9. ИСПЫТАНИЕ ЧАСОВЫХ ВОЛОСКОВ (СПИРАЛЕЙ)

ГЛАВА VIII ОСНОВЫ ТЕОРИИ, РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ЧАСОВОГО БАЛАНСОВОГО РЕГУЛЯТОРА (1957 год) - часть 3

9. ИСПЫТАНИЕ ЧАСОВЫХ ВОЛОСКОВ (СПИРАЛЕЙ) - 1957 год

При испытаниях спиралей определяют их форму, самокомпен-сирующие свойства и крутящий момент.

Правильность формы закручивания спирали проверяется при 20- или 50-кратном увеличении путем сличения с проекторным чертежом волоска. Разность в шаге видна на «просвет».

Самокомпенсирующие свойства определяются путем испытания часов или хронометров в тепловых и холодильных камерах. При этих испытаниях определяют при температурах 32, 18 и 4° С суточный ход хронометров или часов.

Степень фиксации спирали проверяется путем укорачивания внешнего витка на часть оборота до того момента, пока спираль не войдет в свой барабан без всякой деформации. Величина укорочения показывает, что волосок фиксирован на 1/10, 1/5 оборота и т. д.

Получение стабильного модуля упругости материала волоска чрезвычайно важно, ибо непостоянство модуля упругости при прочих неизменных условиях сильно сказывается на изохронизме колебаний.

В качестве примера, подтверждающего сказанное, приведем поверочный расчет волоска радиомаячных часов. Расчетная формула максимального напряжения:

Период колебаний баланса будет

Этот расчет показывает, что при перемене материала спирали необходимо пересчитать ее размеры.

10. НАПРАВЛЕНИЯ В КОНСТРУИРОВАНИИ КОМПЕНСАЦИОННЫХ БАЛАНСОВ

До настоящего времени не удается наладить производство элинвара с неизменными термоэластическими коэффициентами не только

при повторных плавках, но даже и в пределах одной партии спиралей, получаемых от одной плавки. Поэтому возникает потребность в балансе особой конструкции, позволяющей регулировать его компенсационные свойства. Однако сложность изготовления биметаллического баланса, его чувствительность к магнетизму, сложность регулировки и слабая коррозионная

устойчивость настоятельно диктуют применение монометаллического баланса. Простой монометаллический баланс в паре с элинварным волоском не дает достаточно удовлетворительной компенсации. Температурная ошибка хода в 0,5—2,5 сек. на 1°С при современных требованиях к точности хода часов, работающих в большом интервале температур, не может быть признана удовлетворительной. Поэтому понятны попытки часовщиков создать конструкции балансов, компенсационные свойства которых можно было бы регулировать.

Так, например, была разработана конструкция баланса с приставными биметаллическими дугами (фиг. 99), которая отличается тем, что к неразрезному латунному ободу баланса привинчиваются короткие биметаллические дуги с передвижными грузиками.

Регулировка компенсации баланса такого типа достигается перемещением винтов-грузиков вдоль биметаллических дуг, изменением числа этих винтов и сменой более легких винтов на тяжелые. Так

как в этом балансе 88—90% момента инерции создается за счет жестких его частей (обод, перекладина и пр.) и лишь 12—10% — за счет компенсационных дуг и грузиков, то тем самым устраняется влияние центробежной силы, однако чувствительность такого баланса к магнетизму ограничивает возможности его применения.

Фиг. 99. Баланс с при ставными биметалли ческими дугами.
Фиг. 100. Анизотропный баланс.

Другим направлением разрешения проблемы регулирования компенсационных свойств баланса было создание дифференциального баланса. Для обода и перекладины дифференциального баланса применили два различных металла с совершенно разными коэффициентами линейного расширения. Конструктивно дифференциальные балансы были оформлены в двух вариантах:

а) Баланс разрезной, образованный перекладиной из одного металла с двумя прикрепленными к ней полукольцами из другого металла.

б) Баланс, имеющий сплошной обод из одного металла и перекладину из другого металла.

В целях обеспечения требуемой компенсации посредством дифференциального баланса необходимо, чтобы разница в коэффициентах линейного температурного расширения материалов перекладины и обода составляла не меньше 20*10^-6.

Комбинация инвара с материалом, имеющим термическое удлинение, равное приблизительно 20*10^-6

(латунь, алюминий), дает возможность изготовить такие балансы, но практически долго не удавалось получить удовлетворительные результаты компенсации таким методом, так как элинвар оказался неподходящим материалом для волосков дифференциального баланса. Лишь в последние годы стали с успехом применять дифференциальный баланс в хронометрах.

