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压力表结构课程设计

压力表结构

课

程

设

计

说

明

书

学院：

机械与动力工程学院

专业：

班级：

姓名：

学号：

************

*******

日期：

2010-7-12

压力表的结构设计

摘要：

首先通过对压力表的了解，明确此次课程设计的目的与设计要求，分析压力表的工作原理，选取弹簧管作为压力敏感元件，之后确立压力表的基本结构，合理地确定各具体的零部件（传动放大部分、示数部分、辅助部分）。

结合资料对各零件参数、材料进行设计与选取，并对其相关的设计进行计算，最终得出一个比较完善的压力表

关键词：

压力表结构设计弹簧管

附：

ProE生成效果图24

第一章、压力表设计概述

1.1设计题目

压力表的结构设计

1.2设计目的

1．巩固、实践课堂讲过的知识

课程设计的任务：

课程设计就是把学过的知识应用到机械仪表的设计中，培养从整体上分析问题、解决问题的能力。

并进一步加深对学过的知识的理解、巩固。

2．掌握正确的设计思想

通过课程设计掌握仪表的设计思路，机械产品设计。

一般其主要过程为：

（接受）设计任务－（拟定）设计方案－设计计算－绘制装配图－绘制零件图

设计过程中需注意以下内容：

1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）

3．熟悉有关规范、标准、手册

设计中涉及到的零件材料、结构等，需按照有关标准选择；零件的尺寸、公差等应符合相关标准；制图要符合一定的规范。

在课程设计过程中学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。

1.3技术要求

1．测量范围0～0.1Mpa

2．外廓尺寸外径<150mm高度<55mm

接口M201.5（普通螺纹、外径20、螺距1.5）

3．标尺等分刻度（满程0.1Mpa）

标度角270分度数50（格）

4．分度值（0.02Mpa）

精度1.5级

第二章、压力表介绍

2.1压力表概述

2.1.1压力表简介

压力表是以弹性元件为敏感元件，测量并指示高于环境压力的仪表。

主要用来测量无爆炸，不结晶，不凝固，对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽的压力，例如测量机器、设备或容器内的水、蒸汽、压缩空气及其他中性液体或气体压力。

弹簧管压力表又叫做波登管压力表，因为它的发明者是法国的天才机械师E.波登（EugeneBourdon）。

波登（1803---1884年）的一生正处于锅炉、蒸汽机、铁路运输广为应用的欧洲工业革命时期，当时欧洲锅炉和蒸汽机正在各个领域中推广应用，但是由于缺乏合适的压力测量仪表，常发生爆炸事故。

波登于1851年发明了无水银金属管式压力表，他是用一端固定的“C”型金属管来感受压力的变化，因此波登管压力表的发明和问世，立即受到了各行各业的热烈欢迎，许多工厂在获得许可后，立即开展了大规模的生产。

这对于促进当时的锅炉和蒸汽机的发展及应用具有很重要的作用。

因此波登管压力表是一个伟大的发明，我们应该记住波登在压力测量领域的杰出贡献!

5w0i$C&V+F5r7]2G  现在压力测量技术也发生了很大的变化，尤其在电子技术、新工艺、新材料的影响下，各种新的压力测量仪表层出不穷，但新一代的压力测量仪表清一色的都需要供电。

但是弹簧管压力表，凭借其简单可靠、价廉易用、线性好、不用电等诸多优点，150多年来，一直没有动摇过它作为常规仪表的地位。

压力表是常见的计量器具，广泛应用于各个领域，它能直观地显示出各个工序环节的压力变化，洞察产品或介质流程中的条件形式，监视生产运行过程中的安全动向，并通过自动连锁或传感装置，构筑了一道迅速可靠的安全保障，为防范事故，保障人身和财产安全发挥了重要作用，被称作安全的“眼睛”。

