哈工大机械学基础课程设计 QFB气动遥控板 高分报告.docVIP

工作原理 QFB气动遥控板为固定装置的工业仪表，一般均装在控制室内的仪表盘上。它们有的与气动单元组合仪表配套使用，有的做单独手操遥控使用，可以用来测量调节器输出压力及手操定值器输出给执行机构（阀门）的压力。 图1 QFB气动遥控工作原理图 QFB气动遥控工作原理图如图1所示。 仪表的测量元件用波纹管和弹簧并联，通过感知压力变化可以间接测量气体压强。当输入信号（0.02~0.12MPa）即清洁和干燥的气体进入测量波纹管时，由可以知道将会对测量元件施加压力。由于波纹管和弹簧组成的弹性测量元件具有线性的工作特性，即在弹性范围内，满足，因此会产生一个位移量。通过传动放大杆机构把直线位移转变为放大了的指针的角位移。具体而言，对于曲柄滑块机构，可以将直线位移转化为角位移，在近似线性区有；而铰链四杆机构则将小的角位移放大为大的角位移，在近似线性区有。此时，指针转角亦为，其指示读数即为输入信号压力。综上可知，指针的转角和被测气体压强之间存在对应关系，不难看出指针的转角气体压强为线性关系。QFB气动遥控板工作流程图如图2所示。 图2 QFB气动遥控工作流程图 设计流程 主要设计对象为压力敏感元件（弹簧和波纹管）、传动放大机构（曲柄滑块机构和铰链四杆机构）和示数机构；设计内容为材料选择、参数设计和计算以及精度校验；此外还要对各种可调整结构进行结构设计。 2.1 波纹管 波纹管是一种具有环形波纹的圆柱薄壁管，如图3所示。在压力或轴向力的作用下，波纹管伸长或缩短。由于波纹管在很大的变形范围内与压力具有线性关系，有效面积比较稳定，因而被广泛用作测量或控制压力的敏感元件。考虑到波纹管的滞后误差较大以及刚度较小，所以，本设计选择奖波纹管与圆柱螺旋弹簧并联使用。 图3 波纹管 用于制造波纹管的材料主要有不锈钢、锡青铜和铍青铜等。 参考教材（见参考文献[1]，下同）选材说明可知锡青铜QSn6.5-0.1在仪表中使用较多，因此本设计选择锡青铜QSn6.5-0.1作为波纹管材料。 波纹管的尺寸规格已按内径标准系列化（JB/T6169-2006），一般将波纹管的内径或外径作为基本尺寸，其他尺寸以此为基准按比例确定。考虑到本设计空间限制，选取波纹管外径D = 20mm. 根据JB/T6169-2006（教材表15-10）查得其他参数如表1所示。 表1 波纹管部分参数表 内径d 12mm 波距q 2.1mm 配合端长度ld 3mm 单波轴向刚度 41.5N/mm 参照图册（见参考文献[2]，下同）案例仿照选取波纹数n1= 10. 由此计算波纹管刚度为 有效面积为 选取端部结构为NN结构，如图4所示。 图4 波纹管两端内配合结构 则计算得波纹管原长 2.2 圆柱螺旋压缩弹簧 圆柱螺旋压缩弹簧是用线材绕制成的空间螺旋形的弹性元件，在仪器中使用十分广泛，其一般结构如图5所示。 图5 圆柱螺旋压缩弹簧 本设计选取常用弹簧材料碳素弹簧钢丝C级（Ⅱ级）。由教材表15-3查得该材料部分参数如表2所示。 表2 碳素弹簧钢丝C级（Ⅱ级）参数表 许用应力 弹性模量E 206250MPa 切变模量 81500 MPa 由教材表15-4查得拉 伸强度极限, 其中预估弹簧丝直径dt = 1. 2mm. 于是可以计算得到 考虑到仪表空间限制，选取弹簧中径Dt = 10mm 由此算得环绕比为 曲度系数为 选取工作圈数n2 = 7 则可以计算得到弹簧刚度为 下面分析该压缩弹簧受到的最大轴向力 工作载荷范围为 工作时，弹簧与波纹管并联，如图6所示。 图6 弹簧与波纹管并联 弹簧与波纹管并联刚度为 工作位移为 波纹管预紧位移为 弹簧预紧位移为 弹簧预紧力为 工作时，最大载荷位移量为 弹簧受到最大载荷为 由强度条件， 算得 查教材表15-8得C = 10.5, 于是算得 可见满足强度条件。 选取弹簧端部结构为两端并紧磨平，取节距 则弹簧原长为 2.3 曲柄滑块机构 我们知道曲柄滑块机构是传功特性较复杂的非线性机构，但是曲柄滑块机构存在一个较小的线性工作区间，只要在此区间内，并且非线性度不超过允许值，就可以认为是线性机构，因此广范应用于测量仪表之中。曲柄滑块机构如图7所示。 具体而言，当且时曲柄滑块机构处于线性区，设计时取此状态为中间位置，工作区间以此对称分布以减小非线性误差。 图7 曲柄滑块机构 选取杆的材料为黄铜H80. 已知输入范围为 取输出范围 则线性处有 于是求得 取偏轴距，则相对偏轴量 取相对杆长，则 已知误差验算公式为 可知实际位移为 于是由最大非线性误差 可见此组参数满足