тяги с передаточным трибко-секторным механизмом, преобразующим перемещение свободного конца трубки в круговое движение стрелки, установленной на оси трубки и располагающейся над циферблатом, причем манометрическая трубка Бурдона выполнена составной из двух и более тонкостенных труб, надетых друг на друга. Способ уменьшения напряжений на растяжение (б, кг/см) и, следовательно, повышение прочности толстостенного цилиндра путем замены сплошного цилиндра составным предложен академиком А.В.Гадолиным [8, стр.600]. Например, трубка Бурдона состоит из двух тонкостенных цилиндров, выполненных посадкой с натягом [8, стр.600], и, если теперь такой составной цилиндр нагрузить внутренним давлением, то обе его части будут работать как одно целое, и в составном цилиндре возникнут напряжения. Эти напряжения должны быть алгебраически просуммированы с предварительным напряжением натяга [9, стр.288]. Во внутренних, наиболее напряженных точках рабочие напряжения и напряжения натяга имеют разные знаки. Поэтому суммарное напряжение здесь снижается, и составной цилиндр способен выдерживать большее давление, нежели обычный. Однако вследствие натяга увеличиваются напряжения в зоне контакта у внешнего цилиндра. Поэтому натяг Δ должен подбираться для заданного давления Р так, чтобы была обеспечена прочность не только внутреннего, но и внешнего цилиндра.
Равнопрочность цилиндров подчиняется условию (рис.315) [9]:
экв
экв
б A=б B.
По условию Гадолина [9, стр.289]:
,
видно, что посадка составных труб приводит к заметному снижению эквивалентного напряжения по сравнению [9, стр.286] с толстостенной трубкой:
где α - внутренний радиус цилиндра, b - внешний.
Таким образом, выполнение манометрической трубки Бурдона составной из двух или нескольких тонкостенных цилиндров по сравнению с другими увеличивает ее механическую прочность, способную выдерживать максимальные нагрузки, кроме того, составная манометрическая трубка способна устойчиво выдерживать периодически меняющиеся во времени нагрузки (напряжения) вследствие пластичности ее составных тонкостенных трубок, например, из стали и меди по сравнению с другими, обладающими меньшей прочностью [4, стр.264, стр.354-368].
Преимуществом составной трубки Бурдона является еще и то, что при действии повторно-переменных нагрузках, вследствие усталости материала трубки, могут возникнуть трещины, или таковые уже есть в материале составных трубок [9, стр.273-277], которые блокируются, если образовались на внутренней тонкостенной составной трубки Бурдона, то они блокируются наружной, и наоборот, если образуются на наружной, то они блокируются внутренней, и тем самым сохраняют герметичность составной трубки Бурдона. Таким образом, механические ограничения деформаций составной манометрической трубки Бурдона позволяют предотвратить ее поломку, что увеличивает надежность прибора и срок его службы.
Кроме того, в новой конструкции составной манометрической трубки Бурдона заложен резерв прочности при возникновения ее вспучивания, особенно в местах образования трещин, например при гидравлическом ударе. Технический результат достигается тем, что манометрическая составная трубка снабжена ребрами жесткости определенных размеров, причем ребра выполнены в виде пластин, в которых имеется отверстие, равное поперечному сечению составной трубки, причем пластины крепятся путем натяга к внешней образующей поверхности трубки Бурдона на определенном расстоянии друг от друга по всей ее длине.
Применение ребер жесткости, выполненных в виде пластин, увеличивает механическую прочность трубок и предотвращает их от вспучивания.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить его критерию “новизна”. При изучении других известных технических решений в данной области техники, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают техническому решению соответствие критерию “существенные отличия”.
