27.03.2020
Один из самых популярных видов по типу установки – это подвесная раковина. Она монтируется прямо к стене при помощи специальных...


27.03.2020
Деревянные дома часто повреждаются от повышенной влажности, поэтому домовладельцы вынуждены иногда ремонтировать фундамент здания....


26.03.2020
Полноценную жизнь современного человека уже невозможно представить без использования гаджетов. Ноутбуки и смартфоны, планшеты и...


25.03.2020
Сегодня колодцы — это самый распространенный источник воды в загородном водоснабжении дачных участков и частных домов. А чтобы...


25.03.2020
В последнее время жители крупных городов начали менять свое отношение к гламуру. В моду пришло спокойствие, размеренность,...


25.03.2020
Русский язык не зря называют богатым – в нем более двухсот тысяч слов. Однако среднестатистический россиянин активно использует в...


Тугоплавкие металлы в измерительной аппаратуре

15.11.2019

Использование тугоплавких металлов в условиях вхождения возвращаемых космических летательных аппаратов в плотные слои атмосферы ставит перед проектантами-разработчиками и инженерами по измерительной аппаратуре множество проблем.

Одной из них является получение телеметрической информации при временном прекращении связи при вхождении в плотные слои атмосферы. Эта проблема может быть решена путем записи данных на борту космического аппарата с временным прекращением связи. Однако обычная записывающая аппаратура недопустимо повысила бы вес космического корабля.

Другая важная проблема, которую приходится решать инженеру-прибористу, состоит в измерении деформации в интервале 540—1370° С. Обычная тензометрическая аппаратура выдерживает нагрев до 540° С. Для измерения деформаций при 540—1370° С разработан прибор, основанный на регистрации механических царапин. Принцип работы такого прибора уникален, так как для усилия регистрации данных используется температурный эффект и деформация. Этот прибор малогабаритен, компактен, легок, автономен и обеспечивает запись температуры и напряжения (включая максимальные и минимальные значения) в течение всего полета возвращаемого космического летательного аппарата.

Принцип действия прибора


Принцип действия прибора, схематично показанного на фиг. 4.1, сводится к нанесению царапины, которая отображает деформацию опоры и расширение рычага, снабженного двумя регистрирующими штифтами (один из них контрольный). Напряжение отображается на регистрирующем рычаге в виде царапины, образующейся под воздействием перемещения штифта и регистрирующего рычага, а также температуры, фиксирующейся в виде разности теплового расширения рычага со штифтами. Зависимость деформация — время регистрируется по показаниям высокотемпературной термопары, вмонтированной, как это показано на фиг. 4.1, в нагревающийся при испытании рычаг. После завершения записи рычаг регистрации царапин извлекается, а их изображение увеличивается и фотографируется. Для большинства металлографических изображений легко добиться увеличения в 500—1000 раз. Затем негатив устанавливают в дистанционный читающий аппарат, где осуществляется считывание данных, представленных в виде царапин, после чего информация в соответствующем выражении передается в вычислительную машину дискретного действия или в автоматический стол планшет с устройством для вычерчивания траекторий.

Обсуждение


Одной из проблем, возникающих при практическом конструировании такого прибора, является разработка метода контроля ширины и глубины царапин, наносимых штифтом-пером. Ясно, что перо должно находиться в контакте с рычагом для регистрации царапин. Таким образом, если штифт-перо наносит царапину, то величина оказываемого им давления должна быть ограничена, так как в противном случае острие штифта ломается и вместо царапины появляется отверстие или широкая полоса. Существует по меньшей мере два метода контроля типа и природы царапин, наносимых штифтом на рычаг. Первый метод заключается в нанесении сравнительно мягкого покрытия на твердый материал. При наличии такого покрытия штифт скользит по твердому материалу, оставляя царапину на мягком слое. Этот метод широко использовался прежде, причем штифт перемещался по покрытой сажей стеклянной пластине, оставляя царапину. Этот принцип использовался в прежних конструкциях самолетных регистрирующих устройств.

Вторым методом контроля глубины царапин является использование скользящего контакта для штифта с острием. Этот метод позволяет создавать значительный нажим на штифт и предотвращает проникновение штифта на глубину выше дозволенной. Нами были опробованы оба метода. Выбор того или другого определяется видом применения и условиями работы записывающей аппаратуры. На фиг. 4.2 показана схема прибора, в котором использованы оба принципа — скользящий контакт и пластинка из металлизированного сапфира для регистрации царапин.

Цели и методы разработки


Всякий способ измерения деформации и температуры в окислительной среде при 1370° С является весьма сложным, особенно при ограничении веса конструкции. При разработке прибора, основанного на описанном выше принципе, внимание сосредоточивалось на вопросах обеспечения надежности действия прибора. Для достижения близкой к 100 % надежности конструкция прибора должна быть простой.

