Способ определения гистерезисных потерь крутильной системой при повышенных температурах

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(ϕ₀/ϕ_n), где ϕ₀ - начальная амплитуда колебаний, ϕ_n - амплитуда после n полных колебаний. При определении величины ϕ_n 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.