Устройство для динамических испытаний материалов Советский патент 1943 года по МПК G01N3/38 

Предложенное устройство для динамических испытаний материалов предназначено для лабораторных исследований и определения динамических модулей упругости и механических импеданцев различных упруго-вязких материалов, например, резины, эбонита, пластмасс, асбеста, войлока, пробки, картона и т. п. путем возбуждения в них вибраций. Свойство того или иного материала определяют по углу сдвига фаз между вибрациями материала и возбуждающими эти вибрации электрическими колебаниями. Устройство снабжено электромагнитом и расположенной между его полюсами прокладкой с обмоткой для подачи в нее электрических колебаний и отличается тем, что электромагнит снабжен в средней части сквозным отверстием для введения внутрь исследуемого образца, прижимаемого к прокладке с помощью пресса, чтобы в процессе испытания можно было менять величину статической нагрузки на образец.

На фиг. 1 схематически изображен прибор Кастадони (продольный разрез), явившийся 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, понимается 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 определяется, если известен механический импеданц.

До сих пор, в отраслях промышленности, производяш,их перечисленные выше материалы, динамические модули упругости и механические импеданцы исследовались очень поверхностно или вовсе не исследовались.

В настояш,ее время, в связи с более тш;ательным испытанием резины, усиленным применением пластмасс в качестве заменителя металла в движущихся частях механизмов и, наконец, развитием применения вибро- и звукоизолирующих прокладок в машиностроении,, военном и гражданском строительстве динамическими модулями упругости и механическими импеданцами стали интересоваться, а частично уже и заниматься, 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 имеется.

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

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

Испытываемый материал укладывается в виде двух равных образцов HI, Со (фиг. 1) между полюсами двух сильных электромагнитов. Между образцами находится упруго подвешенный металлический цилиндр М, 21 см в поперечнике и 8 еж высоты. Иа этот цилиндр насажены отрезки латунной трубки с двумя катушками LI и Lv. Катушка LI питается электрическим током звуковой частоты. Взаимодействуя с магнитным полем нижнего электромагнита, эта катушка, а с ней и вся система, состоящая 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 колебаниях, в магнитном зазоре.

Как оказывается, знания этих э.д.с. и сдвига фазы между ними достаточно для вычисления 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, включенная последовательно с катушкой LI и Lg, включенная последовательно с катушкой L. Эти катушки, при соответствующем направлении витков, уничтожают непосредственную наводку. Размеры катушек взяты такими, чтобы испытывать образцы толщиной в 2 см. Если нужно подвергнуть материал давлению (для имитации естественных условий работы прокладки), то между образцами и кернами -вкладываются алюминиевые пластинки di и dz определенной толщины. После этого распределенные по наружному периметру обоймы электромагнита винты 5 завинчиваются, пока материал с подкладками не будет иметь толщину 2 см, т. е. пока обе половины электромагнита не соединятся плотно друг -с другом.

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

1.Неудачная конструкция прибора. Образцы зажимаются 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 распространения колебания 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.Конструкция прибора не позволяет производить измерения 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; вносится большой собственный импеданц, что делает неточным измерение мягких образцов.

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

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

7.Измерениям были подвергнуты лишь немногие материалы без указания стандартов, причем некоторые из них, имеющие лишь ограниченное распространение, не .представляют общего интереса.

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

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

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

Другие работы и приборы представляют еще меньщий практический интерес.

Необходимость знания достаточно точных значений параметров звукоизолирующих материалов заставила создать возможно более соверщенный прибор для их измерения.

- 3 -№ 62471

jYo 62471

Перед конструктором предлагаемого прибора были поставлены следующие основные задачи:

1.Диапазон измерений от 5 до 2000 гц.

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

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

4.Возможно большая мощность установки для получения макси мальной амплитуды колебания образцов.

5.Точность измерений до 5% измеряемой величины.

6.Максимальные удобства в обслуживании установки.

Как и прибор Кастадони, описываемое устройство имеет своим прототипом виброметр, сконструированный Нукияма и Д1ацудейра Однако конструкция устройства по изобретению и электрическая схема его значительно отличаются от описанных выше.

Остов устройства (фиг. 3-5) составляют два литых чугунных основания 1 и 2, скрепленные двумя трубчатыми колоннами 3 и направляющими 4, по которым передвигаются электромагниты с противовесами.

Основные размеры остова следующие: полная высота 1345 мм. нижнее основание 800X600X200 мм, верхнее основание 700 X 400 X X 230 мм (высота дана вместе с кожухом 5), диаметр направляющих 60 мм, длина направляющих 910 мм, расстояние между осями направляющих 550 мм.

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

Катушки LI - силовая и L. - измерительная (фиг. 6) навиты на краях этого стакана. Образцы а и «о вводятся в сквозное отверстие электромагнита и прижимаются площадками 6i и 6 под давлением, передаваемым от гидравлического пресса, имеющего ручную и механическую подкачки с вентилем для автоматического поддерживания постоянного давления. Получается колебательная система с массой М и упругостями а и ао.