При разработке прибора была поставлена задача создать конструкцию с минимальным числом деталей, а используемых материалов тоже должно быть как можно меньше. Коэффициенты линейного расширения материалов предстояло подбирать так, чтобы тепловое расширение автоматически уравновешивалось или компенсировалось для исключения случайных ошибок при записи.

Выбор материалов прибора обусловлен необходимостью крепления его на конструкции из тугоплавкого металла. Чтобы исключить коробление и случайные ошибки на длине измерительной части прибора при измерении напряжения и температуры, штифт-перо, основание скользящего контакта, рычаг для регистрации царапин с предварительным искривлением и общее основание (фиг. 4.2) нужно было сделать из того же материала, что и конструкция. Для компенсации неодинакового теплового расширения разных материалов в приборе и конструкции следует пользоваться клеем, обладающим пластичностью при комнатной температуре. Однако при оценке нескольких промышленных высокотемпературных клеев было установлено, что клеевые соединения слишком хрупки для работы в условиях длительной вибрации и ускорений. Ясно, что достаточной надежности соединения материалов с соответствующими коэффициентами линейного расширения можно добиться обычным резьбовым соединением и микросваркой. Преимущество резьбового соединения или сварки состоит в повышении чувствительности прибора к изменению температуры из-за теплопроводности основания. Клеи же плохо проводят тепло.

При кратковременной выдержке в окислительных условиях основания приборов можно не защищать от воздействия высоких температур, а при длительной выдержке необходимо обеспечить частичную защиту, достаточную для сохранения конструкционной целостности оснований прибора при испытании. Разрушение оснований прибора определяется максимальной температурой, силой воздействия окислительной атмосферы, длительностью выдержки и конвекцией воздуха (отсутствие конвекции, естественная конвекция, принудительная конвекция). При предварительных испытаниях было установлено, что на большую часть данных о скорости окисления тугоплавких металлов нельзя полагаться из-за их недостаточной достоверности. Для получения некоторых данных, на основе которых можно было бы установить допустимую длительность выдержки конструкции, были проведены предварительные исследования.

При выборе материала опор и конструкции выдвигались требования и к материалам штифта-пера, скользящего контакта и рычага для регистрации царапин. Это объясняется тем, что материалы данных деталей не должны вносить случайных ошибок от теплового расширения в показания прибора. Дополнительное требование сводится к следующему: штифт-перо и рычаг для регистрации царапин не должны разрушаться в условиях окисления при температуре 1370° С, т. е. штифт-перо должно сохранить точечный контакт острия для нанесения царапин на рычаг с заданной степенью точности, а сублимация материала рычага и степень его окисления должны быть таковы, чтобы царапины были различимы после заданного времени выдержки при высоких температурах. Сборка штифта-пера и скользящего контакта с основанием из тугоплавкого металла не сопряжена с особыми трудностями. В основании высверливают углубления, в которые вставляют и закрепляют круглые детали. Крепление таких деталей осуществляется с помощью стопорного штифта или установочного винта. Такое крепление компенсирует любую разницу величин коэффициентов линейного расширения штифта-пера и основания. Удлинение штифта-пера и скользящего контакта поглощается в зоне искривления рычага, что незначительно сказывается лишь на величине предварительной нагрузки.

В целях успешного осуществления операции соединения пластинки для регистрации царапин с рычагом требуется новый технологический процесс. Пластинку приходится изготавливать из металла с коэффициентом линейного расширения в 2—3 раза большим или меньшим, чем у рычага. Целесообразно, чтобы материал пластинки обладал таким высоким сопротивлением окислению, каким обладают, например, многие сплавы на основе хрома и родия. Это неодинаковое тепловое расширение материалов и создает усилие, необходимое для записи температуры. Соединение двух разнородных металлов требует применения электронно-лучевой или лазерной сварки. Другие способы, по-видимому, не пригодны, поскольку соединение должно выдерживать деформации, возникающие вследствие неодинакового теплового расширения, сопротивления перемещению штифта пера и скользящего контакта и воздействия вибрации и ускорения. Соединение нужно защищать в окислительной атмосфере стойким к окислению покрытием.

При выборе материала пластинки для регистрации царапин в первую очередь учитывают величину коэффициента линейного расширения и лишь затем стойкость материала к окислению. На большинство металлов можно напылить покрытие из таких тугоплавких материалов, как платина или родий. На них можно наносить и пирографит. Все эти материалы создают подходящую базу для нанесения царапин.

Некоторые из исследованных материалов с точки зрения возможности их использования в деталях прибора в окислительной (при 1370° С) и неокислительной средах указаны в табл. 4.1.

