Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой при повышенных температурах

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала в диапазоне температур до 360°С. Способ определения гистерезисных потерь в нитях подвеса крутильных систем, заключающийся в том, что после настройки положения равновесия крутильных систем задают начальную амплитуду колебаний, регистрируют амплитуды затухающих колебаний крутильных систем, определяют период колебаний, добротность системы и коэффициент гистерезисных потерь материала нити по логарифмическому декременту затухания. С целью расширения диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С нить подвеса пропускают через кварцевую трубку, на которую намотана спираль из нихрома. Через спираль пропускают ток от источника, выполненного в виде лабораторного автотрансформатора, измеряют добротность крутильных систем при различных температурах и периоды их колебаний. Температуру измеряют термопарой, чувствительная часть которой вводится внутрь трубки через небольшое отверстие, причем с повышением температуры ухудшаются упругие свойства материала нити подвеса, растет период колебаний, увеличиваются гистерезисные потери, снижается добротность крутильных систем. С учетом диаметра шара и периода колебаний крутильной системы вычисляют потери за счет вязкого трения подвешенного к нити шарового груза о воздух. После чего по добротности системы, ограниченной только внутренним трением в нити, определяют гистерезисные потери в нити подвеса. Технический результат - расширение диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технике определения физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала при крутильных колебаниях.

Известен способ измерения добротности струнных датчиков Q (а.с. №416571. Способ определения добротности струнных датчиков. // Приоритет изобретения 03.04.72). Коэффициент гистерезисных потерь С связан с добротностью соотношением C=π/Q. Способ обладает рядом несомненных достоинств, обеспечивает низкую погрешность измерений, но пригоден только для измерения гистерезисных потерь в вакууме на тонких нитях в диапазоне частот от 500 Гц до 20 кГц.

Более близким по своей сущности к заявляемому способу является способ определения гистерезисных потерь маятниковым трибометром (патент №2559120. Способ определения гистерезисных потерь маятниковым трибометром. // Приоритет изобретения 14.05.2014). Достоинство способа заключается в возможности проведения оперативных измерений в воздухе на различных материалах, изготовленных в виде плоских образцов. Измерения проводятся только на малых амплитудах при наклонах пятен контакта. Потери за счет вязкого трения о воздух сводятся к минимуму.

Его недостаток состоит в том, что шаровые опоры маятника могут контактировать только с плоскими образцами. При этом предполагается, что гистерезисные потери в опорах качения маятника существенно меньше, чем в испытуемых образцах.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу является способ определения гистерезисных потерь крутильной системой (патент РФ №2614647. Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой. // Приоритет изобретения 23.11.2015). Главное достоинство способа заключается в возможности проведения оперативных измерений в воздухе на нитях из различных материалов. Измерения проводятся только на малых амплитудах. Потери за счет вязкого трения о воздух сводятся к минимуму.

Его недостаток состоит в том, что измерения можно проводить только при комнатной температуре. Измерения при более высоких температурах не предусматриваются.

Задачей изобретения является проведение аналогичных измерений в воздухе в диапазоне температур от комнатной до 360°С на образцах, выполненных в виде длинных нитей. По-прежнему надо учитывать потери за счет вязкого трения о воздух подвешенного к нижнему концу нити крутильной системы рабочего тела. Поэтому приходится использовать нити большого диаметра. На них можно подвесить шаровые тела большой массы, при которых сохраняется примерно пятикратный запас прочности.

Поставленная цель достигается тем, что измерения проводят в диапазоне амплитуд от 2 до 30 мрад, когда при закручивании нити строго соблюдается закон Гука, а произведение максимального угла отклонения нити на ее диаметр, деленное на ее длину, не превышает безразмерную величину 30 ppm, т.е. 3⋅10-5.

