УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ДИСКА

Полезная модель относится к средствам обучения и может быть использована в учебном процессе для демонстрации колебаний диска.
Известна учебная установка для изучения колебаний конструкции, содержащая подпружиненный груз, установленный на основании, средство задачи колебаний при его перемещении и средство регистрации параметров колебаний (Афанасьев A.M., Марьин В.А. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. - М.: Наука, 1975, с. 112, рис. 71).
Наиболее близким по технической сущности решением является учебная установка для изучения колебаний конструкции, содержащая подпружиненный груз, установленный на основании, средство задачи колебаний при его перемещении и средство регистрации параметров колебаний, груз состоит из нескольких вертикально расположенных и связанных между собой посредством упругих связей секций, каждая из которых имеет телескопические направляющие с площадками, при этом средство задачи колебаний выполнено в виде установленного на основании и жестко связанного с нижней секцией груза вибровозбудителя, а средство регистрации параметров колебаний состоит из установленных на площадках каждой секции вибродатчиков и связанных с ними интегрирующих усилителей (Авторское свидетельство СССР №1196942, G09B 23/08, 1985).
Недостатком прототипа является ограниченность количества демонстрируемых режимов, в том числе, такого как, динамическое поведение турбины.
Задачей полезной модели является расширение наглядных возможностей при изучении особенностей динамического поведения турбины, обод диска которой имеет более высокую температуру, чем остальная часть.
Техническим результатом является возможность визуализации поведения турбины, диск которой имеет неравномерный по радиусу осесимметричный нагрев, и за счет этого в нем возникают температурные напряжения - сжимающие на периферии и растягивающие в средней части, изменяющие частоту собственных колебаний.
Сущность полезной модели заключается в том, что в учебной установке для изучения колебаний диска, содержащей груз, вибровозбудитель, средство регистрации параметров колебаний, груз выполнен в виде металлического диска с постоянными толщиной и радиусом, неподвижно закрепленного на штоке, с нижней стороны, около края которого с зазором, установлены кольцевой нагревательный элемент и вибровозбудитель, средство регистрации параметров колебаний представляет собой песочные фигуры, образованные из тонкого слоя сухого песка на лицевой поверхности диска.
Новизна заключается в том, что груз выполнен в виде металлического диска с постоянными толщиной и радиусом, неподвижно закрепленного на штоке, с нижней стороны, около края которого с зазором, установлены кольцевой нагревательный элемент и вибровозбудитель, средство регистрации параметров колебаний представляет собой песочные фигуры, образованные из тонкого слоя сухого песка на лицевой поверхности диска.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На фиг. 1 изображен общий вид учебной установки; фиг. 2а - узловые линии в форме концентрических колец; фиг. 2б - узловые линии в форме прямых, проходящих через центр диска; фиг. 2в - с узловыми окружностями и узловыми диаметрами - комбинированные колебания.
Учебная установка для изучения колебаний диска содержит металлический диск 1, неподвижно закрепленный в центре на штоке 2. Он имеет постоянную толщину, радиус и схематизирует диск рабочего колеса турбины. С нижней стороны, около края диска 1 с зазором, установлены кольцевой нагревательный элемент 3 и вибровозбудитель 4, выполненный в виде электромагнитного вибратора 5 в корпусе 6. Зазор между торцом вибратора 5 и плоскостью диска 1 регулируется при помощи рычага 7.
Электромагнитный вибратор 5 работает от переменного тока звуковой частоты, поступающего со звукового генератора 8 и усиленного усилителем мощности 9. Для устранения эффекта удвоения частоты возбуждающей силы электромагнита 5 по отношению к сигналу звукового генератора 8 в цепь включен диод 10. На лицевую поверхность диска 1 насыпан тонкий слой сухих песчинок 11.
Демонстрация колебаний диска на учебной установке производится следующим образом.
Во время работы на диск турбины действует сложный комплекс нагрузок, имеющих как постоянный, так и динамический характер воздействия. Причем даже постоянные во времени локальные нагрузки вызывают колебания вращающего диска. При совпадении частоты вынуждающей силы и частоты собственных колебаний диска возникает резонансный режим работы, способный привести к его разрушению. В зависимости от значения частоты могут возникать изгибные, крутильные и радиальные колебания. Наиболее низкое значение частот имеют изгибные колебания, характеризующиеся формой и количеством узловых линий, которые могут принимать вид точки, окружности и прямых, проходящих через центр диска различают колебания:
- с узловыми окружностями, при которых узловые линии имеют форму концентрических колец (фиг. 2а);
- с узловыми диаметрами, при которых узловые линии имеют вид прямых, проходящих через центр диска (фиг. 2б);
- с узловыми окружностями и узловыми диаметрами - комбинированные колебания (фиг. 2в).
Через n и q обозначено число узловых диаметров и число узловых окружностей соответственно.
Резонансные режимы и формы колебаний определяются визуально с помощью песочных фигур, для чего чистая поверхность диска 1 покрывается тонким слоем сухого песка 11 и плавно меняется частота вынужденных колебаний вибровозбудителя 4, изменением частоты звукового генератора 8.
При наступлении резонанса активность перемещения песчинок 11 по поверхности диска 1 существенно увеличивается. Через некоторый промежуток времени они собираются у узловых линий, выявляя место их расположения. При этом зазор между вибратором 5 и диском 1 должен быть минимальным и регулируется при помощи рычага 7, но обеспечивать безударные колебания.
При работе турбины обод диска имеет более высокую температуру, чем остальная часть, особенно в начальный период. Включают кольцевой нагревательный элемент 3. При таком неравномерном по радиусу осесимметричном нагреве в нем возникают температурные напряжения - сжимающие на периферии и растягивающие в средней части. Вследствие этого существенно меняется частота собственных колебаний. Эксперименты и расчеты показывают, что при таком неравномерном нагреве частота колебаний без узловых диаметров увеличивается, а с двумя и более узловыми диаметрами - уменьшается.
Предлагаемая учебная установка позволяет доходчиво и наглядно показать особенности динамического поведения металлического диска и турбины, диск которой имеет неравномерный по радиусу осесимметричный нагрев, и за счет этого в нем возникают температурные напряжения - сжимающие на периферии и растягивающие в средней части, изменяющие частоту собственных колебаний, а также сравнить их величины.