Устройство для динамических испытаний материалов

Класс 421, 20 Мв 62471 СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУЮ, И. Иориш УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВЗаявлено 23 декабря 1940 г. за39214(303920) в Наркомат но строительству СССР публнковано в Бюллетене нзобретеннй2 - 3 за 1943О 4- .ИЯуПредложенное 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. и. 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 прокладкои 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 величиныт.действующей на систему силы к получаемой скорости: г е=- 12 -Мо 62471 Техред А. Кудрявицкая Корректор Н. В, Гераськина Богатырев Реда изобретенва,д,4. ипографпя, пр. Сапунова,Поди. к пеп. 19 Ч 1 - б 4 г.Заказ 0933/2ЦНИИПИ Государств ертепьнт цасЭог Р Формат бум. 70Тираж 200 иного комитета по дела Москва, Центр, пр. Сер Объем 0,44 изд. л. Цена 5 коп,и открытий СССРВ частном случае колебательной системы с одной степенью свободы. = Ь+г "Щ --где: л т и К - параметры, характеризующие колебательную систему, -ее трение, масса и скорость, а - частота внешней силы.Динамический модуль упругости легко определяется, если известенмеханический импеданц.До сих пор, в отраслях промышленности, производящих перечисленные выше материалы, динамические модули упругости и механическиеимпеданцы исследовались очень поверхностно или вовсе не исследовались.В настоящее время, в связи с более тщательным испытаниемрезины, усиленным применением пластмасс в качестве заменителяметалла в движущихся частях механизмов и, наконец, развитием применения вибро- и звукоизолирующих прокладок в машиностроениивоенном и гражданском строительстве динамическими модулямиупругости и механическими импеданцами стали интересоваться, ачастично уже и заниматься, все лаборатории, исследующие перечисленные материалы и контролирующие их выпуск.Однако аппаратуры, которой можно было бы получить достаточноточные числовые величины импеданцев и динамических модулей, до сихФпор не имеется,За последние годы появилось только несколько научных работ иразработок конструкций приборов, в которых делались попытки восполнить этот пробел.Из них наиболее ценной, в смысле возможности практическогоиспользования результатов, был прибор Кастадони, но ряд крупныхнедостатков существенно снижал значение и этой работы.Вот ее краткое описание.Испытываемый материал укладывается в виде двух равных образцов а а. (фиг. 1) между полюсами двух сильных электромагнитов,Между образцами находится упруго подвешенный металлическийцилиндр М 21 см в поперечнике и 8 см высоты. На этот цилиндр наса 1,К ка 1.жены отрезки латунной трубки с двумя катушками А и 1 Катушкапитается электрическим током звуковой частоты. Взаимодействуяс магнитным полем нижнего электромагнита, эта катушка, а с ней и всясистема, состоящая из образцов, массы и катушки, расположеннойв 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 1., и наведенной в катушке 1,. при ее колебаниях,в магнитном зазоре.Как оказывается, знания этих э.д.с. и сдвига фазы между нимидостаточно для вычисления механического импеданца образцов прокладок.Во избежание непосредственной наводки э.д.с, из катушки 1., в катушку Е. коаксиально с ними, на кернах электромагнитов, расположены катушки: 1. включенная последовательно с катушкои ,включенная последовательно с катушкой 1 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 имитацииестественных условий работы прокладки), то между ооразцами и кернами вкладываются алюминиевые пластинки А и д. определенной тол62471шины. 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 пришлось сделать очень высокими. Таким образом, сила действует не непосредственно на массу цилиндра М, а через участок латунной трубы длиной почти в 30 мл. При скорости распространения колебания около 2000 м/сек (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 катушки 1. использован конденсаторный микрофон. Катушка Екоторая 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 помощью 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 меньший практический интерес.Необходимость знания достаточно точных значений параметров звукоизолирующих материалов заставила создать возможно более совершенный прибор для их измерения,Перед конструктором предлагаемого прибора были поставлены следующие основные задачи:1. Диапазон измерений от 5 до 2000 ггг.2. Статическая нагрузка на образцы до 60 кг/сл 2.3. Размеры цилиндрических образцов до 10 сл в поперечнике и до 10 сл 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 Мацудейра 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 направляющимися, по которым передвигаются электромагниты с противовесами.Основные размеры остова следующие: полная высота 1345 лл. нижнее основание 800(600;(200 лл, верхнее основание 700;400)(230 лл (высота дана вместе с кожухом 5), диаметр направляющих 60 лл, длина направляющих 010 лгл, расстояние между осями направляющих 550 ллг.Масса Л 1 (фиг. 6) отлита из электрона и имеет вид фасонного сдвоенного стакана с дном посередине цилиндрической поверхности. Дно для оолегчения имеет восемь выемок, стенки которых образуют радиальные ребра (фиг. 3. 5), С обеих сторон дна наложены и прикреплены тонкие стальные ди.ки, непосредственно прижимающиеся к испы. тываемым образцам.Катушки 1., - силовая и А - измерительная (фиг, 6) навиты на краях этого стакана Образцы а, и а вводятся в сквозное отверстие электромагнита и прижима,отся площадками Ь, и о. под давлением, передаваемым от гидравлического пресса, имеющего ручную и механическую подкачки с вентилем для автоматического поддерживания постоянного давления. Пол чается колебательная система с массой М и упругостями а, и а.Величина давления легко и точно измеряется по манометру гидравлического пресса,ь 1 тобы загружать устройство образцами, необходимо иметь возможность раздвигать электромап,иты. Так как вес каждого электромапшта достигает 170 кг, то для удобства манипулирования с ними пришлось применить противовесы, соединенные с электромагнитами (фиг, 3) трос- сами б, перекинутыми через систему блоков 7, находящуюся на верхней станине под железным кожухом б.