Способ поясняется чертежом (фиг.), где 1 - указатель угла поворота, 2 - ручка поворота, 3 - подшипник, 4 - верхняя крышка, 5 - верхний зажим нити, 6 - стойка, 7 - нить подвеса, 8 - кварцевая трубка, 9 - спираль из нихрома, 10 - измеритель тока, 11 - измеритель напряжения, 12 - ЛАТР, 13 - головка термопары, 14 - индикатор термопары, 15 - нижний зажим нити, 16 - зеркало системы индикации, 17 - подвес груза, 18 - защитный экран, 19 - шаровой груз, 20 - установочный винт, 21 - основание крутильной системы, 22 - лазерный диод, 23 - платформа с микровинтом для настройки положения фотоприемников, 24 - блок двух фотоприемников, 25 - компаратор, 26 - компьютер, 27 - кварцевый генератор, 28 - программа управления, 29 - носитель информации.

Указатель 1 с ручкой поворота 2 позволяет контролировать угол поворота системы в подшипнике 3, укрепленном на верхней крышке 4. Верхний зажим 5 нити 7 связан с ручкой 2. На стойках 6 крепится верхняя крышка 4. Нить 7 проходит внутри прозрачной кварцевой трубки 8, на поверхность которой намотана спираль 9 из нихрома диаметром 0.4 мм. На спираль 9 через амперметр 10 от источника тока 12 подается регулируемое по амплитуде напряжение сети. Напряжение источника тока 12 контролируется вольтметром И. Температура внутри трубки 8 измеряется термопарой 13 с блоком индикации 14. Термопара 13 вводится внутрь трубки 8 через небольшое отверстие, что позволяет уменьшить погрешность при измерении температуры нити 7. К нижнему концу нити 7 зажимом 15 крепится зеркало индикации 16 и подвес груза 17. К подвесу груза 17 крепится размещенный внутри защитного экрана 18 груз 19. Установочные винты 20 основания 21 позволяют найти удобное для измерений положение крутильной системы. Луч лазерного диода 22 направляет на зеркало 16 луч света. После отражения от зеркала 16 луч попадает на блок фотоприемников 24. Они расположены на платформе 23 содержащей микровинт для настройки их положения. С фотоприемников 24 сигналы с пологими фронтами подаются на компаратор 25. Его импульсы поступают на входной порт компьютера 26. В компьютер 26 с программой 27 от внешнего генератора 28 вводится частота 5000 Гц. Результаты измерений фиксируются на носителе информации 29.

Для надежного измерения температуры термопару лучше всего разместить внутри трубки. Для этого в ней было просверлено небольшое круглое отверстие диаметром 2.5 мм. После успешного завершения операции термопара была введена в середину кварцевой трубки. При фиксированных значениях тока или напряжения была измерена температура. Оказалось, что при напряжении 250 В температура внутри трубки поднимается до 360°С. Этого вполне достаточно для проведения качественных измерений даже на тугоплавких материалах, поскольку не следует поднимать температуру выше 0.25 от точки плавления материала. В противном случае может произойти рекристаллизация материала, что осложнит проведение измерений.

Способ проверялся на длинных нитях из нихрома, вольфрама, молибдена, нержавеющей стали 1Х18Н9Т и меди. Поскольку измерения проводятся в воздухе, используются толстые нити, к которым подвешиваются грузы большой массы. При этом потери за счет вязкого трения о воздух сводятся к минимуму. Использовались шаровые тела массой от 0.786 кг до 8.0 кг. По массе тела М и его диаметру D определяют момент инерции J вокруг оси вращения. При шаровой форме тела J=MD2/10. Держат нить под нагрузкой. После значительного снижения скорости дрейфа положения равновесия задают начальную амплитуду колебаний. После затухания маятниковых качаний по амплитудам крутильных колебаний определяют период колебаний Т и добротность системы Q1=πn/ln(ϕ0n), где ϕ0 - начальная амплитуда колебаний, ϕn - амплитуда после n полных колебаний. При определении величины ϕn следует проконтролировать положение блока фотоприемников 24. В случае смещения положения равновесия крутильной системы вследствие дрейфа нити необходимо скорректировать микровинтом положение платформы 23. Отношение произведения ϕ0 на диаметр нити к ее длине не должно превышать 3⋅10-5.

Определяют крутильную жесткость нити k=4π2J/T2, модуль сдвига материала нити G=32kL/πd4, где L - длина нити, d - диаметр нити. С учетом коэффициента динамической вязкости воздуха μ=18.37⋅10-6 Па⋅с вычисляют добротность крутильной системы Q0=kT/(4πqμD3), g=1+ln(100/Т), ограниченную вязким трением подвешенного к нити тела диаметром D о воздух. При равномерном вращении шара или большом периоде колебаний q=1. Формула получена и проверена на базе экспериментов с крутильными системами. Находят добротность Q2=Q1Q0/(Q0-Q1), связанную с гистерезисными потерями в нити подвеса, и коэффициент гистерезисных потерь C=π/Q2. Погрешность определения Q0 не оказывает существенного влияния на величину Q2, поскольку Q0>Q1. С ростом периода колебаний Т погрешность определения Q0 уменьшается. Следует работать на длинных нитях при большом моменте инерции J подвешенного шара и периоде колебаний Т. В таблице приведены измерения на нихромовой нити. Малые гистерезисные потери в нити из нихрома затрудняют измерения, поскольку отношение Q0/Q2<1 при температурах до 200°С. При более высоких температурах погрешность измерения добротностей Q1 и Q2 уменьшается, что способствует более точному измерению коэффициента гистерезисных потерь С. При закручивании нити с ростом температуры повышается пластичность материала, увеличивается количество разрывов атомных связей вдоль линий дислокаций, которые ведут к необратимым потерям запасенной упругой энергии. При повышении температуры до 360°С период колебаний крутильной системы вырос на 0.593 с, то есть в 1.055 раза. При этом снизились крутильная жесткость нити, модуль сдвига материала, модуль Юнга, добротность системы Q1. Коэффициент гистерезисных потерь со значения 1.028⋅10-4 возрос до 29.528⋅10-4.

На нитях из вольфрама коэффициент гистерезисных потерь С со значения 2.196⋅10-3 возрос до 78.16⋅10-3.

На нитях из молибдена коэффициент гистерезисных потерь С со значения 3.812⋅10-3 возрос до 122.5⋅10-3.

Измерения на нитях из меди привели к аналогичным результатам, но имели более низкую погрешность измерений. Максимальная температура составила только 108°С. При этом коэффициент гистерезисных потерь со значения 8.588⋅10-3 возрос до 111.8⋅10-3.

Способ определения гистерезисных потерь в нитях подвеса крутильных систем, заключающийся в том, что после настройки положения равновесия крутильных систем задают начальную амплитуду колебаний, регистрируют амплитуды затухающих колебаний крутильных систем, определяют период колебаний, добротность системы и коэффициент гистерезисных потерь материала нити по логарифмическому декременту затухания, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С нить подвеса пропускают через кварцевую трубку, на которую намотана спираль из нихрома, через спираль пропускают ток от источника, выполненного в виде лабораторного автотрансформатора, измеряют добротность крутильных систем при различных температурах и периоды их колебаний, температуру измеряют термопарой, чувствительная часть которой вводится внутрь трубки через небольшое отверстие, с повышением температуры ухудшаются упругие свойства материала нити подвеса, растет период колебаний, увеличиваются гистерезисные потери, снижается добротность крутильных систем, с учетом диаметра шара и периода колебаний крутильной системы вычисляют потери за счет вязкого трения подвешенного к нити шарового груза о воздух, после чего по добротности системы, ограниченной только внутренним трением в нити, определяют гистерезисные потери в нити подвеса.



 

Похожие патенты:

Изобретения относится к области измерительной техники. Устройство содержит основание, на котором расположены шаговый двигатель с возможностью точной настройки угла поворота и блок управления и мониторинга с индикационной панелью.

Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению коэффициента трения скольжения при взаимном перемещении образцов. Сущность: образец одного материала изготавливают в виде цилиндрического стержня, а из второго материала изготавливают образец, состоящий из двух частей с плоскими рабочими поверхностями, которые прижимают с противоположных сторон к цилиндрической части стержневого образца перпендикулярными к его оси усилиями R, обеспечивающими необходимое давление на контактных поверхностях.

Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению коэффициента трения между образцами. Сущность: один из образцов, закрепляемый неподвижно, изготавливают с рабочей поверхностью, имеющей прямолинейную или вогнутую круговую форму.

Изобретение относится к области изучения трения при обработке металлов давлением, в частности к способам и устройствам для изучения коэффициента трения при пластической деформации.

