from 01.01.1974 until now
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-On-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
The application of dimensional-accuracy analysis in the development of new and improvement of existing designs of electromechanical sensors is shown, which makes it possible to establish the reasons for the high labor intensity of fitting and adjustment work during their manufacture and to identify ways to reduce it. The most rational solutions are presented to ensure the accuracy of the design of an electromechanical pressure sensor.
DIMENSIONAL ANALYSIS, ELECTROMECHANICAL SENSOR, ACCURACY, LABOR INTENSITY, PERFORMANCE
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Одним из важнейших инструментов создания качественных изделий, способных с высокой надежностью функционировать в течение всего срока эксплуатации, является размерный анализ [1-20]. Он позволяет обеспечить требуемую точность функциональных параметров изделий и увязать между собой многие основные характеристики разных этапов жизненного цикла изделия. При этом размерный анализ также является связующим звеном между конструкторскими и технологическими этапами подготовки производства к выпуску новой продукции. Важным является и тот факт, что этот анализ является универсальным средством, пригодным для расчета любой конструкции или отдельного узла.
2 Материалы и методы
Предметом настоящего исследования является применение размерно-точностного анализа для оценки конструктивного исполнения электромеханического датчика с целью обоснования его наиболее рациональной конструкции, обеспечивающей с наименьшими технико-экономическими затратами выполнение его функционального назначения. В качестве примера для проведения такого анализа выбран электромеханический датчик давления, предназначенный для контроля величины давления жидкости, конструкция которого приведена на рис. 1.
Нижняя часть электромеханического датчика давления (ЭМД) включает в себя стакан 2, имеющий поверхности для установки по месту эксплуатации, и внутреннюю полость, в которую поступает жидкость.
1 – корпус; 2 – стакан; 3, 17 – гайка; 4 – вкладыш; 5 – мембрана; 6 – толкатель; 7 – пробка;
8, 14 – пружина; 9 – корпус контакта; 10 – изолятор; 11, 24, 25– втулка; 12, 28 – винт;
13 – контакт; 15 – кольцо; 16 – пробка; 18 – наконечник; 23 – чашка; 26 – хомут;
31 – шайба; 39, 40, 41, 42 – прокладка
Рисунок 1 – Конструкция электромеханического датчика давления
Стакан совместно с мембраной 5 и корпусом 1 соединены сваркой. При росте давления жидкости до 0,2 …0,5 МПа происходит прилегание мембраны к вкладышу 6, что вызывает перемещение толкателя 6 и соприкосновение его торца с контактом 13. В этот момент контакт перемещается относительно втулки 11, поджимая пружину 14. При значении давления ниже 0,2 МПа детали перемещаются в исходное положение, а между контактом и толкателем должен присутствовать зазор величиной 0,3-0,1 мм. В конструкции предусмотрена регулировка положения толкателя 6 в направлении вкладыша 4 с помощью пружины 8 и пробки 7.
Детали и узлы в верхней части ЭМД предназначены для обеспечения требуемого положения контакта относительно корпуса 1 и толкателя 6 и возможности его регулирования. Корпус 11, в котором находится контакт 13, через винт 12 соединен с керамическим изолятором 10, который, в свою очередь, жестко соединен с корпусом 9. Корпус посредством резьбового соединения перемещается относительно корпуса 1, за счет чего и реализуется регулировка. Остальные детали обеспечивают неподвижность достигнутого положения корпуса 9. На винт 12 устанавливаются шайба и наконечник 18 с винтом 30. Одновременно с этим в осевом направлении создается нагрузка, обеспечивающая поджатие деталей к изолятору.
В процессе испытаний ЭМД на срабатывание к наконечнику 18 подводится напряжение 24 В, а к хомуту 26 – щупы измерительного прибора. В случае соприкосновения поверхностей деталей 6, 13, на хомуте присутствует напряжение, а при наличии зазора между упомянутыми деталями напряжение отсутствует. Наличие токопроводящей цепи в конструкции возможно благодаря использованию керамического изолятора 10.
В качестве основного недостатка существующей конструкции можно выделить высокую трудоемкость изготовления и сборки ЭМД ввиду наличия большого объема пригоночных и регулировочных работ. Дальнейший анализ позволит установить причины их проведения и выявить пути снижения трудоемкости изготовления ЭМД.