Величина давления легко и точно измеряется по манометру гидравлического .

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

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

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

Обмотка начинается прямо с уровня «дна. Такая конструкиия резко уменьшает возможность фазовых искажений на высоких частотах из-за большого пути распространения 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 для прокладок (войлок, пробка, асбест, резина и т. д.) могут быть ие совсем плоско-параллельны и не совсем однородны, они могут содержать всякие загрязнения, твердые примеси и т. д. Поэтому, при зажимании таких прокладок между прижимными площадками неизбежны перекосы стакана. Так как катушхи, намотанные на краях стакана, входят в узкие (0,6 см), ио довольно длинные (3 см) зазоры электромагнитов, то при перекосах стакана возможны задевания и царапания.

Для уменьшения перекосов прижи1 шые илощадки сделаны шарнирными. Они представляют собой стальные сферические сегменты } 1, гцдательно притертые к основаниям 12.

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

Кроме описанного способа установки и центр фования стакана предусмотрен еще и другой, заключающийся в том, что стакан упруго подвешивается на трех стальных струнах, натянутых 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 центрирования, в собственный импеданц установки вносится добавочная упругость за счет подвесов и затрудняется загрузка образцов (остов с подвесками приходится каждый раз отвинчивать), но зато облегчается и, по-видимому, уточняется калибровка установки.

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

Так как условия зажатия прокладок в устройстве должны по возможности соответствовать естественным условиям работы прокладок, то для 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 деревянные. В зависимости от условий, можно по желанию производить измерения, устанавливая прижимные площадки и стакан с теми или иными поверхностями.

Как и в большинстве более ранних работ, для предотвращения нелосредственной наводки э.д.с. из катушки LI в катушку Lo, на верхних краях кернов электромагнитов навиты компенсационные катушки L/ и L./, включенные соответств(нно последовательно с LI и Lg. Для 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 порядка 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 всякого рода обратных воздействий.

Кроме описанных узлов, в устройство входит: насос с мотором для гидравлического пресса, выпрямитель для питания электромагнитов, два генератора электрических колебаний (для низких и более высоких частот), мощный усилитель с предварительным усилением и выпрямительными устройствами, два одинаковых измерительных усилителя и измерительная часть схемы с трубкой Брауна. Вся эта аппаратура не представляет из себя чего-либо оригинального, поэтому ее описание не дано. Лишь для уяснения работы устройства в целом приводится упрощенный вывод формул, по которым производится расчет механических импеданцев измерений, полученных с .помощью устройства.

Так как сила взаимодействия катушек LI с LI и La с невелика, то на всю колебательную систему, состоящую из стакана с катушками и упругих прокладок, будет действовать только сила F, определяемая действием магнитного поля электромагнита С на ток гь обтекающий силовую катушку LI. Таким образом,

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

где: F -механическая сила в динах,

/1 -сила тока в катушке LI в амперах, Wi - число витков этой катушки, Д - диаметр этих витков, в мм, BI - индукция 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 наводиться

e, 0,W.,(3)

где: е-2 - э.д.с. в вольтах,

W - число витков катушки,.

Д - диаметр этих витков, в мм ,

Ва - индукция поля электромагнита Cs в гс. Подставив (2) в (3) и учтя (1), получаем:

l(4)

Y - 10-10 . 2Д2 . w. W2- SjSa(5)

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

Е 0,2/2 и.2Т/1 -(6)

где |д. - коэффициент усиления усилителя «If.

Для сравнения с этим напряжением с сопротивления снимается напряжение

После усилителя / с коэффициентом усиления ni это напряжение усиливается до

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

На входах измерительных усилителей имеются безындукционные потенциометры, позволяющие уравнивать jj,i и ло перед каждым измерением. Тогда коэффициенты усиления 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 находится, если известны сопротивление R и постоянная А, а угол ф определяется с помощью какой-нибудь компенсационной фазовращающей схемы или по трубке Брауна..

Найденное этим способом г получается 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, состоящий из массы стакана, упругости подвесов, прогибания деталей, трения, а также самоиндукции, емкости и сопротивления проводов и обмоток.

Собственный импеданц так же, как и постоянная А, определяется вычислением, или значительно точнее специальными измерениями.

Предмет изобретения

Устройство для динамических испытаний материалов, путем возбуждения в них вибраций с заданной частотой, в котором свойства материала определяются по углу сдвига фаз между вибрациями исследуемого материала, и возбуждающими эти вибрации, электрическими колебаниями, состоящее из электромагнита, между полюсами которого зажимаются испытываемые образцы с расположенной между ними массой, снабженной обмоткой для подачи на нее электрических колебаний, отличающееся тем, что, с целью возможности в процессе испытания произвольно менять величину дополнительной статической нагрузки на лодвергаемый вибрации образец, в средней части электромагнита имеется сквозное отверстие, предназначенное для введения 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

Измерительная часть Фиг.