压力仪表传动机构的优化设计

    0　引言

    压力仪表是测量和控制工业生产过程中液体、气体和蒸汽(通称流体)压力的主要仪表,由于其结构简单、性能可靠、价格低廉、测量精度高和功能扩展性强等特点,目前仍然是机械、电力、化工、轻工和食品等工业生产部门应用得最多仪表之一[1]。

    压力表的基本结构如图1所示,它主要由弹簧管、封头、连杆、曲柄、扇形齿轮、中心小齿轮、指针和表盘等组成。其工作原理是被测压力的介质从导压接口导入C型弹簧管后,其自由端产生相应的弹性位移,通过由连杆组成的曲柄连杆机构将线位移转换成角位移,然后由机芯角位移对其进行变换放大,最后由指针的转角指示被测压力值[2]。对于精密压力表而言,要求其示数装置与被测压力呈现良好的线性关系,要求其标尺特性是线性的。

    在传统压力仪表设计中,由于仪表弹性元件末端有效位移的精确计算是很困难的,其设计仍然利用了大量的实验和经验数据,忽略了其非线性特性。因此,弹性元件末端位移按与载荷的线性关系来进行压力仪表传动机构的设计。因为弹性元件位移计算公式的特性S=f1(P)和表盘标尺特性都是线性的,而由仪表的工作原理分析可知,压力仪表传动机构的传递函数只有呈现线性特性,才能保证仪表盘的线性刻度。显然这种设计方案对曲柄连杆传动机构的传动特性要求与其实际传动特性不符合,这样不利于压力仪表的调校,也影响了其精度的提高。

    基于有限单元法的弹性元件位移与载荷关系分析表明:弹簧管的压力载荷与位移的关系是呈非线性的,而且这种非线性程度是可预测的[3]。而要保证仪表盘的线性刻度,只有利用其传动机构的非线性特性,通过

传动机构的优化设计来选择机构的最佳结构参数,使其传动特性尽量接近所要求的非线性传动特性,使优化的传机构可以有效地补偿弹簧管位移与载荷的非线性,从而使压力仪表载荷与刻度关系呈现良好的线性关系。

    1　传动机构的优化设计

    1.1　传动机构的工作原理

    压力仪表是采用曲柄连杆二杆组机构进行弹性元件位移的传递,在设计中通常采用的方法是将其传动系统简化为如图2所示的曲柄连杆机构。其中扇形齿轮的中心位置A和曲柄的长度是可以调整的,由于曲柄滑块机构的传动特性是非线性的,其传动比将随着转角的变化而变化[4]。

    按照国家标准的规定,压力表的表盘满刻度为270°,机芯扇形齿轮和中心小齿轮的直径比是9∶1,故其传动比为1/9,因此,扇形齿轮在满载荷时的转角为30°。由于弹簧管的位移与压力载荷呈非线性关系,为保证压力表的精度,对应于弹簧管末端封头的铰链中心各载荷点的位移,要求曲柄在对应每载荷步中转动角度为6°的线性等值角度。曲柄La和Lb连杆是由弹性元件末端的铰链中心牵动的,其有效位移为铰链中心E点的Y和Z方向上位移之和。