Изобретение относится к измерительной технике для машиностроения, а именно к установкам для определения параметров трения кинематических пар. Установка для определения коэффициента трения содержит каретку с расположенной на ней исследуемой кинематической парой трения.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для определения коэффициента трения при пластическом деформировании листовых материалов в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении и других отраслях промышленности.

Настоящее изобретение относится к способу и системе (100) для оценки потенциального трения между шиной и поверхностью качения, согласно которым: строятся первая и вторая базовые кривые «трение контактного взаимодействия/кинематическая величина», соответственно соответствующие первой и второй опорным величинам μр1, μр2 потенциального трения, где μр2 > μр1; определяются первое и второе пороговые значения кинематической величины или первая и вторая пороговые величины трения контактного взаимодействия; определяется трение μ контактного взаимодействия между шиной и поверхностью качения; определяется текущее значение кинематической величины между шиной и поверхностью качения; определяется текущая рабочая точка, задаваемая трением μ контактного взаимодействия и текущим значением кинематической величины; текущее значение кинематической величины сравнивается с первым и вторым пороговыми значениями кинематической величины или соответственно трение μ контактного взаимодействия сравнивается с первой и второй пороговыми величинами трения контактного взаимодействия.

Устройство измерения коэффициента сцепления колес воздушных судов с покрытием взлетно-посадочных полос (ВПП) содержит несущую раму, опирающуюся на два несущих колеса, измерительное колесо, компьютерный пульт управления и индикации, независимый груз с рычагом, цепную передачу, тормозной генератор, датчик тока торможения, датчики угловых скоростей измерительного колеса и одного из несущих колес, систему автоматического управления скольжением измерительного колеса, независимую подвеску, пружинный амортизатор с демпфером, управляемый трехфазный выпрямитель переменного тока, нагрузочное сопротивление, тензометрическую систему, блок корреляции результатов измерения коэффициента сцепления покрытия с реальной характеристикой торможения колес приземляющегося воздушного судна.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для исследования коэффициентов трения покоя и движения кормов, в частности корнеклубнеплодов, о различные поверхности.

Настоящее изобретение относится к способам и устройству для анализа влияния трения на управляющие устройства для управления процессом. Согласно одному из способов анализа влияния трения на управляющее устройство, определяют первое усилие или крутящий момент, соответствующий трению управляющего устройства для управления процессом и устройства приведения в действие, функционально соединенного с указанным управляющим устройством посредством штока или вала, в ответ на первое усилие или крутящий момент определяют первую команду на приведение в действие указанного управляющего устройства посредством штока или вала для получения первой реакции устройства приведения в действие, и определяют второе усилие или крутящий момент, соответствующий трению управляющего устройства для управления процессом и устройства приведения в действие, и в ответ на второе усилие или крутящий момент определяют вторую команду на приведение в действие указанного управляющего устройства посредством штока или вала для получения второй реакции устройства приведения в действие.

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определении физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала в диапазоне температур до 360°С. Способ определения гистерезисных потерь в нитях подвеса крутильных систем, заключающийся в том, что после настройки положения равновесия крутильных систем задают начальную амплитуду колебаний, регистрируют амплитуды затухающих колебаний крутильных систем, определяют период колебаний, добротность системы и коэффициент гистерезисных потерь материала нити по логарифмическому декременту затухания. С целью расширения диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С нить подвеса пропускают через кварцевую трубку, на которую намотана спираль из нихрома. Через спираль пропускают ток от источника, выполненного в виде лабораторного автотрансформатора, измеряют добротность крутильных систем при различных температурах и периоды их колебаний. Температуру измеряют термопарой, чувствительная часть которой вводится внутрь трубки через небольшое отверстие, причем с повышением температуры ухудшаются упругие свойства материала нити подвеса, растет период колебаний, увеличиваются гистерезисные потери, снижается добротность крутильных систем. С учетом диаметра шара и периода колебаний крутильной системы вычисляют потери за счет вязкого трения подвешенного к нити шарового груза о воздух. После чего по добротности системы, ограниченной только внутренним трением в нити, определяют гистерезисные потери в нити подвеса. Технический результат - расширение диапазона температур при измерениях гистерезисных потерь в нитях подвесов от комнатной до температуры порядка 360°С. 1 ил., 1 табл.

Наверх