Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой Российский патент 2017 года по МПК G01N19/02 

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 C 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.

Наиболее 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). Главное 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, но все же их следует опасаться при измерениях на образцах с малыми гистерезисными потерями. Практически исключаются потери за счет разрыва адгезионных связей.

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.

Задачей изобретения является проведение аналогичных измерений в воздухе на образцах, выполненных в виде длинных нитей в диапазоне диаметров от 100 до 600 мкм. В этом варианте потери на разрыв адгезионных связей отсутствуют в принципе, что упрощает измерение гистерезисных потерь. По-прежнему надо учитывать потери за счет вязкого трения о воздух подвешенного к нижнему концу нити рабочего тела весов. Поэтому приходится использовать нити большого диаметра, на которые можно подвесить большие массы.

Поставленная цель достигается тем, что измерения проводят в диапазоне амплитуд от 2 до 20 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 5 ppm, т.е. 5⋅10^-6.

Способ поясняется чертежом, где 1 - указатель угла поворота, 2 - ручка поворота, 3 - подшипник, 4 - верхняя крышка, 5 - верхний зажим нити, 6 - стойка, 7 - нить подвеса, 8 - нижний зажим нити, 9 - зеркало системы индикации, 10 - подвес груза, 11 - защитный экран, 12 - шаровой груз, 13 - установочный винт, 14 - основание крутильной системы, 15 - лазерный диод, 16 - платформа с микровинтом для настройки положения фотоприемников, 17 - блок двух фотоприемников, 18 - компаратор, 19 - компьютер, 20 - кварцевый генератор, 21 - программа управления, 22 - носитель информации.

Указатель поворота 1, связанный с ручкой поворота 2, позволяет контролировать угол поворота крутильной 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. К нижнему концу нити 7 зажимом 8 крепится зеркало индикации 9 и подвес груза 10. К подвесу груза 10 крепится размещенный внутри защитного экрана 11 груз 12. Экран 11 устраняет непосредственное воздействие воздушных потоков на груз 12. Установочные винты 13 основания 14 позволяют найти удобное для измерений положение крутильной системы. Луч лазерного диода 15 направляет на зеркало 9 луч света. После отражения от зеркала луч попадает на блок фотоприемников 17. Они расположены на платформе 16, содержащей микровинт для настройки их положения. С фотоприемников 17 сигналы с пологими фронтами подаются на компаратор 18. Его импульсы с крутыми фронтами поступают на входной порт компьютера 19, который завершает при этом измерение интервала времени, фиксирует его и начинает измерение нового. В компьютер 19 от внешнего стабильного генератора 20 вводится частота 5000 Гц. Малый интервал возникает при движении отраженного от зеркала весов луча света между фотоприемниками. Чем меньше величина малого интервала, тем больше амплитуда колебаний. Сумма четырех следующих друг за другом интервалов дает величину периода колебаний. Программа 21, введенная в компьютер 19, обеспечивает весь процесс измерений. Результаты измерений фиксируются на носителе информации 22.

Способ определения гистерезисных потерь механическим осциллятором проверялся на длинных нитях из разных материалов. С целью измерения внутреннего трения в испытуемых материалах при исключении контакта с другим телом выбирают осциллятор в виде крутильной системы. В ней на нити диаметром от 100 до 600 мкм и длиной порядка 1 м подвешивались шары разного диаметра, плотности и массы, при которых нить сохраняла примерно трехкратный запас прочности на разрыв. Использовались шаровые тела массой 0.786 кг (диаметр 57.3 мм, плотность 7.979 г/см³), 1.448 кг (диаметр 99.9 мм, плотность 2.765 г/см³), 4.186 кг (диаметр 98.3 мм, плотность 8.417/см³), 8.0 кг (диаметр 122 мм, плотность 8.414 г/см³). На толстой нити потери за счет вязкого трения подвешенного к ней шарового груза о воздух сводятся к минимуму. На длинной нити обеспечивается малое значение ξ=ϕ₀d_н/L, где ϕ₀ - начальная амплитуда колебаний, d_н - диаметр нити, L - длина нити. Оно не должно превышать величину 5⋅10^-6. 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 T и добротность системы Q₁=πn/ln(ϕ₀/ϕ_n), где ϕ_n - амплитуда после n полных колебаний. При определении величины ϕ_n следует проконтролировать положение блока фотоприемников 17. В случае смещения положения равновесия крутильной системы вследствие дрейфа нити необходимо скорректировать микровинтом положение платформы 16. Определяют крутильную жесткость нити k=4π²J/Т² и модуль сдвига материала нити G=32 kL/πd_н⁴. С учетом коэффициента динамической вязкости воздуха μ=18.37⋅10^-6 Па⋅с вычисляют добротность крутильной системы Q₀=kT/(4πqμd³), q=1+ln(100/T), 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. Использовались нити различной длины, что позволяло изменять жесткость нити подвеса, период колебаний и добротность системы. 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.

