Импульсный силовозбудитель
IMPULSE ENERGIZER

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к динамическим испытаниям, конкретно - к импульсным силовозбудителям, и может найти применение при исследованиях образцов материалов, моделей сооружений и конструкций методом динамической фотоупгугости.
Известны импульсные силовозбудители, преобразующие высоковольтные кратковременные электрические импульсы, формируемые при разряде конденсаторной батареи через разрядник, в качестве которого использован электрически пробиваемый воздушный промежуток, либо газоразрядные лампы /игнитрон/ /см., например, а.с. СССР №1022625, кл. Н03К 3/53, 1981 [1]; а.с. СССР №1345320, кл. Н03К 3/53, 1986 [2]; Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. "Советское радио", 1974, стр. 141-151 [3]/, в мощные силовые импульсы давлений с помощью сил взаимодействия электромагнитных полей, содержащие подключенный к вышеуказанному источнику импульсов проводник, намотанный на каркас, соединенный активным захватом с исследуемым объектом, и магнит с полюсными наконечниками, размещенными с обеих сторон этого проводника /см. Агеев Н.П., Каратушин С.И. Механические испытания материалов при высоких температурах и и кратковременном нагружении. М., 1968, с. 158-160 [4]/.
Недостатками таких силовозбудителей является высокая сложность и громоздкость конструкций.
Известны также импульсные силовозбудители, содержание генератор импульсных токов в виде конденсатора, и разрядника, и петлевой разрядный контур, состоящий из одной петли, одна ветвь которой скреплена с нагружаемым объектом, а другая - с основанием /см. Метод фотоупругости., под ред. Хесина Г.А. т. 2, М., Стройиздат, 1975, с. 205-206 [5]/.
Недостатком данных силовозбулителей является ограниченная величина развиваемой импульсной силы, недостаточной для испытаний ряда объектов, что объясняется ограниченностью активной длины ветви в петлевом разрядном контуре, определяющей развиваемую силовозбудителем силу, длиной испытываемого объекта.
Кроме того, известны импульсные силовозбудители, содержащие генератор импульсных токов в виде конденсатора и разрядника, размещенный между основанием и испытываемым объектом многопетлевой разрядный контур, каждая пара соседних проводников которого разделена жесткой изоляционной прокладкой /см. а.с. СССР №714203, кл. G01M 7/00, G01N 3/30, 1977 [6]/.
Недостатком известных силовозбулителей является сравнительно низкая величина развиваемой импульсной силы, что объясняется использованием для создания расталкивающих электродинамических сил не всей ширины проводника в виде сплошной металлической ленты, а только ее активной части.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является импульсный силовозбудитель, содержащий генератор импульсных токов в виде конденсатора и разрядника, и размещенный между основанием и испытываемым объектом многопетлевой разрядный контур, проводники которого выполнены в виде плоских спиралей, электрически соединенных между собой параллельно и изолированных друг от друга жесткими изоляционными прокладками /см. а.с. СССР №968657, кл. G01M 7/00, G01N 3/30, 1981 [7]/, и принятый за прототип.
Недостатками устройства-прототипа является предельная сложность изготовления и сборки, специфичность индивидуального производства и сравнительно низкая надежность. Это объясняется необходимостью для обеспечения значительной величины развиваемой силы плотного заполнения проводниками рабочего объема промежутка между основанием и испытываемым объектом, то есть использования значительного числа расположенных близко друг над другом спиралей, и, соответственно, предельной сложности точной ориентации вдоль вертикальных осей одноименно расположенных проводников всех спиралей, введения между ними жестких изоляционных прокладок и т.п. Отклонения в точности выполнения вышеуказанных технологических и сборочных операций сводит на нет эффект увеличения развиваемой силы за счет использования системы спиралей.
Сущность изобретения заключается в создании предельно простой и надежной конструкции импульсного силовозбудителя за счет выполнения разрядного контура в виде системы типовых концентрично установленных витых цилиндрических пружин сжатия, имеющих возможность релейного сжатия до полного ударного смыкания витков при пропускании разрядного тока.
Технический результат-упрощение конструкции, процесса ее сборки и повышение надежности.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном импульсном силовозбудителе, содержащем генератор импульсных токов в виде конденсатора и разрядника, и размещенный между основанием и испытываемым объектом разрядный контур, состоящий из системы упругих токопроводящих элементов сложной геометрической формы, электрически соединенных между собой параллельно и изолированных друг от друга, особенность заключается в том, что элементы разрядного контура выполнены в виде набора концентрично охватывающих друг друга с радиальными зазорами витых цилиндрических пружин сжатия с изоляционным покрытием, закрепленных, своими концевыми витками с помощью центровочных выточек в опорных плоскостях на основании и платформе для размещения испытываемого объекта и имеющих возможность релейного сжатия до полного ударного смыкания витков при пропускании разрядного тока.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображена конструкция предлагаемого устройства с принципиальной схемой его работы /показаны два набора концентричных пружин, один из которых - с продольным разрезом/.