弹簧管压力表的主要组成部分为一弯成圆弧形的弹簧管，管的横切面为椭圆形。

作为测量元件的弹簧管一端固定起来，并通过接头与被测介质相连；另一端封闭，为自由端。

自由端借连杆与扇形齿轮相连，扇形齿轮又和机心齿轮咬合组成传动放大装置。

弹簧管压力表的延伸产品有弹簧管耐震压力表，弹簧管膜盒压力表，弹簧管隔膜压力表，不锈钢弹簧管压力表，弹簧管电接点压力表等。

弹簧弯管是由金属管（无缝铜管或无缝钢管）制成的。

管子截面呈扁圆形或椭圆形，它的一端固定在支撑座上，并与汽水介质相通；另一端是封闭的自由端，与杠杆连接。

杠杆的另一端连接扇形齿轮，扇形齿轮又与中心轴上的小齿轮相啮合，压力表的指针固定在中心轴上。

当弹簧弯管受到介质压力的作用时，它的截面有变成圆形的趋势，迫使弹簧弯管逐渐伸直，从而使弹簧弯管的自由端向上翘起。

压力越高，自由端向上翘起的幅度越大。

这一动作经过杠杆、扇形齿轮、小齿轮的传动，使指针偏转一个角度，在刻度盘上指示出压力高低。

当被测介质压力降低时，弹簧管要恢复原状，指针退回到相应刻度处。

2.1.2压力表的主要组成：

灵敏部分（弹簧管）

传动放大部分（曲柄滑块、齿轮机构）

示数部分（指针、刻度盘）

辅助部分（支承、轴、游丝）

2.1.3基本构造：

接头：

用来与设备连接，常用螺纹有M14*1.5;M20*1.5;G1/4;G1/2.材质有黄铜和不锈钢.

衬圈：

用于玻璃和表壳间的密封。

度盘：

又叫表盘，刻度盘的指示范围一般为270度。

表盘的标度、标度分划及最小分格值应符合JB/T5528的规定。

指针：

除标准指针外，指针也可选调零指针。

弹性元件（弹簧管、膜片、膜盒等）：

     弹簧管（波登管）分为C型管、盘簧管、螺旋管等型式。

一般采用冷作硬化型材料坯管，在退火态具有很高的塑性，经压力加工冷作硬化及定性处理后获得很高的弹性和强度。

弹簧管在内腔压力作用下，利用其所具有的弹性特性，可以方便地将压力转变为弹簧管自由端的弹性位移，经机芯齿轮机构将位移转换成旋转运动，通过指针转动来显示压力。

常用材料有锡磷青铜和不锈钢。

     膜片敏感元件是带有波浪的圆形金属片，膜片本身位于两个法兰之间，或焊接在法兰盘上或其边缘夹在两个法兰盘之间。

膜片一侧受到被测介质的压力后产生微小变形，经机芯齿轮机构将位移转换成旋转运动，通过指针转动来显示压力。

     膜盒敏感元件由两块焊在一起的呈圆形波浪截面的膜片组成。

测量介质的压力作用在膜盒腔内侧，由此所产生的变形经机芯齿轮机构将位移转换成旋转运动，通过指针转动来显示压力。

压力的大小由指针显示。

传动机构（机芯）：

机芯的作用是将弹性元件产生的线性位移转为旋转运动，并放大线性位移。

连杆：

连接弹性元件和机芯，组成连杆机构。

表壳：

常用表壳直径有（mm）40,50,60,75，100,150,200,250；常用材质有：

碳钢，铝合金，不锈钢。

     表壳体上一般要有溢流孔，弹性元件万一爆裂的时候，内部压力将通过溢流孔向外界释放，同时溢流孔的朝向要对着无人的方向，以防伤人。

2.1.4主要工作原理

作为灵敏元件的弹簧管可以把气体压力转变为管末端的位移，通过曲柄滑块机构将此位移转变为曲柄的转角，然后通过齿轮机构将曲柄转角放大，带动指针偏转，从而指示压力的大小。