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 один из магнитов на направляющих, можно очень точно подогнать другой магнит до нужной высоты. Керны электромагнитов сделаны достаточно широкими 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 пере62471движения магнитов, но нисколько не зависит от высоты стенок стакана, доведенной в устройстве до минимума.Обмотка начинается прямо с уровня дна, Т кая конструкция резко уменьшает возможность фазовых искажений на высоких частотах из-за большого пути распространения колебаний от катушки 1., к массе.11, 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 не совсем плоско-параллельны ч 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 катушки, намотанные на краях стакана, входят в узкие (0,6 с,и), но довольно длинные (3 см) зазоры электромагнитов, то при перекосах стакана возможны задевания и царапания.Для уменьшения перекосов прижимные площадки сделаны шарирчыми. Они представляют собой стальные сферические сегменты 11, тщательно притертые к основаниям 12.Перед началом измерений стакан зажимают в специально точно ,становленной обжимке, укрепленной на фланце нижнего электромагнита. Зажимая стакан, обжимка центрирует его довольно точно, так что стенки стакана, входящие в воздушные зазоры, нигде не задевают электромагнитов. Затем, поднятием поршня гидравлическсго пресса статическое давление, депствующее на прокладки, доводится до нужной величины. Таким образом, шарнирные площадки пршимают некоторое положение по форме образцов, с силой прижимаемых к закрепленному свиану, После эоо стакан освобождается от действия центрпрующей обжимки, и устройство готово к работе.Кроме описанного способа установки и центрирования стакана претусмотрен еще и другой, заключающийся в том, что стакан упруго подвешивается на трех стальных струнах, натянутых на железном треугольном остове, устанавливаемом на фланце нижнего электромагнта на месте обжимки. Системой регулировочных винтов и стрелочных указателей можно установить стакан с достаточной точносгью.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 площадки, навинчивающиеся на штоки вместо оснований 1 г.Так как условия зажатия прокладок в устройстве должны по воз.можности 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 тем 1 или иными поверхностями.Как и в большинстве бол е ранних работ, для предотвращения непосредственной наводки э.д.с, из катушки Е, в катушку Е 2, на верхних краях кернов электромагнитов навиты компенсационные катушки 1., и Ер, включенные соответств нно последовательно с 1., и 1. Для удоб(2) х =- Гмех где гмех - механический импеданц всей колебательной системы.В измерительной катушке г по закону электромагнитной индукции, будет наводиться е, = 0,1 ЧтДВх 10 - 8,(3) где; е 2 - э,д.с, в вольтах,У - число витков катушки,Д - диаметр этих витков, в лм,В, - индукция поля электромагнита С. в гс.Подставив (2) в (3) и учтя (1), получаем:1(5) После усилителя П (фиг. 7) получаем на его выходе1= м 2 = фТг 1гмех(6) где 1 г - коэффициент усиления усилителя П. 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 т. 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 выпрямитель- ными 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 Е, с .г., и Е 2 с Е 2 невелика, то на всю колебательную систему, состоящую из стакана с катушками и упругих прокладок, будет действовать только сила Р, определяемая действием магнитного поля электромагнита С на ток г обтекающий силовую катушку Е,. Таким образом,Р = 0,1 г 1 В,АИДУ 1 (1) где: Р - механическая сила в динах,- сила тока в катушке 1.1 в амперах,Р, - число витков этой катушки,Д - диаметр этих витков, в мм,В, - индукция поля электромагнита С 1 в гс,Под действием этой силы система придет в колебательное движение со скоростью:Для сравнения с этим напряжением с сопротивления снимаетсянапряжение1,=%,в (7)После усилителя 1 с коэффициентом усиления р, это напряжениеусиливается до Е,=рА=ц,Яг, в (8).Разделив (8) на (6), получим общий механический импеданц всейсистемы- А Е,(9) где: А=Т -Р.)Рлесть константа, если не меняются коэффициенты усиления и и р.На входах измерительных усилителей имеются безындукционные потенциометры, позволяющие уравнивать и и р. перед каждым измерением. Тогда коэффициенты усиления из (10) выпадают иЛ=у= - 10-о к Д Я 7, Р, В,В) (11) Если Е,=Е, е(12)Е =Е ед"+2 2то, добившись изменением Я, чтобы Е, = Е получим:А Е, Але= р Е. р- АТаким образом, модуль г, = - легко находится, если известны сопротивление Я и постоянная А, а угол р определяется с помощью какой-нибудь компенсационной фазовращающей схемы или по трубкеБрауна,Найденное этим способом г) получается в единицах СЮ, еслидругие величины выражать в тех единицах, которые указаны выше.Легко показать, что из этого общего механического импеданца всейсистемы нужно вычесть собственный импеданц установки, состоящий измассы стакана, упругости подвесов, прогибания деталей, трения, а также самоиндукции, емкости и сопротивления проводов и обмоток.Собственный импеданц так же, как и постоянная А, определяетсявычислением, или значительно точнее специальными измерениями.Предмет изобретенияУстройство для динамических испытаний материалов, путем возбуждения в них вибраций с заданной частотой, в котором свойстваматериала определяются по углу сдвига фаз между вибрациями исс.-.едуемого материала, и возбуждающими эти вибрации, электрическимиколебаниями, состоящее из электромагнита, между полюсами которогозажимаются испытываемые образцы с расположенной между ними массой, снабженной обмоткой для подачи на нее электрических колебаний,о тл и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью возможности в процессе испытания произвольно менять величину дополнительной статической нагрузкина подвергаемый вибрации образец, в средней части электромагнитаимеется сквозное отверстие, предназначенное для введения внутрь исследуемых. образцов, прижимаемых к возбуждающей вибрации массепри помощи пресса,