Чертеж поясняющий суть изобретения, приведен на фиг.1, на котором изображен манометр с лицевой стороны, где 1 - цилиндрический корпус прибора, в котором неподвижно установлен держатель 2 с трубкой Бурдона 3 внутри корпуса 1 и штуцером 4 для подключения к измеряемому давлению с внешней стороны корпуса 1, трубка Бурдона 3 свободным концом связана с помощью тяги 5 с передаточным трибко-секторным механизмом 6, преобразующим перемещение свободного конца трубки 3 в круговое движение стрелки 7, установленной на оси трибки 8 и располагающейся над циферблатом 9; 10 - защитное стекло; на фиг.2 отдельно показан узел держателя 2 с трубкой Бурдона 3 и штуцером 4, а трибко-секторный механизм 6 с тягой 5 условно не показаны; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2 трубки Бурдона 3, состоящей, например, из трех тонкостенных трубок 11, надетых друг на друга, причем количество трубок 11 и их размеры могут быть инвариантными в зависимости от заданного рабочего давления P; 12 - ребро жесткости; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2 трубки Бурдона с ребрами жесткости 12, закрепленными путем натяга Δ к внешней образующей поверхности наружной составной трубки 11 и расположенными на одинаковом расстоянии L друг от друга, причем количество ребер жесткости 12 и их размеры могут быть инвариантными в зависимости от заданного рабочего давления Р; на фиг.5 показан отдельно фрагмент ребра жесткости 12; на фиг.6 - разрез В-В на фиг.5.
Устройство манометра функционирует следующим образом.
Работа устройства основана на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации манометрической пружины 3 (фиг.1 и фиг.2).
Измеряемое давление подается через штуцер 4 во внутреннюю полость трубки Бурдона 3 (фиг.1), один конец которой жестко закреплен в держателе 2, другой - свободен.
При подаче давления перемещение свободного конца трубки Бурдона 3 при помощи тяги 5 трибко-секторного механизма 6 преобразуется во вращательное движение показывающей стрелки 7. Отсчет показаний производится по шкале циферблата 9.
Выполнение манометрической трубки Бурдона 3 составной из двух и более тонкостенных 11 трубок увеличивает ее механическую прочность, способной выдерживать периодически меняющиеся во времени нагрузки вследствие пластичности материала ее составных тонкостенных трубок 11 (фиг.3, фиг.4).
При действии повторно-переменных нагрузок вследствие усталости материала составных трубок 11, могут возникнуть трещины, или таковые уже есть, которые блокируются, если образовались на внутренней тонкостенной составной трубке 11, то они блокируется наружной, и наоборот, если образуются на наружной, то они блокируются внутренней, и тем самым увеличивают надежность прибора и увеличивают срок его службы.
При возникновении очень больших давлений в полости трубки Бурдона 3, например при гидравлическом ударе могут возникнуть ее вспучивания, особенно в местах образования трещин. Для устранения этого отрицательного эффекта в новой конструкции составной манометрической трубки 3 заложен резерв прочности путем применения ребер жесткости 12, которые крепятся путем натяга Δ к внешней образующей поверхности трубки Бурдона 3 на определенном расстоянии L друг от друга по всей ее длине. Применение ребер жесткости 12 увеличивает механическую прочность трубок 11 и предотвращает их от вспучивания.
Таким образом, механические ограничения деформаций составной трубки Бурдона 3 позволяют предотвратить ее поломку, повысить надежность и увеличить срок службы.
Источники информации
1. И.А.Ибрагимов и др. “Элементы и системы пневмоавтоматики”. Учебное пособие для втузов. М.: Высш. Школа, 1975 г., 360 с.
2. Манометры, вакуумметры и мановакуумметры, показывающие для точных измерений (МПТИ). Руководство по эксплуатации 5Ш2.830.865 РЭ, Томск, 2006, 12 с., номенклатурный каталог продукции ОАО Манотомь, www manotom-tmz.ru.
3. Ю.В.Мулёв. “Манометры”. Производственно-техническое пособие, 280 с., М.: МЭИ, 2003 г.
4. П.А.Степин. Сопротивление материалов, 424 с., М., 1968 г.
5. Миловидов С.С. Детали машин и приборов. М.: Высшая школа, 1971 г.
6. И.Г.Барамняк, П.И.Юров. Справочник ремонта и проверки первичных контрольно-измерительных приборов. М., 1988 г.
7. Патент России №2024827, кл. 5 G01L 7/04. Манометр. Опубл. 2000.09.27. Бюл. №27 - прототип.
8. А.В.Дарков, Г.С.Шпиро. Сопротивление материалов, 654 с., М., 1975 г.
9. В.И.Феодосьев. Сопротивление материалов, 560 с., М., 1979 г.