10. Термометаллические пружины (дополнение)

Биметаллическая пружина в простейшем случае состоит из двух тонких металлических пластинок с разными коэффициентами линейного расширения, которые соединяются друг с другом с по­мощью пайки, сварки или совместной прокатки.

Пластинки, из которых образуется биметалл, называют ком­понентами, или слоями.

Рис. 13. Термобиметаллические пружины.

Компоненты с меньшим коэффициентом линейного расшире­ния называют пассивными, а с большим —активными.

При изменении температуры пластинки, составляющие би­металл, удлиняются неодинаково, и пружина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения ( ), как это показано на рис. 13, а. В связи с этим такие би­металлы называют термобиметаллами.

Изгиб термобиметаллов пропорционален изменению их тем­пературы. Это свойство позволяет применять их в качестве упру­гих чувствительных элементов, которые по форме бывают прямые (рис. 13, б), дуговые (рис. 13, в), U-образные (рис. 13, г), спи­ральные (рис. 13, д) и винтовые (рис. 13, е).

Термобиметаллические пружины применяют в приборах в ка­честве измерительных или силовых элементов.

Прямые плоские термобиметаллические пружины используют в различных термореле, термометрах и т. д. Дуговые и U-образные пружины часто применяют в качестве силовых включающих эле­ментов различных автоматических устройств, спиральные и вин­товые пружины – в термометрах и регуляторах температуры.

Термобиметаллические пружины находят широкое примене­ние в электроизмерительных приборах (амперметры, ваттметры и т. д.), автоматических предохранителях, приборах для измере­ния давления и т. д.

В приборах, имеющих упругие элементы» при изменении тем­пературы меняется модуль упругости материала упругого эле­мента, вследствие чего возникают погрешности в показаниях при­борок. Для их устранения применяют термобиметаллические ком­пенсаторы, которые устраняют (частично или полностью) тем­пературные погрешности.

Термобиметаллическая компенсация бывает кинематической и силовой.

Кинематическая компенсация дает возможность изменять пер­воначальное положение деталей передаточного механизма, а также передаточное отношение за счет прогиба термобиметалла при из­менении температуры.

Кинематическая компенсация разделяется на компенсацию I и II рода.

При кинематической компенсации I рода компенсатор ставится непосредственно на самом чувствительном элементе (пластинка 1 на рис. 14, и) и компенсирует изменения его перемещения при отклонениях температуры от расчетной.

Компенсация II рода (пластинка 2 на рис. 14, а) осуществ­ляется за счет изменения плеча кривошипа в кривошипно-шатунном механизме, т. е. передаточного отношения.

Обычно обе кинематические компенсации применяют одновре­менно. Основной является температурная компенсация II рода. Однако при изменении длины кривошипа длина шатуна не ме­няется, и вследствие этого стрелка прибора поворачивается. Для устранения погрешности вводится дополнительно компенсация I рода, за счет которой меняется длина шатуна таким образом, что стрелка возвращается в исходное положение.

Силовая компенсация непосредственно изменяет перемещение упругого элемента за счет возникающего при изменении темпера­туры силового воздействия термобиметалла.

Принцип силовой компенсации рассмотрим на примерах двух типов мембранных коробок (см. п. 8 данной главы): анероидной (рис. 14, б) и манометрической (рис. 14, в).

Анероидная коробка имеет внутри разрежение до 13 Па, и поэтому ее наружные поверхности вогнуты внутрь. Манометриче­скую коробку используют для измерения избыточного давления, подаваемого внутрь коробки, поэтому ее поверхности выгнуты наружу. Коробки (рис. 14, б, в) закреплены неподвижно в термобиметаллической пружине 4, имеющей форму скобы, наружный слой которой сделан из инвара, а внутренний из стали. Верхний жесткий центр 2 коробок и боковые стенки скобы связаны с по­мощью нескольких игл 1 и 3, поставленных таким образом, что создают некоторое вертикальное усилие Т=2Qsinγ (Рис.14, д, е), которое вызывает дополнительный прогиб коробок. При горизонтальном расположении игл Т – 0 и Q=S (рис. 14, г).

Рис. 14. Термобиметаллическап компенсация

При изменении температуры, например при ее повышении за счет нагрева материала коробок, их прогиб увеличивается. Однако при нагревании термобиметалла боковые стенки скобы изогнутся наружу и уменьшат как нормальное давление Q, так и дополни­тельный прогиб. Этим и достигается компенсация температурного прогиба коробок.

Расчет термобиметаллической пружины рассмотрим на примере наиболее простой прямой плоской пружины, имеющей на одном конце заделку (см. рис. 13, а). Материал пружины при ее деформации работает на изгиб. Прежде всего выбираем материалы для пассивного и активного слоев. Они должны иметь как можно большую разность между коэффициентами линейного расшире­ния (₁ и ₃), а также возможно близкие значения модулей упругости (Е₁ и Е₂) и допустимых напряжений на изгиб,

В качестве пассивного слоя чаще всего используют инвар ЭН-36 с малым значением ₂, а в качестве активного слоя - не­магнитные стали и латунь.

Физические и механические характеристики как отдель­ных компонентов, так и термобиметаллов определяют по ГОСТ 10533–63 [24]. Так, для пружин, нагреваемых электриче­ским током, применяют термобиметаллы ТБ-1, ТБ-2 и ТБ-3, а для пружин, нагреваемых за счет температуры окружающей среды, термобиметаллы ТБ-5, ТБ-6, ТБ-7.

После выбора материала определяют зависимость между тол­щинами h₁, и h₂ слоев биметалла исходя из условия получения наи­большего прогиба при изменении температуры по уравнению

(10.1)

Прогиб свободного конца пружины ω при изменении темпера­туры на величину t = t–t₀, где t₀ – температура, при которой пружина находится в недеформированном состоянии; t – темпе­ратура нагрева пружины, определяют по формуле

(10.2)

При необходимости использования биметаллической пружины для создания усилия Т на упор А (рис. 13, а) его можно опре­делить по формуле

(10.3)

где h= h₁+ h₂ – толщина термобиметаллической пружины; b и l – ее ширина и длина; ω_уп – прогиб пружины до упора.