В процессе работы детали прибора в большей или меньшей степени деформируются. В большинстве случаев деформации деталей нежелательны, т. к. они могут нарушить правильность работы прибора. Например, деформации корпуса и рычагов механизма могут привести к изменению передаточного отношения, увеличению трения или люфтов в подвижной системе, искажениям в оптических системах и пр. Поэтому детали прибора конструируются обычно (по возможности) более жесткими.
Вместе с тем существует обширная группа деталей, деформации которых полезны и используются в работе прибора. Такие детали называются упругими элементами или пружинами. Обладая достаточной гибкостью, упругие элементы способны заметно изменять свои размеры и форму под нагрузкой, что является их основным рабочим свойством.
Для определения перспективности исследований УЧЭ необходим ответ на вопрос, сколь долговечно их применение для создания манометрических средств автоматизации. Не вытеснят ли приборы, конструируемые на базе УЧЭ, другие приборы, в основе которых будет лежать использование какого-либо другого физического или химического эффекта давления?
Ответ на этот вопрос может дать анализ эффектов, заменяющих УЧЭ и соответствующих технологий, позволяющих использовать эти эффекты. Анализ данных эффектов и их реализации, по данным зарубежной литературы, позволяет сделать вывод, что принципиальные возможности в этом отношении есть. Однако, как показывают отечественные исследования, на пути их реализации имеются значительные трудности, которые укрупненно по эффектам можно классифицировать следующим образом:
• Пьезоэффект связан с возникновением электрического заряда «в пластине или кристалле при обжатии их всесторонним давлением». Получаемый при этом электрический заряд весьма мал.
• Тензоэффект основан на способности некоторых элементов (манганиновая проволока, элементы из антимонида галлия и др.) изменять электрическое сопротивление при обжатии их всесторонним давлением.
• Хемотронный эффект основан на изменении электрических свойств элемента, представляющего собой химический раствор, за счет изменения его плотности под действием всестороннего давления.
Основные недостатки датчиков, построенных на базе перечисленных эффектов: малая мощность выходного сигнала, большая температурная погрешность, весьма сложная и специфическая технология изготовления.
Таким образом, для разработки датчиков, которые были бы построены на базе одного из перечисленных эффектов, необходимо решить три весьма сложные задачи: увеличение мощности выходного сигнала, компенсация температурной погрешности и упрощение технологии изготовления.
По всей вероятности, комплекс этих задач в ближайшее время будет решен не везде, поэтому средства управления и автоматизации этого типа найдут промышленное применение не во всех сферах.
И достаточно большой процент выпуска приборов контроля и автоматизации будет основан на применении УЧЭ.
Одной из причин неудовлетворительного качества упругих чувствительных элементов является недостаточное внедрение теории и расчета в практику конструирования в средства управления и автоматизации. Многие ответственные упругие элементы подбираются чисто опытным путем, что затрудняет поиски оптимального решения для данного упругого элемента.
Такое положение может быть отчасти объяснено отсутствием широкой информации о методах расчета упругих элементов. Фундаментальная монография В. И. Феодосьева, посвященная манометрическим упругим элементам, стала в настоящее время библиографической редкостью.
Выбор метода расчета упругого элемента определяется в основном его геометрической формой, величиной перемещений, при которых он работает, и желаемой точностью расчета.
В начале нагружения, когда изменение размеров упругого элемента еще незначительно, напряжения и перемещения возрастают прямо пропорционально нагрузке. В этом случае при расчете могут быть использованы принципы неизменности начальных размеров и независимости действия сил, значительно упрощающие расчет и широко принятые в сопротивлении материалов; поведение упругого элемента в области малых перемещений достаточно хорошо описывается линейной теорией.
С увеличением нагрузки форма и размеры упругого элемента могут изменяться так сильно, что приходится отказаться от принципа неизменности начальных размеров. В этом случае зависимость между перемещениями и нагрузкой становится нелинейной, что значительно усложняет расчет. Установить точно границы применения линейной и нелинейной теорий невозможно. В каждом конкретном случае вопрос решается в зависимости от поведения упругого элемента под нагрузкой и от той точности, которую требуется получить при расчете.
Теория упругих элементов довольно сложна, и их исследованию посвящено много работ. Одной из первых в этой области явилась книга С. Д. Пономарева, посвященная конструкциям и расчету винтовых цилиндрических пружин. Нелинейная теория винтовых цилиндрических пружин произвольного угла подъема изложена в трудах Н. А. Черышева. Основы теории манометрических упругих элементов – трубчатых пружин, сильфонов и мембран – разработаны в трудах В. И. Феодосьева. Кроме того, имеется большое количество статей в периодической литературе, в отчетах и трудах научно-исследовательских институтов, авторы которых внесли значительный вклад в теорию упругих элементов.
Однако на данный момент методы исследований УЧЭ, по-видимому, претерпят некоторые изменения. Появление новых изобретений в области УЧЭ, накопление большого экспериментального материала на предприятиях, а также развитие соответствующих разделов математики и механики, теории оболочек и статистики, а также бурная эволюция компьютерной техники ведут к появлению комплексных решений и поиску оптимальных конструкций УЧЭ по необходимым критериям.
