УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ В МАТЕРИАЛЕ

Полезная модель относится к области испытательной техники, а именно к установкам для испытания материалов на внутреннее трение.
При деформации образца материала возникает внутреннее трение, которое обуславливает диссипативные потери энергии. Учет этих потерь необходим при расчете механизмов на виброустойчивость, при расчете измерительных колебательных систем, где потери энергии при колебаниях непосредственно определяют добротность этих систем.
Методы и применяемое оборудование для испытания материалов систематизированы в монографии Л.М. Школьника (Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. - М.: Металлургия, 1978. - 204 с.). Большинство установок используют циклическое нагружение образца, т.е. колебания в той или иной форме. Широко используются вынужденные колебания, когда устройство нагружения выполнено на основе электродвигателя (патент RU 2488804, опубл. 27.07.2013; патент RU 145586, опубл. 20.09.2014, Бюл. №26). В ряде случаев целесообразнее применять автоколебания (патент RU 108843, опубл. 27.09.2011, Бюл. №27).
Известные методы и установки для испытания материалов позволяют выявить параметры внутреннего трения косвенно, через уравнение движения, что приводит к большим погрешностям.
В описаниях к патентам установок-аналогов уравнения движения не приведены. Поэтому оценить сложность вычленения потерь на внутреннее трение можно по подобной измерительной колебательной системе - системе автоколебаний часов - см. Аксельрод З.М. Проектирование часов и часовых систем. - Л.: Машиностроение, 1981. - 328 с. На листе 194, формула (6.38), приведена нелинейная функция уравнения движения. На листе 184, верхняя формула, отдельно прописано слагаемое, отражающее внутреннее трение. Большое количество параметров нелинейной функции (каждый из которых определен с некоторой погрешностью) приводит к значительной погрешности определения искомого параметра.
В качестве прототипа принята установка для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс по патенту на полезную модель RU 100622 U1 МПК G01N 3/32, опубл. 20.12.2010, Бюл. №35. В прототипе устройство нагружения образовано колебательной системой в составе образца материала, выполняющего функцию упругого элемента, и магнитопроводного стержня, выполняющего функцию инерционного элемента. Колебательная система работает в режиме автоколебаний, для этого предусмотрены катушки освобождения и привода, соединенные с электронным ключом, связанным с источником тока электронного блока. Информационным параметром служит амплитуда колебаний.
В рассматриваемой установке, также как и установка-аналогах, внутреннее трение может быть выявлено из уравнения движения. Но уравнение движения содержит множество параметров, часть из которых являются функциями частоты и амплитуды. Поэтому при таком подходе невозможно получить приемлемую точность измерения.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности определения внутреннего трения в материале.
При этом решаются задачи:
1. Обоснование принципа (способа) определения внутреннего трения в материале.
2. Разработка основных технических решений по созданию установки для определения внутреннего трения в материале.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для определения внутреннего трения в материале, содержащей основание, устройство нагружения, активный и пассивный, установленный на основании, захваты, и электронный блок, устройство нагружения выполнено в виде маятника с технологическим подвесом, снабжено датчиком скорости и измерителем амплитуды. Датчик скорости выполнен в виде закрепленной на свободном конце маятника магнитной системы в составе магнитопривода и двух постоянных магнитов осевой намагниченности с образованием магнитного зазора в плоскости колебаний маятника, при этом в магнитном зазоре размещена неподвижная электрическая катушка симметрично положению равновесия маятника, а измеритель амплитуды составлен из установленного на маятнике зеркала, неподвижных осветителя, формирующего луч света с оптической риской, и шкалы, при этом элементы измерителя амплитуды ориентированы таким образом, что отраженный от зеркала луч осветителя высвечивает на шкале оптическую риску. В предлагаемой установке маятник выполнен в виде жесткого тела с расположенной в центре масс линзой в форме закрываемой емкости, снабжен добавочным грузами, помещаемыми в линзу, при этом добавочные грузы имеют форму не изменяющую положения центра масс маятника.