В 1930 г. была предложена компенсация неразрезного монометаллического баланса посредством термической анизотропии. Путем специальной обработки сплава цинка с кадмием (цинк 80% и кадмий 20%), также цинка с медью (цинк 97% и медь 3%) были получены пластинки, обладавшие различными температурными коэффициентами линейного расширения по различным направлениям, т. е. обладавшие анизотропией температурного расширения. Был построен соответствующий монометаллический дифференциальный компенсационный баланс.

Анизотропный баланс (фиг. 100) изготовляется так же, как и обычный монометаллический баланс. При этом необходимо, чтобы направление, по которому имеется наибольшее значение коэффициента удлинения, было бы параллельно перекладине.

С помощью специальной обработки обода баланса достигается такая ориентировка кристаллитов материала обода, при которой коэффициент расширения материала обода баланса, по направлению, перпендикулярному перекладине, получается минимальным.

Этот баланс в сочетании со спиралью, изготовленной из сплава никель 43,4%, титан 1,6 --- 6%, хром 5,49% и марганец 0,65%, обладает хорошими компенсационными свойствами.

В целях повышения регулирующей способности баланса увеличивают его момент инерции. При одинаковых габаритах баланса, если сделать обод с выступами между винтами, как это показано на фиг. 101, момент инерции можно увеличить на 20—25%.

11. ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НА ТОЧНОСТЬ ХОДА ЧАСОВ И ХРОНОМЕТРОВ

Для обслуживания астрономо-геодезических работ, проводимых в Средней Азии, Арктике, Сибири, на Дальнем Востоке, для нужд авиации дальнего действия, стратосферных полетов, метеорологической службы и т. п. требуются приборы времени, работающие при очень высоких и низких температурах.

Чтобы не получилось заклинивания подвижных частей механизма за счет изменения линейных размеров стальных (оси) и сопряженных с ними латунных деталей (платины, мосты), необходимо обеспечить оптимально-гарантийные зазоры.

Если латунь имеет коэффициент линейного расширения 0,0000185, а сталь 0,0000115, то разница в коэффициентах будет 0,000007.

При изменении температуры от +20° С до —60° С произойдет относительное сжатие осей на 0,56 10_6. Это обстоятельство нужно учитывать при проектировании часов и хронометров.

Данные температурных испытаний хронометров позволяют сделать следующие выводы

1. Хронометры, имевшие хорошие ходовые качества при нормальных температурах, имеют относительно неплохие показатели хода при низких температурах.

Опыты показывают, что незначительные пертурбации хода хронометров в нормальных температурах приводят к значительным отклонениям хода при низких температурах. Одним из главных показателей нарушения изохронизма при температурных испытаниях является изменение величин вторичной ошибки и температурного коэффициента хронометра.

Причина непостоянства температурной компенсации, по-видимому, кроется не только в изменении модуля упругости материала спирали, но и в деформации самой спирали.

2. При температуре до —30° С почти все хронометры работают относительно хорошо. При температуре ниже —30° С хронометры с анкерными спусками начинают отказывать в работе ввиду того, что увеличение вязкости масла на них влияет сильнее, чем на хронометры с пружинными спусками. Причина такого явления объясняется тем, что между балансом и анкерным колесом в анкерных спусках имеется промежуточный орган (анкерная вилка), в котором смазываются как цапфы, так и палеты.

Палеты необходимо смазывать особо морозостойким маслом, так как изменение вязкости масла на палетах больше всего влияет на постоянство импульса, а следовательно и на изохронизм хода.

Проблема точности хода приборов времени при низких температурах (в особенности для анкерных ходов) может быть разрешена лишь при условии решения проблемы смазки. Однако вторым существенным вопросом в разрешении этой проблемы является изыскание такой пары баланс — спираль или сплава для спиралей (при монометаллическом балансе), которые дали бы возможность получить нулевой температурный коэффициент часов или хронометра и исключить вторичную ошибку.

Изучение влияния низких температур на точность хода приборов времени имеет большее практическое значение, чем изучение влияния высоких температур. Нетрудно заметить, что низший предел температуры работы точных приборов времени (например, —40° С) отстоит от температуры регулирования +20° С дальше, чем высший предел (+50° С). В самом деле, в первом случае перепад температур 60° С, а во втором только 30° С.

12. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ХОД ЧАСОВ

Воздействие магнитного поля на механизм часов очень сложно, оно сказывается почти на всех деталях часового механизма. Наиболее важно влияние магнитного поля на спусковой механизм и на регулирующую систему баланс — волосок. Можно также определить его влияние на оси и трибы, стрелки и т. д. Общее воздействие иногда бывает значительным.