Преимущества прибора


Описанный прибор для измерения напряжений при высоких температурах, помимо способности выдерживать воздействие высоких температур, обладает следующими преимуществами: 1) не подвержен влиянию радиации; 2) не подвержен влиянию электромагнитных волн; 3) ему можно придать форму, которая выдерживала бы высокое сопротивление удару и вибрации (в подписи к фиг. 4,3 указаны минимальные собственные частоты рычага при его изготовлении из ряда материалов; собственные частоты в других направлениях гораздо выше); 4) он имеет габарит и вес малой величины; 5) обладает весьма высокой частотной чувствительностью и не подвержен ошибкам, возникающим по ряду причин (например, из-за гистерезиса, смещения показаний прибора, нелинейности, колебаний напряжения питания и т.п.) при других методах измерения деформаций.
Тугоплавкие металлы в измерительной аппаратуре

Точность


Был проведен анализ точности работы прибора, построенного на описанном выше принципе. В табл. 4.2 указаны основные причины погрешности измерения. На фиг. 4.4 показаны кривые точности прибора, построенные по таким погрешностям для различных длин концевых мер и трех значений оптического увеличения. Они основаны на измерении деформации, которая возникает в ниобии при напряжении 21 кг/мм2. Этот график показывает, что при размере концевой меры в 12,7 мм можно достигнуть точности 2%, а при 25,4 мм — точности не ниже 1%.

Результаты


В задачу исследований входила разработка устройства для записи напряжения и температуры методом регистрации царапины. Результаты испытаний (хотя они и не являлись окончательными по измерению точности) показали, что прибор применим на практике и может быть использован в условиях высоких температур. На фиг. 4.5 воспроизводится фотография прототипа прибора, установленного на образце из ниобиевого сплава, который предназначался для испытаний на растяжение. Под скользящие контакты прибора подложены небольшие прокладки для предотвращения царапания образца до приложения предварительной нагрузки. Были получены царапины на молибденовой и ниобиевой пластинках. Проводились также опыты на платинированных пластинах кварца. На фиг. 4.6 показана царапина на ниобиевой пластине, увеличенная с помощью металлографического микроскопа. Изменения температуры в этом эксперименте не производилось, так что царапина получилась прямой.

Основные исследования этой работы проводились в следующих направлениях:

1) выбор материалов, способных выдержать воздействие температур 1095—1370° С в окислительной и неокислительной средах;

2) изыскание способа прикрепления прибора к конструкции;

3) разработка способов нанесения и воспроизведения царапин с точностью около +1%.

Для выбора оптимального материала пластинки (с покрытием и без него) и штифт-пера был проведен ряд экспериментов. Испытывали алмазный штифт, но при температурах выше 870° С алмаз слишком быстро окислялся. Испытывались и штифт-перья из сапфира и керамики, обнаружившие удовлетворительную стойкость в окислительной среде при температуре 1095° С. В целях выявления зависимости между шириной царапины, твердостью материала и профилем острия штифт-пера на кварц и другие материалы наносили царапины различной ширины при переменном давлении на штифт-перо. Дальнейшая работа будет заключаться в небольших доработках, связанных с выбором оптимальной конструкции прибора применительно к серийному выпуску.

Заключение


Описанный подход к решению задачи создания прибора для измерения напряжений при температурах 1095—1370° С обеспечивает много преимуществ. Основным его преимуществом является следующее: измерять деформации по данному методу можно при любой температуре, воздействию которой может подвергаться космический летательный аппарат. После таких измерений прибор способен успешно работать дальше. Это подтверждается следующим рассуждением: если материал космического летательного аппарата выдерживает значительные нагрузки при повышенных температурах, то можно подобрать такие материалы для пластинок скользящего контакта, регистрирующих царапины, и штифт пера, которые смогут выдержать номинальные нагрузки, необходимые для нанесения царапины на пластинки. Более того, есть веские основания полагать, что такой подход к решению задачи измерения напряжений и температуры дает возможность создать новый тип измерительной аппаратуры для космических летательных аппаратов со многими преимуществами и широкой областью применения. Сам прибор весьма прост, крайне надежен, обладает малым весом и габаритами, не требует источников питания и, следовательно, не должен приводить к отказам из-за выхода из строя системы питания.

Другим важным фактором является то, что запись продолжается в период временного прекращения связи с космическим летательным аппаратом при вхождении в плотные слои атмосферы и что продолжительность эксплуатации перестает быть проблемой. Непрерывную запись деформации и температуры можно обеспечить на протяжении всего космического полета, а увеличение царапин и измерения точности прибора осуществляют в наземных условиях, где можно воспользоваться крупногабаритной аппаратурой большого веса. Для этой цели пригодны такие приборы, как микроскопы с высокой разрешающей способностью, фотоумножители и т. п. Легко представить, что данный принцип действия приборов можно развить в специализированную отрасль приборостроения. В заключение необходимо отметить, что весь прибор, за исключением штифта-пера, скользящего контакта и пластинки для регистрации царапин, сделан из тугоплавкого металла. Выбор металла определяется условиями эксплуатации прибора. Другие приборы такого компактного типа с использованием принципа царапания специальной регистрирующей пластинки находятся в настоящее время в стадии разработки. Они предназначаются для записи таких характеристик, как температура — вибрация, вибрация — деформация, давление — температура. В этих приборах, предназначенных для применения в температурном интервале 1095—1370° С, использованы тугоплавкие металлы.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна