SU62471A1 - Устройство дл динамических испытаний материалов - Google Patents

Description

Предложенное устройство дл  динамических испытаний материалов предназначено дл  лабораторных исследований и определени  динамических модулей упругости и механических импеданцев различных упруго-в зких материалов, например, резины, эбонита, пластмасс, асбеста, войлока, пробки, картона и т. п. путем возбуждени  в них вибраций. Свойство того или иного материала определ ют по углу сдвига фаз между вибраци ми материала и возбуждающими эти вибрации электрическими колебани ми. Устройство снабжено электромагнитом и расположенной между его полюсами прокладкой с обмоткой дл  подачи в нее электрических колебаний и отличаетс  тем, что электромагнит снабжен в средней части сквозным отверстием дл  введени  внутрь исследуемого образца, прижимаемого к прокладке с помощью пресса, чтобы в процессе испытани  можно было мен ть величину статической нагрузки на образец.

На фиг. 1 схематически изображен прибор Кастадони (продольный разрез),  вившийс  одним из прототипов предлагаемого устройства; на фиг. 2 - продольный разрез прибора Баме; на фиг. 3 - поперечный разрез предложенного устройства; на фиг. 4 - вид его спереди; на фиг. 5 - вид сверху; на фиг. 6 - продольный разрез электромагнита предлагаемого устройства; на фиг. 7 - представлена схема соединений устройства с измерительными приборами.

Под механическим импеданцем, называемым еще полным механическим комплексным сопротивлением, понимаетс  отношение величины

действующей на систему силы к получаемой скорости: .: ТГ

№ 62471

В частном случае колебательной системы с одной степенью свободы т;,,, /г + / где: ft, m и К. - параметры, характеризующие колебательную систему,- ее трение, масса и скорость, со - частота внешней силы.

Динамический модуль упругости легко определ етс , если известен механический импеданц.

До сих пор, в отрасл х промышленности, производ ш,их перечисленные выше материалы, динамические модули упругости и механические импеданцы исследовались очень поверхностно или вовсе не исследовались .

В насто ш,ее врем , в св зи с более тш;ательным испытанием резины, усиленным применением пластмасс в качестве заменител  металла в движущихс  част х механизмов и, наконец, развитием применени  вибро- и звукоизолирующих прокладок в машиностроении,, военном и гражданском строительстве динамическими модул ми упругости и механическими импеданцами стали интересоватьс , а частично уже и заниматьс , все лаборатории, исследующие перечисленные материалы и контролирующие их выпуск.

Однако аппаратуры, которой можно было бы получить достаточно точные числовые величины импеданцев и динамических модулей, до сих пор не имеетс .

За последние годы по вилось только несколько научных работ и разработок конструкций приборов, в которых делались попытки восполнить этот пробел:

Из них наиболее ценной, в смысле возможности практического использовани  результатов, был прибор Кастадони, но р д крупных недостатков существенно снижал значение и этой работы. Вот ее краткое описание.

Испытываемый материал укладываетс  в виде двух равных образцов HI, Со (фиг. 1) между полюсами двух сильных электромагнитов. Между образцами находитс  упруго подвешенный металлический цилиндр М, 21 см в поперечнике и 8 еж высоты. Иа этот цилиндр насажены отрезки латунной трубки с двум  катушками LI и Lv. Катушка LI питаетс  электрическим током звуковой частоты. Взаимодейству  с магнитным полем нижнего электромагнита, эта катушка, а с ней и вс  система, состо ща  из образцов, массы и катушки, расположенной в зазоре верхнего электромагнита, приходит в вынужденное колебательное движение с частотой внешней силы, но с некоторым сдвигом фазы.

Все это может быть легко измерено при сопоставлении э.д.с., приложенной к катушке Lj и наведенной в катушке Lg при ее колебани х, в магнитном зазоре.

Как оказываетс , знани  этих э.д.с. и сдвига фазы между ними достаточно дл  вычислени  механического импеданца образцов прокладок .

Во избежание непосредственной наводки э.д.с. из катушки Lj в катушку La, коаксиально с ними, на кернах электромагнитов, расположень1 , катушки: L, включенна  последовательно с катушкой LI и Lg, включенна  последовательно с катушкой L. Эти катушки, при соответствующем направлении витков, уничтожают непосредственную наводку. Размеры катушек вз ты такими, чтобы испытывать образцы толщиной в 2 см. Если нужно подвергнуть материал давлению (дл  имитации естественных условий работы прокладки), то между образцами и кернами -вкладываютс  алюминиевые пластинки di и dz определенной толщины . После этого распределенные по наружному периметру обоймы электромагнита винты 5 завинчиваютс , пока материал с подкладками не будет иметь толщину 2 см, т. е. пока обе половины электромагнита не соедин тс  плотно друг -с другом.

Как указывалось выше, описанный прибор Кастадони имеет р д существенных недостатков. Вот некоторые из них:

1.Неудачна  конструкци  прибора. Образцы зажимаютс  над электромагнитами, поэтому стенки трубок с катушками прищлось сделать очень высокими. Таким образом, сила действует не непосредственно на массу цилиндра М а через участок латунной трубы длиной почти в 30 мм. При скорости распространени  колебани  около 2000 ж/се/с (латунь), уже при 750 гц, это вносит фазовую погрешность около 4°, и, таким образом, ограничивает по частоте область измерений сверху.

2.Конструкци  прибора не позвол ет производить измерени  образцов толще 2 см.

3.Масса корпуса прибора недостаточно велика по сравнению с массой колебательной системы (отношение 30: 1), поэтому весь корпус может тоже вибрировать.

4.Упругое закрепление цилиндра М толстой железной мембраной слишком жестко; вноситс  большой собственный импеданц, что делает неточным измерение м гких образцов.

5.Из-за несовершенства примененного в установке электрического компенсатора Ларсена, область измерений по частоте ограничиваетс  снизу 30 гц.

6.Измерение статической нагрузки на образцы, существенно вли ющей на величину механического импеданца, производилось очень примитивно , образцы после их испытани  в виброметре снова сдавливались до той же толщины в динамометре. Естественно, что это не дает никакой уверенности в правильности полученных результатов.

7.Измерени м были подвергнуты лишь немногие материалы без указани  стандартов, причем некоторые из них, имеющие лишь ограниченное распространение, не .представл ют общего интереса.

8.В более поздней очень тщательной работе Баме, вместо катущки La использован конденсаторный микрофон. Катушка LI, котора  питаетс  током звуковой частоты, находитс  в зазоре электромагнита (фиг. 2). К фланцу остова этой катушки прижимаетс  испытываемый образец. Фланец со своей внутренней стороны и пластинка е  вл ютс  обкладками конденсаторного микрофона, включенного в высокочастотную схему Риггера. Сопоставление э.д.с. внешней силы и тока, полученного в схеме Риггера, производитс  также с помошью конденсатора Ларсена. К сожалению, работа Баме не имеет почти никакой практической ценности, так как измерени м подвергались очень маленькие образцы материалов без посто нного добавочного давлени  при частотах свыше 100 гц.

Установка в целом носит исключительно лабораторно-уникальный характер и предназначена только дл  научных исследований.

Р д механико-оптических приборов, например Поппа, Корнфельда и других, очень мало точны.

Другие работы и приборы представл ют еще меньщий практический интерес.

Необходимость знани  достаточно точных значений параметров звукоизолирующих материалов заставила создать возможно более соверщенный прибор дл  их измерени .

- 3 -№ 62471

jYo 62471

Перед конструктором предлагаемого прибора были поставлены следующие основные задачи:

1.Диапазон измерений от 5 до 2000 гц.

2.Статическа  нагрузка на образцы до 60 кг/сл2.

3.Размеры цилиндрических образцов до 10 см в поперечнике и до 10 еж высоты.

4.Возможно больша  мощность установки дл  получени  макси мальной амплитуды колебани  образцов.

5.Точность измерений до 5% измер емой величины.

6.Максимальные удобства в обслуживании установки.

Как и прибор Кастадони, описываемое устройство имеет своим прототипом виброметр, сконструированный Нуки ма и Д1ацудейра Однако конструкци  устройства по изобретению и электрическа  схема его значительно отличаютс  от описанных выше.

Остов устройства (фиг. 3-5) составл ют два литых чугунных основани  1 и 2, скрепленные двум  трубчатыми колоннами 3 и направл ющими 4, по которым передвигаютс  электромагниты с противовесами.

Основные размеры остова следующие: полна  высота 1345 мм. нижнее основание 800X600X200 мм, верхнее основание 700 X 400 X X 230 мм (высота дана вместе с кожухом 5), диаметр направл ющих 60 мм, длина направл ющих 910 мм, рассто ние между ос ми направл ющих 550 мм.

Масса М (фиг. 6) отлита из электрона и имеет вид фасонного сдвоенного «стакана с «дном посередине цилиндрической поверхности. «Дно дл  облегчени  имеет восемь выемок, стенки которых образуют радиальные ребра (фиг. 3. 5). С обеих сторон дна наложены и прикреплены тонкие стальные диики, непосредственно прижимаЕощиес  к испытываемым образцам.

Катушки LI - силова  и L. - измерительна  (фиг. 6) навиты на кра х этого стакана. Образцы а и «о ввод тс  в сквозное отверстие электромагнита и прижимаютс  площадками 6i и 6 под давлением, передаваемым от гидравлического пресса, имеющего ручную и механическую подкачки с вентилем дл  автоматического поддерживани  посто нного давлени . Получаетс  колебательна  система с массой М и упругост ми а и ао.

Величина давлени  легко и точно измер етс  по манометру гидравлического .

Чтобы загружать устройство образцами, необходимо иметь возможность раздвигать электромагниты. Так как вес каждого электро.магнита достигает 170 кг, то дл  удобства манипулировани  с ними пришлось применить противовесы, соединенные с электромагнитами (фиг. 3) троссами 6, перекинутыми через систему блоков 7, наход щуюс  на верхней станине под железным кожухом 5.

Благодар  этим противовесам электромагниты могут быть легко установлены на любой высоте направл ющих 4 и закреплены винтовыми ручками 8, ст гивающими разрезные уши-муфты электромагнитов. Кроме того, оба электромагнита соединены винтовым вариатором 9 с воротом 10 фиг. 4).

Закрепл   поочередно одии из магнитов иа направл ющих, можно очень точно подогнать другой магнит до нужной высоты. Керны электромагнитов сделаны достаточно щирокими настолько, чтобы испытываемые образцы могли в них утапливатьс , а не выступать над электромагнитами , как у Кастадони. Благодар  этому толщина образцов может быть любой, что требует лишь достаточного хода поршн  пресса и передвижени  магнитов, но нисколько не зависит от высоты стенок стакана, доведенной в устройстве до минимума.

Обмотка начинаетс  пр мо с уровн  «дна. Така  конструкии  резко уменьшает возможность фазовых искажений на высоких частотах из-за большого пути распространени  колебаний от катушки Lj к массе М, как это было в приборе Кастадони.

Установка цилиндра М в устройстве оказалась очень трудной задачей . Дело в том, что испытываемые образцы дл  прокладок (войлок, пробка, асбест, резина и т. д.) могут быть ие совсем плоско-параллельны и не совсем однородны, они могут содержать вс кие загр знени , твердые примеси и т. д. Поэтому, при зажимании таких прокладок между прижимными площадками неизбежны перекосы стакана. Так как катушхи , намотанные на кра х стакана, вход т в узкие (0,6 см), ио довольно длинные (3 см) зазоры электромагнитов, то при перекосах стакана возможны задевани  и царапани .

Дл  уменьшени  перекосов прижи1 шые илощадки сделаны шарнирными . Они представл ют собой стальные сферические сегменты } 1, гцдательно притертые к основани м 12.

Перед началом измерений стакан зажимают в специально точно установленной «обжимке, укрепленной на фланце нижнего электромагнита . Зажима  стакан, «обжимка центрирует его довольно точно, так что стенки стакана, вход шие в воздушные зазоры, нигде не задевают электромагнитов. Затем, подн тием поршн  гидравлического пресса статическое давление, действующее на прокладки, доводитс  до нужной величины. Таким образом, шарнирные площадки принимают некоторое положение по форме образцов, с силой прижимаемых к закрепленному .лакану. После этого стакан освобождаетс  от .aeiiCTBim центрирующей «обжимки, и устройство готово к работе.

Кроме описанного способа установки и центр фовани  стакана предусмотрен еще и другой, заключающийс  в том, что стакан упруго подвешиваетс  на трех стальных струнах, нат нутых на железном треугольном остове, устанавливаемом на фланце нижнего электромагнита на месте «обжимки. Системой регулировочных винтов и стрелочных указателей можно установить стакан с достаточной точностью.

При этом втором способе центрировани , в собственный импеданц установки вноситс  добавочна  упругость за счет подвесов и затрудн етс  загрузка образцов (остов с подвесками приходитс  каждый раз отвинчивать), но зато облегчаетс  и, по-видимому, уточн етс  калибровка установки.

Кроме шарнирных .прижимных площадок предусмотрены обыкновенные плоские илощадки, навинчивающиес  на щтоки вместо «оснований 12.

Так как услови  зажати  прокладок в устройстве должны по возможности соответствовать естественным услови м работы прокладок, то дл  имитации различных поверхностей станин, балок и перекрытий, рабочие поверхности прижимных площадок вибратора и площадок стакана выполнены в нескольких вариантах: стальные полированные, стальные чисто обработанные, стальные грубо обработанные резцом и дерев нные. В зависимости от условий, можно по желанию производить измерени , устанавлива  прижимные площадки и стакан с теми или иными поверхност ми.

Как и в большинстве более ранних работ, дл  предотвращени  нелосредственной наводки э.д.с. из катушки LI в катушку Lo, на верхних кра х кернов электромагнитов навиты компенсационные катушки L/ и L./, включенные соответств(нно последовательно с LI и Lg. Дл  удоб- 5 -№ 62471

№ 62471- 6 -

ства намотки и перемотки компенсационных катушек верхние части кернов сделаны съемными.

Устройство монтировано на бетонный «верхний фундамент, который через резиновые прокладки соединен с мощным «нижним фундаментом , заложенным под полом.

Масса колебательной системы стакана М с прокладками пор дка 1,5 кг, а масса Остава с электромагнитами «верхним фундаментом около 3 г. Таким образом, соотношение масс -приблизительно 1:2000, у Кастадонии 1 :30. Такое соотношение гарантирует от вс кого рода обратных воздействий.

Кроме описанных узлов, в устройство входит: насос с мотором дл  гидравлического пресса, выпр митель дл  питани  электромагнитов, два генератора электрических колебаний (дл  низких и более высоких частот ), мощный усилитель с предварительным усилением и выпр мительными устройствами, два одинаковых измерительных усилител  и измерительна  часть схемы с трубкой Брауна. Вс  эта аппаратура не представл ет из себ  чего-либо оригинального, поэтому ее описание не дано. Лишь дл  у снени  работы устройства в целом приводитс  упрощенный вывод формул, по которым производитс  расчет механических импеданцев измерений, полученных с .помощью устройства.

Так как сила взаимодействи  катушек LI с LI и La с невелика, то на всю колебательную систему, состо щую из стакана с катушками и упругих прокладок, будет действовать только сила F, определ ема  действием магнитного пол  электромагнита С на ток гь обтекающий силовую катушку LI. Таким образом,

F Q,li,B,KMW,(1)

где: F -механическа  сила в динах,

/1 -сила тока в катушке LI в амперах, Wi - число витков этой катушки, Д - диаметр этих витков, в мм, BI - индукци  ПОЛЯ электромагнита Ci в гс.

Под действием этой силы система придет в колебательное движение со скоростью:

X . Л-(2)

где г„ех - механический импеданц всей колебательной системы.

В измерительной катушке Lo по закону электромагнитной индукции, будет наводитьс 

e, 0,W.,(3)

где: е-2 - э.д.с. в вольтах,

W - число витков катушки,.

Д - диаметр этих витков, в мм ,

Ва - индукци  пол  электромагнита Cs в гс. Подставив (2) в (3) и учт  (1), получаем:

l(4)

Y - 10-10 . 2Д2 . w. W2- SjSa(5)

После усилител  // (фиг. 7) получаем на его выходе

Е 0,2/2 и.2Т/1 -(6)

где |д. - коэффициент усилени  усилител  «If.

Дл  сравнени  с этим напр жением с сопротивлени  снимаетс  напр жение

После усилител  / с коэффициентом усилени  ni это напр жение усиливаетс  до

Разделив (8) на (6), получим общий механический импеданц всей системы есть константа, если не мен ютс  коэффициенты усилени  |jii и |д,2.

На входах измерительных усилителей имеютс  безындукционные потенциометры, позвол ющие уравнивать jj,i и ло перед каждым измерением . Тогда коэффициенты усилени  из (10) выпадают и

A Y -10-10- -Д--11 1-IJ a-fii-52(11) то, добившись изменением R, чтобы Ei Ez, получим: Г - . : - - . е

К Е. R

-А

Таким образом, модуль г„ех - легко находитс , если известны сопротивление R и посто нна  А, а угол ф определ етс  с помощью какой-нибудь компенсационной фазовращающей схемы или по трубке Брауна..

Найденное этим способом г получаетс  в единицах CGS, если другие величины выражать в тех единицах, которые указаны выше.

Легко показать, что из этого общего механического импеданца всей системы нужно вычесть собственный импеданц установки, состо щий из массы стакана, упругости подвесов, прогибани  деталей, трени , а также самоиндукции, емкости и сопротивлени  проводов и обмоток.

Собственный импеданц так же, как и посто нна  А, определ етс  вычислением, или значительно точнее специальными измерени ми.

Предмет изобретени 

Устройство дл  динамических испытаний материалов, путем возбуждени  в них вибраций с заданной частотой, в котором свойства материала определ ютс  по углу сдвига фаз между вибраци ми исследуемого материала, и возбуждающими эти вибрации, электрическими колебани ми, состо щее из электромагнита, между полюсами которого зажимаютс  испытываемые образцы с расположенной между ними массой , снабженной обмоткой дл  подачи на нее электрических колебаний, отличающеес  тем, что, с целью возможности в процессе испытани  произвольно мен ть величину дополнительной статической нагрузки на лодвергаемый вибрации образец, в средней части электромагнита имеетс  сквозное отверстие, предназначенное дл  введени  внутрь исследуемых , образцов, прижимаемых к возбуждающей вибрации массе при помощи пресса.

№ 6247

(7)

i tAi/i в(8).

Т - -Г9

мех -

Е,.

л т-(10)

PI

,.(12)

Е + f

& F А f

fZ

fZ

W

CI5j.:::

-.1 Г

::D

1

Фиг 4

Измерительна  часть Фиг.