РАЗДЕЛ 2
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕАЛИЗАЦИИ НЕПРЕРЫВНОГО ВДАВЛИВАНИЯ ИНДЕНТОРА ПРИ ТЕСТИРОВАНИИ ПОВЕРХНОСТИ
2.1 Принцип работы и конструктивное решение электромагнитного нагружателя
Как отмечалось выше (п. 1.3.2), в известных прототипах приборов для измерения микро- и нанотвердости непрерывное нагружение индентора осуществляется нагружателями (преобразователями сила тока - механическая сила) трех типов: электростатическими, пьезоэлектрическими и электромагнитными. Основными недостатками таких нагружателей являются:
* для электростатического типа - малое значение развиваемого усилия (до нескольких грамм);
* пьезоэлектрического типа - передача усилия контактным способом через упругую пружину (балку);
* электромагнитного - большая масса якоря, связанного с индентором.
При использовании конструктивных решений, направленных на уменьшение массы якоря, электромагнитный нагружатель может быть отнесен к наиболее приемлемым преобразователям силы тока в механическое усилие. К одному из таких решений относится применение мощных современных редкоземельных магнитов на основе сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор), что позволяет разработать нагружатель, устойчивый к размагничиванию и с высокой температурной стабильностью магнитных характеристик [112-114]. Этот подход был реализован в настоящей работе при создании электромагнитного нагружателя разработанного прибора.
Из известных в настоящее время систем постоянные магниты Nd-Fe-B занимают уникальное положение по соотношению характеристики/стоимость, что объясняет бурный рост их производства и внедрение в различных отраслях.
К наиболее привлекательным свойствам магнитов N-dFe-B относятся:
- оптимальное соотношение показателей размер - вес - рабочие характеристики;
- высокие изотропные свойства;
- устойчивость к размагничиванию;
- температурная стабильность магнитных характеристик до 150° С.
Конструкция разработанного электромагнитного нагружателя изображена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Конструкция электромагнитного нагружателя: 1 - стакан; 2 - постоянный магнит; 3 - катушка; 4 - схема воздействия электромагнитного поля; 5 - шток; 6 - кольцо.
Нагружатель состоит из стакана 1, изготовленного из армко-железа, постоянного магнита 2, катушки 3, расположенной в магнитное поле (4), штока 5 с закрепленным на конце индентором и замыкающего кольца 6 из армко-железа.
Данная конструкция обладает следующими преимуществами:
- большое развиваемое усилие (до 30 Н);
- бесконтактное нагружение посредством магнитного поля;
- малая масса якоря, что уменьшает инерционность;
- электромагнитное демпфирование вредных колебаний;
- линейная характеристика нагружения.
Согласно закону Ампера, сила , действующая со стороны магнитного поля на проводник с током равна:
, (2.1)
где, I - сила тока, l - длина проводника, B - индукция магнитного поля, ? - угол между направлением тока и вектором В [115].
Реализация достаточно большого усилия достигается за счет уменьшения магнитного зазора между полюсами (приводит к увеличению В) и увеличения силы тока I путем намотки провода прямоугольного сечения, что обеспечивает максимальное заполнение объема. Оптимальные значения зазоров и сечения магнитного поля подбирались с помощью программного обеспечения ELCUT [116].
Конструктивно нагружатель выполнен таким образом, что перемещение штока 5 с индентором в пределах 1 мм не вызывает отклонений от заданной нагрузки. Достигается это благодаря заведомо большой ширине самой катушки относительно линий магнитного потока 4, которые пересекают катушку 3. Иначе говоря, количество пересекающихся магнитными полями проводников остается постоянной при малых перемещениях штока с индентором. Таким образом, усилие (нагрузка на индентор), развиваемое нагружателем прямо пропорционально протекающему по катушке току и при малых перемещениях катушки (штока с индентором) относительно магнитного зазора остается постоянным. При этом катушка намотана всего в два слоя медным проводом на каркасе из тонкой замкнутой алюминиевой фольги, что существенно облегчает конструкцию штока, а замкнутое кольцо из фольги дополнительно гасит колебания штока с индентором за счет возникающих в нем противодействующих магнитных полей. Изменения нагрузки, вызванные изменением сопротивления катушки вследствие протекания большего тока при максимальных нагрузках, компенсируется управляемым стабилизатором тока.
Тарировка нагружателя осуществлялась путем измерения протекающего по катушке тока, пропусканием которого обеспечивалось усилие на катушку, направленное вертикально вверх. Катушка связана с поддоном (известной массы), на который клались тарировочные разновесы (гирьки) заданной величины. Строился график зависимости весовой нагрузки от силы протекающего по катушке тока, обеспечивающей поднимание и удерживание разновесов (рис. 2.2.).
Рис. 2.2. График зависимости силы тока от весовой нагрузки, полученный при тарировке нагружателя.
Отклонение тарировочной кривой от линейной зависимости связано с перегревом катушки. Рабочим диапазоном является линейный участок.
Таким образом, применение постоянного магнита на основе сплава Nd-Fe-B и тонкостенного замкнутого якоря с катушкой прямоугольного сечения, намотанной в два слоя, позволили создать нагружатель достаточной мощности с легким якорем и демпфером вредных колебаний.
2.2. Принцип работы и конструктивное воплощение индуктивного измерителя малых перемещений.
В зарубежных наноиндентометрах для измерения малых перемещений индентора применяются датчики различных типов: емкостные, лазерные, пьезоэлектрические и индуктивные. При разработке данного прибора были исследованы и апробированы все эти типы датчиков. В результате принято решение использовать индуктивный датчик, несмотря на определенные конструктивные сложности по сравнению, например с емкостным.
Индуктивный датчик обладает достаточно большим выходным напряжением, малой чувствительностью к помехам