3 Результаты исследований
На рис. 2 представлено новое решение нижней части ЭМД. Она отличается от исходной отсутствием механизма регулировки положения толкателя, реализующегося за счет поджатия пружины резьбовой пробкой. Вместо нее предусмотрена шайба, которая устанавливается во внутреннюю проточку корпуса. Параметры пружины и величину ее поджатия приняты равными исходным.
1 – корпус; 2 - стакан; 3 – гайка; 4 – вкладыш; 5 – мембрана; 6 – толкатель;
7 – шайба; 8 – пружина; 9 – прокладка; 10 – хомут
Рисунок 2 – Конструкция нижней части ЭМД
Конструкция верхней части может быть выполнена в нескольких вариантах (рис. 3). Первый вариант предусматривает установку изолятора в корпус ЭМД и фиксацию его с помощью прокладки и гайки. В изоляторе предусмотрено отверстие для установки пружины с винтом. Винт имеет аналогичные с контактом поверхности для взаимодействия с толкателем. Для определения положения винта в осевом положении предусмотрена резьба, на которую накручивается наконечник. Он упирается в изолятор, ограничивая ход винта.
1 – винт; 2 – наконечник; 3 – гайка; 4 – корпус; 5 – пружина; 6 – изолятор; 7 – винт;
8 – втулка; 9 –контакт; 10, 13– стакан; 11 – пробка резьбовая; 12 – прокладка
Рисунок 3 – Конструкция верхней части ЭМД
Второй вариант отличается от первого наличием контакта, который накручивается на винт. Винт имеет ограничитель осевого перемещения в виде ступени, расположенной в верхней части конструкции. Изолятор устанавливается в корпус без прокладки.
Следующий вариант предусматривает использование стального стакана для базирования винта. Для ограничения перемещения винта в осевом направлении предусмотрена резьбовая пробка, закручивание которой увеличивает усилие, создаваемое пружиной. Для обеспечения электрической изоляции корпуса относительно винта предусмотрен стакан и прокладка, изготовленные из диэлектрического материала.
Последняя конструкция предусматривает установку винта с пружиной в керамический изолятор. Изолятор помещен в корпус и закреплен через прокладку гайкой.
Ниже приведен размерный анализ вариантов конструкции с целью определения возможности достижения заданной точности положения толкателя относительно торца корпуса.
Размерная цепь для первого варианта конструкции ЭМД показана на рис. 4, в которой с целью реализации регулировки введено звено Д2.
а) б)
а – метод регулирования; б – метод неполной взаимозаменяемости
Рисунок 4 – Размерная цепь, описывающая достижение точности ЭМД
первого варианта конструкции
Это позволяет, как показано в табл. 1, значительно расширить допуски деталей. Однако операция регулировки повлечет за собой дополнительные затраты в процессе сборки ЭМД.
Таблица 1 ‒ Физическая сущность звеньев размерной цепи Д (метод регулирования)
|
Звено |
Физическая сущность звеньев |
Размер, мм |
|
Д0 |
Положение торца винта относительно торца корпуса |
23,5+0,1 |
|
Д1 |
Длина винта |
32,5h14(-0,62) |
|
Д2 |
Запас хода винта по резьбе наконечника |
2+1 |
|
Д3 |
Глубина нарезки резьбы в отверстии наконечника |
11+0,5 |
|
Д4 |
Размер изолятора |
20h14(-0,52) |
|
Д5 |
Размер проточки корпуса |
20H14(+0,52) |
Для достижения точности методом неполной взаимозаменяемости наконечник должен накручиваться на винт до упора (конца резьбы), что позволяет исключить звено Д2. Результаты расчета допуска звена Д0 с учетом точности деталей в пределах 11 квалитета для этого случая представлены в табл. 2.
Таблица 2 ‒ Физическая сущность звеньев размерной цепи Д (метод неполной взаимозаменяемости)
|
Звено |
Физическая сущность звеньев |
Размер, мм |
|
Д0 |
Положение торца винта относительно торца корпуса |
|
|
Д1 |
Длина винта |
32,5h11(-0,16) |
|
Д2 |
Глубина нарезки резьбы в отверстии наконечника |
11+0,5 |
|
Д3 |
Размер изолятора |
20h11(-0,13) |
|
Д4 |
Размер проточки корпуса |
20H11(+0.13) |
Как видно из табл. 2, величина допуска звена Д0 составляет 0,186 мм. Это значение больше половины (62 %) от общего допуска замыкающего звена (0,3 мм). Для снижения доли допуска необходимо сузить допуски на составляющие звенья до 9-11 квалитета.