Если баланс имеет стальную перекладину (биметаллический баланс), эта перекладина имеет тенденцию ориентироваться в магнитном поле, подобно стрелке компаса. Магнитное поле создает пару сил, которая прибавляется к моменту упругости волоска. В результате период уменьшается и часы начинают сильно спешить.

При изучении влияния магнитного поля на ход часов различают три основных момента: временное влияние, остаточный эффект и остановку часов.

Рассмотрим их по порядку.

Временным влиянием называют воздействие магнитного поля на помещенные в него часы. Это воздействие велико, но не наиболее существенно. Предположим, что часы находятся в магнитном поле, сообщающем им ускорение 2 мин. в сутки. Изменение поправки, за пятнадцать минут после пребывания часов в магнитном поле не будет превышать 1,2 сек., чем обычно можно пренебречь.

Остаточным эффектом называют такое воздействие магнитного поля на часы, которое сохраняется после исчезновения поля. Таким образом, этот эффект сказывается после прекращения временного влияния. Стальные детали механизма остаются намагниченными и воздействуют друг на друга как маленькие магниты.

Действие остаточного эффекта на ход часов более заметно, чем действие временного влияния, потому что остаточный эффект сохраняется длительное время.

При остаточном эффекте в ходе часов ежесуточно обнаруживается отклонение до 2 мин.

Наконец, остановка часов под действием магнитного поля вызовет появление соответствующей ошибки показания часов. Ее необходимо тщательно избегать.

Переходя к описанию способов предохранения часов от действия случайного магнитного поля, нужно сказать несколько слов о значении магнитных полей, встречающихся в повседневной жизни, и об их влиянии на незащищенные часы.

Кроме больших электромагнитов, создающих поле с индукцией во много тысяч гауссов и вызывающих полную остановку баланса, существует немало небольших приборов, которые создают около себя достаточно интенсивное магнитное поле, способное длительное время нарушать точность хода часов или даже останавливать их.

Таковы радиоаппараты, телефоны, экспонометры с фотоэлементом, многие измерительные приборы, амперметры, вольтметры и т. д.

Магнитное поле, создаваемое такими приборами, быстро убывает с расстоянием. Обыкновенно оно почти незаметно на расстоянии нескольких сантиметров. Очевидно, что наручные часы больше, чем карманные, подвергаются этому воздействию.

Магнитное поле земли, несмотря на его небольшую величину, постоянно воздействуя на часы, также изменяет их ход. У точного хронометра наблюдаются отклонения хода примерно в 0,5—1 сек. за сутки в зависимости от его ориентации в земном поле. Если хронометр предварительно подвергался воздействию более интенсивного поля, он остается сильно намагниченным и влияние земного поля проявляется гораздо заметнее. Это видно из следующих данных, относящихся к карманным часам.

Ненамагниченные часы уходили на 17 сек. в сутки. Затем часы намагничивались в течение нескольких секунд в поле индукцией 50 гауссов, ориентированном параллельно циферблату, после чего поле было снято.

Когда заводная головка направлена на север, часы уходят на 120 сек. в сутки, на запад— часы уходят на 80 сек. в сутки, на юг — часы уходят на 125 сек. в сутки, на восток — часы уходят на 180 сек. в сутки.

Затем часы были размагничены и после размагничивания показали ускорение хода на 16 сек. в сутки.

Магнитные поля, создаваемые переменными токами, обычно не оказывают воздействия на ход часов. Способ, применяемый для размагничивания часов, заключается в том, что их помещают в убывающее переменное поле. Часы вводятся в бобину, по которой пропускается переменный ток. Затем часы вынимают и медленно удаляют от бобины, после чего прерывают ток.

Существует два основных способа для предохранения часов от влияния магнитного поля.

Самый действенный способ заключается в изготовлении системы баланс — волосок из немагнитных сплавов. Нельзя, однако, забывать, что часы обязательно должны быть компенсированы в отношении температуры. Применение латунного баланса и бронзового волоска идеально с точки зрения защиты от магнитного влияния, но оно недопустимо с точки зрения температурной компенсации.

Именно регулирующие системы, образованные монометаллическим балансом в сочетании с самокомпенсирующимся волоском из никелевой стали, позволяют решить эту проблему практически удовлетворительным образом.

Можно изготовлять самокомпенсирующиеся волоски из элинвара, метэлинвара или ниварокса.