将转角放大便于测量，可以提高测量精度。

2.1.5压力表工作原理框图：

弹簧管的压力－位移是线性关系，但弹簧管本身的工艺问题（如材料、加工等）会造成一些线性误差，弹簧管形状的不直、不均匀也会导致非线性误差。

曲柄滑块机构可以补偿弹簧管的线性及非线性误差。

从0～0.1Mpa调整满足满刻度精度为线性误差调整，中间部分不均匀调整为非线性误差调整。

第三章、压力表的设计计算过程

3.1弹簧管

3.1.1原理：

弹簧管在内压力的作用下，任意非圆截面的弹簧管的截面将力图变为圆形。

从管子中截取中心角为d的一小段。

通入压力p后，管截面力图变圆，中性层

x－x以外各层被拉伸（如efe’f’），以

内各层被压缩（如kik’i’）。

材料产生

弹性恢复力矩，力图恢复各层原来长度，

从而迫使截面产生旋转角d，使管子中心

角减小，曲率半径增大。

若管子一端固定，

自由端便产生位移，直至弹性平衡为止。

在生产压力表的过程中，对弹簧管的要求也非常严格，必须应具有足够的管端位移量，管端力和较小的内应力。

具体来说，对于低压弹性管，要求其较高的灵敏度（较大的位移量）和较大的管端力（能够带动机芯及指针的运动）；对于中高压弹簧管则要求较小的内应力，以确保弹簧管在使用中的稳定性和安全性。

一般情况下对弹簧管的材料要求有以下几点：

（1）具有良好的塑性，便于加工成形；

（2）较高的弹性极限，强度极限和疲劳极限，以保证仪表正常工作；（3）良好的焊接性能，便于钎焊和熔焊；（4）机械性能稳定，弹性模量的温度系数小；（5）较好的耐腐蚀性能。

制作弹簧管常用的材料有黄铜（H62），锡磷青铜（QSn4---0.3），铍青铜（Qbe2）和不锈钢（1Gr18Niqi,sus316,sus316L）等，这几种材料各有各自的性能和用途，分别是：

黄铜的主要性能是具有一般的机械性能和耐腐蚀性，塑性和焊接性能好，但弹性后效和滞后较大，它的用途用于制造测量非腐蚀介质而精度不高的弹簧管；锡磷青铜主要性能是强度，弹性及腐蚀性能高于黄铜，而且弹性后效和滞后小于黄铜，它的用途是一般压力表弹簧管用的最广泛的材料；铍青铜主要性能是具有很高的机械性能，工艺性和耐腐蚀性强，弹性后效和滞后很小，弹性模量和温度影响也很小它的用途多用于制造精密压力表用弹簧管；不锈钢主要性能具有优良的机械性能和耐腐蚀性，能承受较高的压力，且工艺性能好，它的用途多用于制造防腐压力表的弹簧管。

3.1.2末端位移计算

1）弹簧管中心角变化与作用压力之间的关系

和’－弹簧管变形前、后的中心角

R－弹簧管中性层初始曲率半径

h－管壁厚度

a和b－横截面中性层长轴半径和短轴半径

E和－材料的弹性模量和泊松比

C1和C2－与a/b有关的系数，查表取之

2）位移切向分量st

3）位移径向（法向）分量sr

4）自由端位移s

5）位移与切向分量夹角

3.1.3弹簧管参数选择与计算

按照现有的弹簧产品规格，选定尺寸

参数如下的弹簧管：

毛坯外径＝15mm

中径R＝50mm

壁厚h＝0.3mm

中心角´´＝265（参考）

材料锡磷青铜Qsn4-0.3

E＝1.127105Mpa

＝0.3

1）安全系数n

pj：

比例极限压力pg：

工作压力（应小于pj）

2）弹簧管截面与轴比a/b

已知毛坯：

＝15mm，h＝0.3mm

由2π（Ф-h）=2bπ+2（2a-2b）计算

扁圆形弹簧管，a=10.104mm，b=2.526mm

a/b，灵敏度，但pj，

选用a/b＝4

圆形毛坯压扁后

中性层尺寸不变；

3）中心角

设则

有s

通常取＝200～270。

建议：

（结构中心角）´´=265

插入接口10～15自由端压扁4～6

则实际参加变形的中心角：

=´´-10-5=250

4）弹簧管中径R＝50mm

5）材料锡磷青铜Qsn4-0.3

弹性模量E＝1.127105Mpa

泊松比＝0.3

选用=250

得到Δ=5.467

把p=0.1Mpa,E=1.127105Mpa,=0.3,R=50mm，a=10.104mm，b=2.526mm,h=0.3mm,及由a/b=4，查表得到的C1=0.437，C2=0.121代入下式：

