ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ ОТ ПИНЧ-ЭФФЕКТА ИМПУЛЬСНОГО ТОКА НА ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ



Получены экспериментальные результаты по динамическому эффекту пинч-действия тока. Разработана методика измерения пинч-напряжений - вибраций, создаваемых импульсами тока на модельных: плоских, сплошных цилиндрических и трубчатых образцах. Результаты исследований могут быть использованы при создании средств неразрушающего контроля металлических конструкций.

Ключевые слова: импульсы тока, пинч-эффект, вибрация, неразрушающий контроль.

Сплошные и трубчатые проводники, применяемые в технике в качестве токопроводящих элементов в мощных генераторах, трансформаторах и других электротехнических конструкциях испытывают значительные механические колебания, в том числе в условиях повышенных температур под действием пондеромоторных сил тока (пинч - эффекта). Обеспечение прочности таких элементов конструкций является актуальной задачей с точки зрения обеспечения безопасности.

Оценка вибрационной прочности токопроводящих элементов наряду с другими причинами требует также учета вибрационных эффектов, возникающих в самом проводнике как следствии скин-эффекта и пинч - эффекта . В основе пинч-эффенкта лежит взаимодействие импульсного тока проводника с вызванным им магнитным полем, приводящее к появлению в проводнике или в элементах машин, механических напряжений и колебаний напряжений с частотой следования импульсов тока. Согласно теоретическим оценкам величина возникающих механических напряжений и средний уровень сдвиговых механических напряжений в металле, обусловленных электродинамическим давлением магнитного поля тока ( пинч – эффект) пропорционален квадрату плотности тока и площади сечения проводника. Пинч-эффект при прохождении импульсов тока по проводникам можно фиксировать и исследовать с помощью пьезоэлектрических преобразователей – датчиков вибрации .

На рис.1 приведена схема установки (стенда) для измерения вибраций в сплошных и трубчатых образцах.

В качестве оценки вибрационного отклика на прохождения импульсного тока, выделялась максимальная амплитуда вибрации и определялось ускорения материала образца в радиальном и осевом направлениях.

При действие импульсов тока возникающие переходные процессы в моменты перехода от поверхностного распространения тока (скин - эффект) к действию радиальных сил сжатия (пинч-эффект), вызывают формирование наряду с радиальными ускорениями осевые ускорения, действующие на фоне температурного расширения в осевом направлении. Силы радиального сжатия при ограничении расширения в осевом направлении приводят к имплозии образца. Радиальное и осевое ускорения коррелированы между собой и достигают максимальной величины в момент окончания фронта импульса тока. После окончания импульса тока в образце наблюдается затухающий колебательный процесс связанный с распространением продольных виброакустических колебаний.

Измерения пинч-действия тока на плоских деформируемых образцах

Образцы испытывались на разрыв с записью зависимости величины растягивающей силы от времени. Образцы деформировались до разрушения, как без тока, так и при пропускании импульсов тока. Действие импульсного тока за счет пинч-эффект проявляется в первую очередь в направлении перпендикулярном плоскости образца (y), но на переходных режимах из-за рераспределения токов по сечению из-за скин-эффекта, имеются значительные силы и ускорения в продольном направлении (z).

Величина ускорений увеличивалась с ростом плотности тока.

Выводы:

1. Впервые получены экспериментальные результаты по динамическому эффекту пинч-действия тока;

2. Разработана методика измерения вибраций, создаваемых импульсами тока;

3. Установлено, что величину пинч-эффекта можно с высокой достоверностью фиксировать и исследовать с помощью пьезоэлектрических преобразователей акселерометров;

4. Увеличение статической нагрузки вызывает рост затухания колебательных процессов, вызванных действием импульсного тока;