Размерная цепь для второго варианта конструкции ЭМД показана на рис. 5, а физическая сущность звеньев сведена в табл. 3.
Рисунок 5 – Размерная цепь, описывающая достижение точности ЭМД
второго варианта конструкции
Общее количество составляющих звеньев в рассматриваемой размерной цепи ‒ 4. Заданную точность достичь будет проще, чем в первом варианте конструкции ЭМД по методу неполной взаимозаменяемости. Величина допуска звена Е0 составляет 0,07 мм. Это значение составляет менее трети (23 %) от общего допуска замыкающего звена (0,3 мм).
Таблица 3 – Физическая сущность звеньев размерной цепи Е
|
Звено |
Физическая сущность звеньев |
Размер, мм |
|
Е0 |
Положение торца винта относительно торца корпуса |
|
|
Е1 |
Длина наконечника |
8h11(-0,09) |
|
Е2 |
Размер винта |
14h11(-0,11) |
|
Е3 |
Размер корпуса |
17h11(-0,11) |
|
Е4 |
Размер проточки корпуса |
15H11(+0,11) |
Размерная цепь для третьего варианта конструкции СП показана на рис. 6, а физическая сущность звеньев сведена в табл. 4.
Рисунок 6 – Размерная цепь, описывающая достижение точности ЭМД третьего варианта конструкции
Таблица 4 – Физическая сущность звеньев размерной цепи Ж
|
Звено |
Физическая сущность звеньев |
Размер, мм |
|
Ж0 |
Положение торца винта относительно торца корпуса |
|
|
Ж1 |
Толщина фланца диэлектрического стакана |
1h11(-0,06) |
|
Ж2 |
Размер стального стакана |
20±0,1 |
|
Ж3 |
Размер винта |
4h11(-0,075) |
Общее количество составляющих звеньев в рассматриваемой размерной цепи ‒ 3. Заданную точность достичь будет проще, чем в предыдущих вариантах конструкции ЭМД. Величина допуска звена Ж0 составляет 0,073 мм. Полученное значение несколько выше, чем в предыдущем варианте, не смотря на меньшее количество звеньев. Величина допуска составляет менее трети (24 %) от общего допуска замыкающего звена (0,3 мм).
Размерная цепь для четвертого варианта конструкции ЭМД показана на рис. 7, а физическая сущность звеньев сведена в табл. 5.
Рисунок 7 – Размерная цепь, описывающая достижение
точности ЭМД четвертого варианта конструкции
Таблица 5 - Физическая сущность звеньев размерной цепи З
|
Звено |
Физическая сущность звеньев |
Размер, мм |
|
З0 |
Положение торца винта относительно торца корпуса |
|
|
З1 |
Размер проточки корпуса |
20H11(+0,13) |
|
З2 |
Размер изолятора |
20H11(-0,13) |
|
З3 |
Размер изолятора |
19H11(+0,13) |
|
З4 |
Размер винта |
4h11(-0,075) |
Общее количество составляющих звеньев в рассматриваемой размерной цепи ‒ 4. Величина допуска звена З0 составляет 0,079 мм. Величина допуска составляет менее трети (26 %) от общего допуска замыкающего звена (0,3 мм).
4 Обсуждение и заключение
Проведённый размерно-точностной анализ предложенных новых конструктивных решений верхней части ЭМД показал, что наиболее предпочтительными для дальнейшей проработки следует принять первый вариант конструкции с учетом использования регулировки и третий вариант, включающий в себя наименьшее число составляющих звеньев и достаточно малую величину допуска замыкающего звена. Окончательный выбор конструкции ЭМД можно произвести только после технико-экономической оценки и анализа результатов моделирования их работоспособности в условиях эксплуатации.
1. Bezyazychny, V. F., Ensuring the quality of products during assembly [Text] / V. F., Bezyazychny, V. V Nepomiluev, A. N Semenov. - Spektr Publishing House. - 2002. - 204 p.
2. Dalsky, A. M. Technological support for the reliability of high-precision machine parts [Text] / A. M. Dalsky. - M., Mechanical Engineering, 1975-223 p.