得到-’/=0.00765

则s=R˙Δ˙（-’）/=50*5.467*0.00765mm=2.091mm

3.2曲柄滑块机构

曲柄滑块机构是一种常用的机械结构，它将曲柄的转动转化为滑块在直线上的往复运动。

加压后，弹簧管自由端位移s，带动曲柄转过角度g－曲柄滑块机构

3.2.1曲柄最大转角g－工作转角

弹簧管末端指针：

两级传动

一级－曲柄滑块机构、二级－齿轮传动

i总=i齿i曲=270/gg/s

推荐：

*i齿=13.5,g=20

*i齿=15,g=18

3.2.2、的选择

曲柄滑块机构的传动比i=/s=f（a,b,e,）

为简化计算，常引入无量纲系数：

*滑块相对位移

*连杆相对长度

*相对偏距

*相对传动比

=0.8~1.4、=2~5推荐=1、=4

3.2.3确定0、k（初始角、终止角）k-0=g

在ia-曲线上找出极点对应的极

角e，0、k以e对称分布。

i

变化小，工作过程非线性度减小。

0＝e－g/2

k＝e＋g/2

对于=1、=4的曲线有e=0

0＝-g/2

k＝g/2

选用g=18，则0＝-g/2=-9，k＝g/2=9

3.2.4计算曲柄长度a

最大位移smax，上式中k

把=k代入得，Χ=0.313

则a=s/Χ=6.68mm

3.2.5计算连杆长度b和偏距e

连杆长b=a偏距e=a

取=1，=4

b=4a=26.72mm,e=a=6.68mm

连杆b初始位置与弹簧管末端位移s夹角

bsin=e-acosk

求得=0.176

3.3齿轮传动机构

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。

具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。

　　齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接、传递运动和动力的装置。

　　在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不远的两轴之间的运动和动力。

3.3.1初定齿轮中心距A’（根据曲柄滑块机构参数计算）

1）求c’（过渡量）：

OBD中

先求∠ODB=81.176

C’=26.53mm

2）求A’：

O’BO中

由

得δ=arctan（1-cos）/（-sin）=14.2

arcsin（e/c’）=14.6

∠O’BO=90-δ-arcsin（e/c’）=61.2

A’=43.88mm

3.3.2选定标准中心距A（i12即i齿）

选择适当Z1、m，使A尽可能靠近初定A’，使Z2=Z1*i12=整数（否则Z2无法加工）

m选用标准值0.20.250.30.4

对每一个m值适当选择1～2个Z1，使A接近A’，且Z1不小于17、Z2不能太大。

综合以上分析选取m=0.25,z=22

3.3.3算齿轮参数da、d、df

3.3.4修正连杆长度b

当用中心距A代替初定值A’后，曲柄回转中心O位置将略有改变，此时可重新计算连杆长度b，使O点与齿轮传动计算得的O点重合。

而a、e、0、k、=b/a均不需改变。

1）

求c（改变c’）：

OBO’中）

代入数据计算得到∠BO’O=32.4

C=26.85mm

2）

求b：

OBD中

∠BOD=84.6

