ГЛАВА VIII ОСНОВЫ ТЕОРИИ, РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ЧАСОВОГО БАЛАНСОВОГО РЕГУЛЯТОРА (1957 год)

ГЛАВА VIII ОСНОВЫ ТЕОРИИ, РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ЧАСОВОГО БАЛАНСОВОГО РЕГУЛЯТОРА (1957 год) - часть 1

1. ФОРМУЛЫ ПЕРИОДА КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА

Время, в течение которого баланс совершит одно полное колебание, называют периодом колебания.

Амплитудой колебания называют максимальный угол отклонения баланса от положения равновесия.

Величина периода обычно измеряется в секундах, а амплитуда — в градусах.

Число полных колебаний баланса за 1 секунду называется частотой колебаний.

Период Т и частота N связаны между собой отношением

2. НЕУРАВНОВЕШЕННЫЙ БАЛАНС

Возьмем баланс с осью (но без волоска) и положим его цапфами на две параллельных горизонтальных ножевых опоры. Если центр тяжести баланса не совпадает с осью его вращения, т. е. если баланс неуравновешен, то под влиянием силы тяжести он повернется, и центр его тяжести окажется внизу. Баланс примет положение устойчивого равновесия.

Если центр тяжести баланса находится на оси его вращения, т. е. баланс уравновешен, то будучи положен на ножевые опоры, он сохраняет то положение, в котором его положили. В этом случае

если баланс слегка повернут, он примет новое положение и в этом положении останется (положение безразличного равновесия).

Неуравновешенность баланса может, например, вызываться следующими причинами:

1) Обод баланса с одной стороны толще или шире, чем с другой, тогда центр тяжести баланса сместится к утолщенной стороне обода, и при проверке уравновешенности баланса на ножевых опорах утолщенное место обода окажется внизу.

2) С одной стороны в обод баланса ввинчены более тяжелые винты, чем с другой. Центр тяжести баланса смещен по направлению к более тяжелым винтам, и при проверке уравновешенности сторона баланса, в которую ввинчены более тяжелые винты, окажется внизу.

3) Баланс эксцентрично насажен на ось, т. е. центр баланса не совпадает с центром оси баланса. Центр тяжести будет смещен по направлению к центру баланса.

Ограничимся приведенными примерами, так как причин неуравновешенности баланса может быть очень много. Неуравновешенность баланса нарушает точность хода часов при проверке их в вертикальном положении.

Установлено, что нарушения хода часов, происходящие от неуравновешенности баланса, зависят от положения центра тяжести баланса и от величины амплитуды его колебаний.

Экспериментам и к. т. н. А. М. Торгова (НИИЧАСПРОМ) установлено, что уравновешивание баланса на ножевых опорах (балансовых весах) не может обеспечить удовлетворительного регулирования часового механизма, особенно в тех случаях, когда амплитуда колебания баланса падает ниже 180°.

Испытывая часы на ППЧ (прибор проверки хода часов) при горизонтальном положении оси баланса, находят два положения часов, при которых получается максимальная разница в ходе: положение I, при котором получено максимальное показание прибора, и положение II, при котором получено минимальное показание прибора.

На фиг. 95 III позицией А указана наиболее утяжеленная часть обода баланса. Известно, что нарушения хода часов, происходящие от неуравновешенности баланса, зависят от положения центра тяжести баланса и от величины амплитуды его колебаний. Например, при положении центра тяжести над осью баланса часы при амплитуде, меньшей 220°, будут спешить, при амплитуде 220° будут идти правильно и при амплитуде, большей 220°, будут отставать

Производя испытания часов на точность хода в вертикальных положениях и при различных амплитудах, можно обнаружить наличие неуравновешенности баланса и найти направление смещения центра тяжести баланса.

Приведенное выше пояснение дано для общего понимания вопроса, так как при серийном и массовом регулировании часов к таким наблюдениям прибегать практически невозможно и нужно стремиться к тому, чтобы заранее гарантировать качество регулирования путем предварительного и самого тщательного уравновешивания баланса на специальном приборе.