3. Polsky, E. A. Technological support for the accuracy of high-tech assembly units during the life cycle [Text] / E. A. Polsky, O. A. Nikonov, N. S. Mitrakov, F. D. Zvyagintsev. - News of Tula State University. Technical science. - 2017. - Issue. 8. - Part 2. - pp. 328-335.
4. Suslov, A. G. Technological support and improvement of operational properties of parts and their connections [Text] / A. G. Suslov, V. P. Fedorov, O. A. Gorlenko [etc.]; under general ed. A. G. Suslova. - Moscow: Mechanical Engineering, 2006. - 447 p.
5. Strength, stability, vibrations. A reference book in three volumes. - Volume 1. Ed. I. A. Birger and Y. G. Panovko. - Moscow, publishing house "Machine Building", 1968.
6. Sensors of thermophysical and mechanical parameters: A reference book in three volumes / Under the general. ed. Yu. N. Kopteva. Ed. E. E. Bagdatyeva, A. V. Gorisha, Y. V. Malkova. - M.: IPRZHR, T.1, 1998 - 548 p.; T. 1 (book 2) 1999 - 512 p.
7. Karpov, V.I. Assessment of mechanical reliability of sensor design elements. - Sensors for measurement, monitoring and control systems: Inter. university collection of scientific tr. - Penza: Penz. Polytech. Institute, 1981. - Issue 1. - pp. 139-143.
8. Antonyuk, V. E. Dynamic stabilization in the production of low-rigid parts / V. E. An-tonyuk. - Minsk: Belarusian science. - 2017. - 190 p.
9. Khenkin, M. L., Lokshin I. Kh. Dimensional stability of metals and alloys in precision en-gineering and instrument making [Text] / M. L. Khenkin, I. Kh. Lokshin. - M.: Mashinostroenie, 1974. - 256 p.
10. Gavryusev, V. I. Dimensional stability of materials and structural elements [Text] / V. I. Gavryusev. - L.: Central Research Institute “Rumb”, 1990. - 113 p.
11. Yakovleva, S. A. Dimensional stability of materials and structural elements in instrument engineering [Text] / S. A. Yakovleva, O. S. Yulmetova. - Izv. universities Instrumentation. - 2010. - T. 53. - No. 8. - P. 23-26.
12. Ilyitsky, V. B. Model for ensuring the quality of assembly units based on the analysis of dimensional relationships [Text] / V. B. Ilyitsky, E. A. Polsky, D. M. Filkin // Handbook. Engineer-ing magazine. - 2010. - No. 4. - P. 51-56.
13. Khromov, V. N. Calculation of a dimensional chain taking into account operational changes in links [Text] / V. N. Khromov, M. G. Degtyarev, Z. P. Lisovskaya. - Assembly in me-chanical engineering, instrument making. - 2004. - No. 9. - pp. 19-21.
14. Handbook of mechanical engineering technologist [Text]: in 2 volumes. T.2. / A. M. Dalsky, A. G. Kosilova, [etc.]. - M.: Mashinostroenie, 2001. - 912 p.
15. Ryzhov, E. V. Technological support of the operational properties of machine parts [Text] / E. V. Ryzhov, A. G. Suslov, V. P. Fedorov. - M.: Mechanical Engineering, 1979. - 176 p.
16. Oskin, D. A. Improving the calculation of technological dimensions based on identifying feedback between tolerances and processing conditions [Text] / D. A. Oskin, V. B. Masyagin // Me-chanical Engineering Technology. - 2007. - No. 8. - pp. 18-23.
17. Nepomiluev, V.V. Methods for regulating non-rigid dimensional chains [Text] / V.V. Nepomiluev, V.Yu. Eroshkov, M.E. Ilyina // Assembly in mechanical engineering, instrument mak-ing. - 2005. - No. Z. - pp. 24-27.
18. Matalin, A. A. Mechanical engineering technology [Text]: textbook for universities / A. A. Matalin. - Ed. 2 rev. - St. Petersburg: Lan, 2008. - 511 p.
19. Koganov, I. A. Fundamentals of dimensional analysis of technological processes: text-book [Text] / I. A. Koganov, B. V. Morozov. - Tula: Tula State Technical University, 1994. - 67 p.
20. Gorlenko, O. A. Technological support and increasing the performance indicators of ma-chine parts [Text] / O. A. Gorlenko // Friction and wear. - 1997. - T.18. - No. 3. - P.361-368.