b=27.05mm

3.3.5扇形齿轮扇形角

扇形齿轮回转中心即是曲柄的回转中心，

故扇形齿轮的工作转角即为曲柄的工作

转角g，可适当增大。

扇=g（1+25%）+2×2齿对应中心角

过载量，指针实际可转

角比工作转角大一些。

工作初始及满程结束时，

两边各多出2齿防脱角。

扇=18*1.25+4*360/330=26.86

3.4原理误差：

压力表弹簧管末端位移与指针转角应为线性关系。

由于在测量环节中采用了曲柄滑块机构，使转角与位移存在非线性误差，即为原理误差，应加以控制。

对应曲柄转角的理想位移

对应曲柄转角的实际位移

原理误差1％为合格

非线性度校验：

曲柄每转过2进行一次误差计算。

序

计算点

理想值

实际值

绝对值

相对值

1

-9

0

0

0

0

2

-7

0.2323

0.2306

0.0017

0.0831%

3

-5

0.4646

0.4626

0.002

0.0956%

4

-3

0.6969

0.6959

0.001

0.0478%

5

-1

0.9292

0.9285

0.0007

0.0335%

6

1

1.1615

1.1625

0.001

0.0478%

7

3

1.3938

1.3951

0.0013

0.0621%

8

5

1.6261

1.6284

0.0023

0.11%

9

7

1.8584

1.8604

0.002

0.0956%

10

9

2.091

2.091

0

0

由表知Δmax=0.11%1%，设计合格

3.5游丝设计

游丝是一种很细的弹簧。

通常以钢作为材质，盘绕在摆轮周围。

游丝有效长度的变化决定了摆轮的惯性力矩与振幅周期。

　　用金属细丝经冷轧、绕丝、定形而成的阿基米德螺旋状盘簧，是一种能产生反作用力矩的弹性元件（见平面蜗卷弹簧）。

游丝按用途可分为测量游丝和接触游丝，测量游丝有的用于各种测量仪表，借以产生弹性反作用力矩来平衡电磁力矩，达到测量电参数的目的；有的用于钟表,与摆轮组成振动系统，获得一定的振动周期,以达到精确计时的目的。

接触游丝则常用于百分表和千分表等仪表机构，其作用是使齿轮在传动时始终保持单向啮合，消除齿轮侧隙可能产生的传动空程。

游丝的技术要求为：

①具有给定的弹性特性；②较少的弹性迟滞现象；③较小的温度系数（热弹性系数）；④良好的防磁性能和抗蚀性能；⑤螺距相等；⑥游丝的重心应尽量与几何中心一致（对钟表游丝尤为重要）；⑦作导电元件时游丝材料要有较小的电阻系数。

游丝最常用的材料有锡青铜（如QSn4-3）和特殊合金如镍基合金Ni42CrTi。

锡青铜具有良好的加工性、较好的导电性、材料成本低，常用于电工及机械仪表中。

压力表中的游丝为接触游丝，其作用是消除空回，使齿轮始终保持单面接触。

由于齿轮轴存在摩擦力矩，所以在游丝安装时应给予一定的预紧力矩，使指针在零位时，在该最小安装力矩下，也能驱动传动链使齿轮保持单面接触，即使小齿轮跟随扇形齿轮（无论正转、反转）消除空回误差。

计算最小力矩Mmin

3.5.1Mfz的计算

Mfz为中心小齿轮及扇形齿轮的综合影响：

中心小齿轮支承上的摩擦力矩

Mfz2－扇形齿轮支承上的摩擦力矩；

I21－齿轮传动的传动系数；

－齿轮传动效率

将扇形齿轮的影响诱导至中心轴

Mfz的计算（续）说明

1估算重量;