3. ВЛИЯНИЕ ИНЕРЦИИ СПИРАЛИ И ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ

До сих пор мы рассматривали колебания баланса, пренебрегая массой самой спирали. Однако теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что влияние массы спирали сильно сказывается на изохронизме баланса. Опуская подробности сложных математических выводов, приводим готовую формулу Э. Каспари зависимости периода колебания изолированного уравновешенного баланса хронометра, снабженного цилиндрической спиралью [19]:

Из этой формулы можно установить, что влияние инерции спирали в остальном одинаковых балансов возрастает: пропорционально массе спирали; пропорционально четвертой степени ее радиуса; пропорционально первой степени амплитуды баланса; обратно пропорционально квадрату длины спирали,

Необходимо отметить, что спирали с большим радиусом слишком отзывчивы на вибрации и под влиянием внешних толчков их витки могут переплетаться.

Практически всегда стремятся изготовлять спираль с возможно меньшей массой.

До сих пор мы рассматривали период колебания монометаллического баланса (со сплошным ободом), а следовательно не учитывали влияние центробежной силы. В компенсационном балансе (биметаллическом), обод которого разрезан на две части, центробежная сила во время колебания баланса увеличивает радиус кривизны обода, вследствие чего происходит увеличение периода колебания баланса при увеличении амплитуды колебаний.

4. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРИОДА КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА

В практической работе хронометристы пользуются следующими способами регулирования периода колебания баланса:

а) изменением J путем изменения массы баланса;

б) изменением J путем частичного смещения масс баланса;

в) изменением М путем изменения длины спирали.

а) Регулирование путем изменения массы баланса

Изменение массы баланса достигается заменой винтов балансов на более тяжелые или более легкие. Чтобы не нарушить при этом уравновешенность баланса, смена винтов производится в диаметрально противоположных частях баланса. Изменение периода колебаний баланса связано с изменением момента инерции формулой

Вместо смены винтов пользуются также методом подкладки шайб под винты.

б) Регулирование путем частичного смещения масс баланса

Этот способ характеризуется формулой

5. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОЛЕБАНИЕ БАЛАНСА

Формулы периода колебания баланса, приведенные нами выше, имели отношение к изолированному балансу, колеблющемуся совершенно свободно без воздействия на него в процессе колебания каких-либо внешних сил. В хронометрах или в часах баланс, будучи сопряжен с прочими частями механизма, фактически не является изолированным и потому подвержен действию внешних сил, отражающихся на его периоде колебания. Даже при прохождении дополнительных дуг, когда баланс не связан с прочими частями механизма, на него действуют силы трения. При прохождении же угла импульса и угла покоя на баланс, помимо сил трения, действуют дополнительные возмущающие силы.

В предыдущем объяснении предполагалось, что на систему баланс — спираль, отклоненную от положения равновесия, действует только восстанавливающая равновесие упругая сила спирали, зависящая лишь от положения системы. При этом условии запас энергии системы остается постоянным в течение всего процесса движения. Раз начавшись, движение не прекращается и происходит с неизменной амплитудой. В действительности же этого нет, механическая энергия расходуется на преодоление неизбежных сил сопротивления

движению. Действие этих сил сопровождается диссипацией (рассеянием) механической энергии системы.

Чтобы восполнить потерю энергии на преодоление моментов сил сопротивления, система баланс — спираль периодически получает импульсы от спускового колеса. При этом условии движение системы баланс — спираль становится колебательным движением при наличии сил сопротивления.

• Баланс в процессе работы спускового регулятора периодически находится под действием возмущающих сил (сила освобождения и импульс).

Возмущающие силы действуют на систему баланс — спираль в моменты, не совпадающие с равновесным положением системы, поэтому они вызывают изменение времени, потребного на прохождение амплитуды колебания.

Баланс, сопряженный с механизмом, имеет период колебания больший, чем у свободно колеблющейся системы.

Влияние возмущающих сил на период колебания баланса может быть изучено, исходя из следующих положений:

а) Мгновенные или постоянные силы, действие которых направлено от положения равновесия, замедляют эту часть колебания.

б) Влияние возмущающих сил тем больше, чем дальше баланс от положения равновесия и чем меньше амплитуда его колебаний.

в) Всякая сила, действующая на баланс в момент прохождения им положения равновесия, периода колебаний не изменяет.

Проф. Ф. В. Дроздов вывел следующую формулу суточной ошибки спускового регулятора часов:

На основании этой формулы он сделал следующее совершенно справедливое заключение.

Спусковой регулятор колебательной системы, работающей совместно со спуском, как правило, дает период колебания, зависящий от амплитуды, т. е. колебания системы не изохронны. Такое положение позволяет установить суточную ошибку хода, зависящую от конструкции спускового регулятора.

Можно считать установленным, что суточная ошибка хода, даваемая спусковым регулятором:

а) тем меньше, чем больше кинетическая энергия колеблющейся системы; б) тем меньше, чем меньше работа возмущающих сил во

время освобождения и импульса; в) тем меньше, чем больше амплитуда колебаний баланса или маятника.

Это положение представляет собой закон, которому подчиняется любой спусковой регулятор.

6. ВЛИЯНИЕ НА ИЗОХРОНИЗМ ХОДА ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ, ПРОВИСАНИЯ СПИРАЛИ, УГЛА ПРИТЯЖКИ

Опытами установлено, что вследствие трения даже теоретически правильно изготовленная зубчатая передача вызывает изменение амплитуды, а следовательно и порождает непостоянство периода колебаний.

В результате несовершенства технологического процесса изготовления колес, платин и мостов, часто искажаются профиль и размеры нарезанных зубьев, меняются расстояния между центрами, что приводит к сильному нарушению изохронизма. Причина этого заключается в непостоянстве передаваемого крутящего момента от двигателя к спусковому колесу. Особенно сильно изменяется величина момента сил при передаче трибами с малым числом зубьев, колесами, имеющими большой эксцентриситет, а также и при увеличенных расстояниях между центрами зацеплений.

Неровности зубьев, сближение центров приводят к заклиниванию колес, а также к резкому падению амплитуды либо к полной остановке механизма.

Известно, что к. п. д. зубчатой пары при эвольвентном зацеплении составляет 98,5%, а при циклоидальном корригированном зацеплении— 98,9%. Казалось бы, что ввиду почти равных величин к. п. д. выбор зацепления безразличен, тем не менее в приборах времени, где преобладают большие передаточные отношения, целесообразнее пользоваться циклоидальным зацеплением, так как при нем создается меньшая опасность заклинивания до линии центров вследствие так называемого входящего трения.

Опытами установлено, что при изменении положения часов с горизонтального на вертикальное происходит провисание спирали под влиянием веса спирали. При этом происходит смещение центра тяжести спирали вниз от оси вращения за счет того, что витки над осью сближаются, а под осью расходятся. Центр тяжести спирали непрерывно перемещается ввиду быстрого движения волоска и влияния инерционных сил.

Провисание спирали вызывает отставание часов.

Провисание спирали уменьшается: с сокращением диаметра спирали, с увеличением модуля упругости материала спирали, с возрастанием амплитуды колебаний баланса, с уменьшением удельного веса материала спирали, с увеличением толщины и уменьшением ширины спирали. При подборе спирали указанные положения необходимо учитывать.

Влияние угла притяжки на изохронизм проявляется следующим образом. В момент освобождения спусковое колесо вследствие наличия угла притяжки отбрасывается назад.

Чем быстрее происходят колебания баланса, а следовательно, быстрее совершается освобождение, тем на большее расстояние отбрасывается спусковое колесо. Чем больше угол притяжки, тем дальше отбрасывается спусковое колесо при освобождении.

В следующий момент после отхода назад спусковое колесо под действием заводной пружины устремляется вперед, зуб спускового колеса сообщает импульс балансу на большем или меньшем расстоянии от положения равновесия в зависимости от угловой скорости баланса. Нетрудно видеть, что величина импульса постоянно меняется, как в равной степени меняется и точка начала импульса, перемещаясь в ту или другую сторону.

содержание .. 11 12 13 14 ..