Таблица. Добротность Q₀, ограниченная вязким трением о воздух, добротность системы Q₁, добротность Q₂, связанная с внутренним трением в нити, коэффициент гистерезисных потерь С на нитях диаметром d_н из нихрома - №1, вольфрама - №2, молибдена - №3, меди - №4 длиной L, модулем сдвига G, жесткостью κ, нагрузке Р при массе М шара диаметром d, плотностью ρ, угле отклонения ϕ, периоде колебаний T, относительной деформации нити ξ.

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при определения физико-механических свойств материалов и, в частности, коэффициента гистерезисных потерь материала. Способ определения гистерезисных потерь в испытуемом образце механическим осциллятором заключается в том, что после настройки положения равновесия задают начальную амплитуду колебаний, регистрируют амплитуды затухающих колебаний осциллятора, при этом выбирают осциллятор в виде крутильной системы, в которой на нити диаметром от 100 до 600 мкм и длиной порядка 1 м подвешивают шаровое тело, при котором нить сохраняет примерно трехкратный запас прочности на разрыв, для снижения скорости дрейфа положения равновесия до начала измерений держат нить подвеса под нагрузкой, задают начальную амплитуду колебаний, после затухания маятниковых качаний по амплитудам крутильных колебаний измеряют период колебаний T и добротность системы Q₁=πn/ln(ϕ₀/ϕ_n), где ϕ₀ - начальная амплитуда колебаний, при которой отношение произведения ϕ₀ на диаметр нити к ее длине не превышает 5⋅10^-6, ϕ_n - амплитуда после n полных колебаний, вычисляют определяемую вязким трением подвешенного к нити тела диаметром d о воздух добротность Q₀=kT/(4πqμd³), k=4π²J/T² - крутильная жесткость нити, J - момент инерции вокруг оси вращения, μ - коэффициент динамической вязкости воздуха, q=1+ln(100/T), определяют добротность системы Q₂=Q₁Q₀/(Q₀-Q₁), обусловленную гистерезисными потерями в нити подвеса, и коэффициент гистерезисных потерь C=π/Q₂. Технический результат – упрощение измерение гистерезисных потерь. 1 ил., 1 табл.

Способ определения гистерезисных потерь в испытуемом образце механическим осциллятором, заключающийся в том, что после настройки положения равновесия задают начальную амплитуду колебаний, регистрируют амплитуды затухающих колебаний осциллятора, отличающийся тем, что с целью измерения внутреннего трения в испытуемых материалах при исключении контакта с другим телом выбирают осциллятор в виде крутильной системы, в которой на нити диаметром от 100 до 600 мкм и длиной порядка 1 м подвешивают шаровое тело, при котором нить сохраняет примерно трехкратный запас прочности на разрыв, для снижения скорости дрейфа положения равновесия до начала измерений держат нить подвеса под нагрузкой, задают начальную амплитуду колебаний, после затухания маятниковых качаний по амплитудам крутильных колебаний измеряют период колебаний T и добротность системы Q₁=πn/ln(ϕ₀/ϕ_n), где ϕ₀ - начальная амплитуда колебаний, при которой отношение произведения ϕ₀ на диаметр нити к ее длине не превышает 5⋅10^-6, ϕ_n - амплитуда после n полных колебаний, вычисляют определяемую вязким трением подвешенного к нити тела диаметром d о воздух добротность Q₀=kT/(4πqμd³), k=4π²J/T² - крутильная жесткость нити, J - момент инерции вокруг оси вращения, μ - коэффициент динамической вязкости воздуха, q=1+ln(100/T), определяют добротность системы Q₂=Q₁Q₀/(Q₀-Q₁), обусловленную гистерезисными потерями в нити подвеса, и коэффициент гистерезисных потерь C=π/Q₂.