小齿轮：

齿轮轴、指针（Al）、指针帽（Cu）

扇形齿轮：

齿轮轴、扇形齿轮（估算）

2连杆重量忽略；

3分析压力表水平放置、垂直放置两种情况，取其大者；

4近似计算，=0.9。

比重：

Cu8.59g/cm3Al2.49g/cm3

通过结构体积估算出小齿轮质量约为2g

扇形齿轮质量约为8g

1）中心小齿轮Mfz1的计算－取两者中大者参与后序计算

*压力表立放，轴水平

将轴及轴上零件总重都集中在一端轴颈上计算即可

当量摩擦系数，按未经研配计算

*压力表平放，轴立

查手册取f=0.16结构设计取d=2mm,d1=2mm,d2=4mm

利用以上公式代入数据得

轴水平Mfz1=0.005024N˙mm

轴立Mfz1=0.00498N˙mm

取大者则Mfz1=0.005N˙mm

2）扇形齿轮Mfz2的计算

取f=0.16d=2mm,d1=2mm,d2=4mm

轴水平Mfz2=0.0201N˙mm

轴立Mfz2=0.01992N˙mm

取大者则Mfz2=0.02N˙mm

3.5.2Mmin的计算

注意：

因为计算中需要知道零件的重量，故游丝设计必须在结构设计之后进行。

1.选定参数

1）工作角度最小工作转角1=/2M1=Mmin

最大工作转角2=2

2）工作圈数2n=10~14;<2n=5~10

建议n=8~10

3）宽厚比u=b/h接触游丝u=4~8，建议u=6

4）外径D1由空间结构定；

内径D2由轴定。

5）材料锡青铜QSn4-3

E=1.2105Mpa

强度极限b=600Mpa

安全系数S=2[b]=b/S=300Mpa

把Mfz1，Mfz2代入式中

其中i21=1/15η=0.9

得Mfz=0.338N˙mm

取安全系数K=2代入上式

求得Mmin=0.845N˙mm

3.5.3几何尺寸计算

1）初定长度

2）厚度圆整到0.01

3）宽度由圆整后的h计算

4）校核应力

一般情况下能满足要求，否则可改变宽厚比u。

5）最后确定L、n、a（圈间距）-圆整后的b、h

K-同时盘绕游丝个数－取整

由结构空间和轴选取D1=20mm，D2=4.5mm,取n=9，u=6，Фmin=π/2，

E=1.2105Mpa代入以上各式

经计算初定长度L=346.36mm

厚度h取整到0.01计算得h=0.24mm

宽度b=u˙h=6*0.24mm=1.44mm

校核应力Mmax=4Mmin=3.38N˙mm

σmax=6Mmax/（b˙h˙h）=244.5Mpa<[b]=300Mpa

校核满足要求

确定L=370.05mm

n=2L/π（D1+D2）=9.61

a=（D1-D2）/2n=0.806mm

k=a/h取整k=3

h=0.269mm

b=u˙h=1.614mm

第四章、课程设计总结

虽然本次课程设计的时间仅仅三周，但如今回头想一想，通过本次的课程设计，从中得到的收获还是非常多的。

在这伴随着许多门考试的紧张情况下，我的精密机械课程设计还是自认为圆满结束了！

因为这是大学以来的第一次课程设计，也是对大学以来所学知识的一次综合运用与实践，抱着这种心态，我将更多的时间和精力投入到课程设计中，充分利用好这个机会，让自己对所学知识有全面的提升。

在看过课程设计的要求与说明之后，由于理论知识的不足，再加上平时没什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，自己也不知从何处开始。

在经过老师的多次指导下，同时积极与同组的同学沟通交流，自己渐渐有了设计思路。

首先确定设计方案，然后列计划，按照计划进行。

之后，我去图书馆查阅了大量相关压力表设计需要的资料，包括压力表的介绍，所需各个零件的材料，和一些计算的参数。

在设计的过程中培养了我的综合运用机械设计课程及其他课程理论知识和解决实际问题的能力，真正做到了学以致用。

在此期间我和其他同学之间互相帮助，一起研究讨论课程设计过程中遇到的困难，培养了我们的团队精神。

在这些过程当中，我充分的认识到自己在理解知识和接收应用方面的不足，特别是自己系统的自我学习能力的欠缺，将来要进一步加强，今后的学习还要更加努力。

本次课程设计不仅对所学的课程知识有了更深入的理解和掌握，巩固了理论教学所学到的知识，更多的是一些实际设计过程中的所有的经验，包括一些细节问题，比如一个尺寸的计算没有注意，结果导致整个结构的数据需要全部重算。

最后，当然要再次感谢闫老师对于我的辛勤指导，我知道我的课程设计中可能还有许多地方有不足之处，希望老师对于我的设计提出宝贵的意见！

附：

ProE生成效果图