Устройство установки для определения внутреннего трения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена конструктивная схема установки; на фиг. 2 - устройство измерителя амплитуды; на фиг. 3 - форма петли механического гистерезиса; на фиг. 4 - огибающие амплитуд свободных колебаний, где зависимость 1 соответствует технологическому подвесу, зависимость 2 - образцу материала.
Принятые обозначения
1. Стержень
2. Линза
3. Добавочный груз
4. Магнитопровод
5. Постоянные магниты
6. Основание
7. Подвес
8. Электрическая катушка
9. Осветитель
10. Плоское зеркало
11. Шкала амплитуды
Установка состоит из устройства нагружения и электронного блока (на прилагаемых чертежах не показан). Устройство нагружения содержит датчик скорости и измеритель амплитуды. Электронный блок предназначен для электропитания измерителя амплитуды и обработки первичной информации.
доб
Устройство нагружения выполнено в виде массивного маятника, содержащего жесткую часть, составленную из стержня 1 и линзы 2. Линза представляет собой закрываемый объем, в котором помещаются добавочные грузы 3 массой m, без нарушения внешней поверхности. На конце стержня 1 закреплена магнитная система датчика скорости, составленная из магнитопровода 4 и двух постоянных магнитов 5 осевой намагниченности с образованием магнитного зазора в плоскости колебаний маятника. Жесткая часть маятника выполнена таким образом, что ее центр масс находится в центре 0 л линзы. Дополнительные грузы имеют форму дисков или шайб и их установка в линзу не изменяет положения центра масс жесткой части маятника.
а
В точке 0 основания 6 установки помещен пассивный захват. Активный захват установлен в точке 0 в верхней части стержня 1. В захваты устанавливается либо технологический подвес 7, либо образец материала.
и
В зазоре магнитной системы установлена в положении равновесия маятника неподвижная электрическая катушка 8. Катушка совместно с магнитной системой образует датчик скорости, поскольку индукционная ЭДС в соответствии с законом электромагнитной индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока. При колебаниях маятника индукционная ЭДС возникает в интервале угла поворота λ от одного касательного положения магнитного зазора до другого. Электронный блок формирует прямоугольный импульс длительностью t, соответствующей времени движения на угле λ.
Имеется измеритель амплитуды колебаний маятника оптического типа. В состав измерителя амплитуды входит неподвижный осветитель 9, который формирует луч света с оптической риской. На стержне маятника закреплено плоское зеркало 10. Отраженный от зеркала луч осветителя попадает на неподвижную шкалу 11. Пользователь будет наблюдать на шкале световое пятно с оптической риской. В амплитудном положении скорость перемещения светового пятна по шкале равна нулю, поэтому сопоставить положение оптической риски с делениями шкалы не представляет труда.
Обратимся к принципу определения внутреннего трения в материале. Будем рассматривать общий случай - образцы материала имеют разные типоразмеры. Воспользуемся методом моделей (Шарыгин Л.Н. Проектирование конкурентноспособных технических изделий: учебник. - Владимир: ВИТ-принт, 2013 - 209 с. ISBN 975-5-905894-48-0).
Принимам 1-ю физическую модель маятника в виде консервативной системы с технологическим подвесом удовлетворяющим условию
7-1
где m - масса технологического подвеса;
0
m - масса жесткой части маятника.
7-1
Положим также, что технологический подвес изготовлен с малой изгибной жесткостью D. Тогда восстанавливающий момент от силы тяжести окажется существенно больше от восстанавливающего момента от сил упругости технологического подвеса
Конструктивно технологический подвес, удовлетворяющий условиям (1) и (2) может быть изготовлен из материала с высоким значением предела пропорциональности и малым сечением, удовлетворяющим условию прочности, например из сплава Н41ХТА.
Для 1-ой физической модели консервативной системы, удовлетворяющей условиям (1) и (2), воспользовавшись методом Лагранжа при малых отклонениях φ маятника получим математическую модель в форме периода колебаний
где - g ускорение силы тяжести;
п
d, l - обозначены на фиг. 1.