В соединении с балансами из мельхиора, или бериллиевой бронзы такие волоски делают ход часов в широких пределах нечувствительным

к магнитным полям. Этими системами снабжается большинство современных наручных часов.

К сожалению, теория ясно показывает, что нельзя из существующих сплавов изготовить волоски, одновременно самокомпенси-рующиеся и вполне немагнитные. Улучшая одни показатели, ухудшают другие. Чем менее магнитен волосок, тем сильнее на него влияет температура. Приходится искать компромисс, и существует целый ряд сплавов, из которых выбирается наиболее подходящий в данном случае. Обычно важнее иметь хорошую температурную компенсацию, нежели большую нечувствительность к магнитным полям. При некоторой осторожности почти всегда можно предохранить часы от прямого контакта с магнитом, но нельзя защитить их от колебаний температуры.

Второй способ, очень эффективный, но почти неизвестный, состоит в изготовлении корпуса часов из сплава, обладающего большой магнитной проницаемостью и играющего роль экрана.

Во избежание вредных действий сильных магнитных полей на ход хронометров и других точных приборов времени применяют специальные футляры — ящики из ферромагнитных материалов, так называемые магнитные экраны. Магнитные экраны изготовляются из мягкого железа или из специальных ферроникелевых сплавов. Лучшим материалом для экранов является сплав пермаллой (66% никеля), имеющий магнитную проницаемость в 70 раз большую по сравнению с железом.

13. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА НА ХОД ЧАСОВ

Поскольку вязкость воздуха в очень широких пределах не зависит от давления, действие атмосферы на баланс определяется по преимуществу изменениями плотности воздуха, т. е. зависит от атмосферного давления. С повышением давления увеличивается отставание часов.

Кроме того, воздух, окружающий баланс, тормозит его движение и. следовательно, уменьшает амплитуду. Отсюда — дополнительное воздействие воздуха на ход, если часы имеют недостаточный изохронизм (ход меняется в зависимости от амплитуды).

Таким образом, общее влияние атмосферного давления носит сложный характер.

Точные измерения показали, что для карманного хронометра изменения хода составляют 0,01—0,02 сек. в сутки при разности давлений в 1 мм рт. ст.

До внедрения компенсационных сплавов для спиралей, т. е. до получения высокой точности показаний приборов времени за счет снижения ошибки температурной компенсации балансов, удельный вес влияния барометрического давления на ход часов был настолько мал, что не было даже побудительных причин к исследованиям этого влияния, и им вообще пренебрегали.

Потребность авиации в приборах времени, обеспечивающих точность хода в условиях резко изменяющегося барометрического давления, заставила детально изучать этот вопрос.

Отвлекаясь от прочих внешних влияний на ход хронометра, представим его лишь как функцию времени и барометрического

давления:

Поданным Гийо повышение атмосферного давления на 1 мм рт. ст. вызывает замедление хода на 0,01—0,02 сек. в сутки.

Автором опытным путем установлено, что средний барометрический коэффициент хронометров равен 0,013 [14].

Влияние влажности воздуха заметным образом отражается на суточных ходах приборов времени и было исследовано Петерсом в Киле и Фусом в Кронштадте. (19].

Влажность особенно неблагоприятно отражается на работе точных приборов времени, так как вызывает коррозию стальных частей механизма. Поэтому прежде всего стараются защитить приборы времени от излишней влажности, применяя специальные герметические футляры с отделениями для активных влагопоглотителей (хлористый

кальций и т. п.), либо обеспечивают постоянное поддержание установленной относительной влажности в рабочих помещениях.

Морская качка, сотрясения и удары — сами по себе не подчиняются никакой закономерности. Практически установлено, что под влиянием этих воздействий амплитуда колебаний баланса уменьшается и происходит замедление хода. Часто удары и толчки приводят к сложной деформации спирали, вызывающей сильную пертурбацию хода. Влияние этих причин можно уменьшить путем применения амортизаторов различных конструкций.

Амортизация всего прибора времени путем крепления корпуса прибора на пружинных или резиновых подвесах, на рессорных пружинах и т. п. уменьшает вредные влияния тряски и ударов и позволяет избежать резких и беспорядочных скачков хода. В целях же предохранения цапф баланса от поломки применяют специальные амортизационные приспособления типа «Шок-Резист», «Инкаблок», «Пружинящие спицы» и т. п.

Таким образом, все колебания в ходе приборов времени, происходящие от случайных (не систематических) причин, не поддаются никакому количественному учету, и их считают случайными погрешностями наблюдений.

содержание .. 13 14 15 16 ..