Импульсный силовозбудитель содержит генератор 1 импульсных токов, состоящий из конденсатора 2 и разрядника 3, и размещенный между основанием 4 и испытываемым объектом 5 разрядный контур 6, состоящий из системы упругих токопроводящих элементов 7 сложной геометрической формы /на рисунке показаны два таких элемента, соединенные между собой параллельно и изолированных друг от друга/. При этом каждый из элементов 7 разрядного контура 6 выполнен в виде набора концентрично охватывающих друг друга с радиальными зазорами витых цилиндрических пружин сжатия 8, 9, 10… /на рисунке показан набор элементов 7, состоящий из трех пружин/ с изоляционным покрытием, закрепленных своими концевыми витками на основании 4 и платформе 11 для крепления испытываемого объекта 5, снабженных центровочными выточками 12 в опорных для пружин 8, 9, 10… плоскостях. Пружины 8, 9, 10… имеют возможность релейного сжатия из ненагруженного состояния с исходными осевыми зазорами между витками /см. Андреева Л.E. Упругие элементы приборов. М., Машгиз, 1962, [8], стр. 134-135, фиг. 69б, фиг. 71в/ до полного ударного смыкания витков при пропускании через пружины 8, 9, 10… разрядного тока. Пружины, работающие на сжатие, по сравнению с другими типами пружин /см. [8]/, стр. 137/ конструктивно предельно просты, надежны в работе, дешевле в изготовлении. Их параллельное электрическое подключение к разрядному контуру 6, обеспечивающее в данном случае максимальную эффективность с точки зрения развиваемой импульсной силы /см. [7], стр. 4/ и синхронность срабатывания, практически осуществлено с помощью токоподводов 13, 14, пропущенных сквозь специальные отверстия 15, 16, соответственно, в основании 4 и платформе 11. Кроме того, в данной конструкции осуществлено и параллельное механическое соединение пружин 8, 9, 10… за счет их концентричного размещения с радиальными зазорами внутри друг друга, что, естественно, обеспечивает также максимальную эффективность в развитии силы с практически полным заполнением силоформирующими элементами рабочего объема между основанием 4 и платформой 11 с объектом 5. Осуществление полного сжатия витков пружин 8, 9, 10… с обеспечением именно ударного контакта витков также дает дополнительную возможность сформировать ударное воздействие с максимально возможной интенсивностью. При необходимости формирования силовозбудителем импульсов силы со строго заданной формой с исключением приоритета на мощность импульса выбором исходных осевых зазоров между витками пружин, амплитудой разрядного тока, жесткостью пружин и т.п., исключают ударное контактирование витков пружин, а заданную форму импульса обеспечивают необходимым подбором электрических параметров элементов 1, 2, 3 разрядного контура и механических параметров пружин 8, 9, 10…
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Конденсатор 2 генератора импульсных токов 1 при включении разрядника 3 начинает разряжаться через разрядный контур 6. Токи, текущие при этом через соседние в осевом направлении витки каждой из пружин 8, 9, 10…, удаленные друг от друга на осевой зазор порядка 1-2 мм, имеют одинаковые направления, что обуславливает возникновение результирующих сжимающих пружины электродинамических сил. При этом электродинамическое силовое взаимодействие между каждой парой соседних витков каждой из пружин происходит не по ограниченной активной части /см. [6]/, а по всей длине каждого витка, то есть практически по всей длине пружин. Причем, вследствие малой толщины пружины из стальной проволоки круглого сплошного сечения, для создания сжимающих сил здесь используется вся площадь сечения проволоки, а не ее ограниченная активная часть, как происходит в металлической ленте [6]. В радиальных направлениях взаимное влияние концентричных пружин 8, 9, 10… взаимно компенсируются, тем более, что эти пружины друг от друга радиальными зазорами на достаточную величину. Таким образом, в данной конструкции все витки каждой из пружин 8, 9, 10…, а также все пружины 7 совместно работают синхронно совместно на создание развиваемой силовозбудителем силы. Как уже было сказано выше, создание такой силы в устройстве-прототипе [7] путем практически полного заполнения пространства между основанием 4 и испытываемым объектом 11 расположенными рядом плоскими спиралями приведет к предельной сложности как самой конструкции, так и ее процесса сборки, а также к значительным технологическим проблемам по обеспечению размещения одноименных проводников спиралей точно друг под другом, низкой надежности. Осуществление при этом изоляции спиралей с поморью размещаемых между ними жестких, изоляционных прокладок при малых осевых зазорах между спиралями также представляет предельную сложность. Изоляция же витков винтовых пружин в предлагаемом устройстве с помощью наносимого на поверхность пружин в поцессе их изготовления специального лакового электроизоляционного покрытия отличается значительной надежностью, отработано и проверено многолетним серийным производством и эксплуатацией. Учитывая простоту, многолетнюю отработку процесса изготовления витых цилиндрических пружин сжатия, их технологичность и надежность, предлагаемое устройство должно обеспечить по сравнению с известным значительные преимущества.