7-2
Примем 2-ю физическую модель маятника в виде консервативной системы, в которой в качестве подвеса применен образец материала, имеющий статическую изгибную жесткость D. По аналогии для 2-й модели период колебаний будет равен
7-2
7-2
Для определенности заметим, что жесткость D это параметр закона Гука - см. функцию г-г на фиг. 3. D=tgα в размерностях координат и определяется при статическом нагружении.
Однако реальные системы являются нелинейными и диссипативными. В 1-й модели следует учесть потери энергии при колебаниях на вязкое трение (трение о воздух) с моментом
где h - коэффициент вязкого трения;
- угловая скорость.
и
Потерями энергии на образование сигнала датчика скорости можно пренебречь, т.к. потребляемый формирователем t электронного блока ток катушки 8 пренебрежимо мал.
доб
По вышеприведенному условию грузы m не изменяют форму маятника, поэтому для 2-й модели момент вязкого трения будет определятся по этой же формуле.
в
н
Но в диссипативной модели 2-й системы добавляется к моменту М момент М на внутреннее трение в образце материала
Вид функции (6) приведен на фиг. 3.
Интегральным показателем внутреннего трения в материале является площадь петли механического гистерезиса
Принцип выявления параметра (7) удобно пояснить по фиг. 4, где показаны огибающие амплитуд с технологическим подвесом - график 1 и с подвесом в виде образца материала - график 2 при условии
2ϕ
max
min
1ϕ
Графики наглядно показывают, что время движения Δt маятника при наличии суммарного (вязкого и внутреннего) трения на участке амплитуд ϕ-ϕ меньше, чем время движения Δt на том же участке при наличии только вязкого трения. Амплитудные графики фиг. 4 отражают потери энергии при колебаниях маятника в потенциальной форме.
и
Переходя к кинетическим энергиям получим для фиксированной амплитуды измерения ϕ за один период колебания
1
2
где I, I - соответственно моменты инерции маятника с технологическим подвесом и с подвесом из образца материала.
и
Значения угловых скоростей  определяются временем движения t на угле λ
С учетом формул (9), (10) получим
п
п
1
Формула (11) позволяет проектировать установки для разных типоразмеров образцов. В частном случае рабочая длина l одного типоразмера образцов постоянна. Тогда геометрические параметры установки: l, d, λ, R и момент инерции маятника I
1
0
п
2
I=m(d+l)
являются константами установки и могут быть записаны во флеш-память электронного блока.
Заметим, что коэффициент вязкого трения h зависит от формы маятника (постоянная величина) и плотности воздуха, которая является функцией барометрического давления и влажности.
Пользуются установкой для определения внутреннего трения в материале следующим образом.
1
и
и1
1. Устанавливают в захваты технологический подвес. Этому подвесу соответствует период колебания маятника Т. На измерительной амплитуде ϕ (20-30°) фиксируют в электронном блоке значение t.
доб
1
2
2. Устанавливают в захваты образец материала. Подбором добавочного груза m добиваются значения периода колебаний Т=Т. По причине неизахронности колебаний это равенство предпочтительно реализовывать при небольших амплитудах (несколько градусов).
доб
3. Заносят значения m во флеш-память электронного блока.
и
и
4. Фиксируют в электронном блоке первичный параметр t на амплитуде измерения ϕ.
5. Переводят электронный блок в режим вычисления по формуле (11), где
2
1
доб
п
2
I=I+m(d+д).
Результат измерения потерь энергии на внутреннее трение за один цикл (период) нагружения образца материала получают на индикаторе электронного блока.
Таким образом, предлагаемая установка для определения внутреннего трения в материале позволяет непосредственно выявить искомый параметр в единицах измеряемой величины, что обеспечивает необходимую точность определения внутреннего трения в материале. Установка конструктивно проста и не требует высокой квалификации оператора при проведении испытаний.