Проектирование и создание стенда для искусственнойвибрации металлических образцов, создаваемой пинч-эффектом действия импульсного тока

Троицкий Олег Александрович; Скворцов Олег Борисович; Правоторова Елена Алексеевна

УДК 620.178.3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ИСКУССТВЕННОЙ ВИБРАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ, СОЗДАВАЕМОЙ ПИНЧ-ЭФФЕКТОМ ДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА

Ключевые слова: вибрация; пинч-эффект; скорость деформации; металл; акселерометр.

Рассмотрены возможности контроля вибрационного отклика металлических образцов, в которых импульсным током формируется пинч-эффект. Представлены рекомендации по аппаратурному обеспечению и алгоритмам обработки вибрационных сигналов.

Из школьного курса физики хорошо известно явление возникновения магнитного поля при прохождении электрического тока по проводнику, а также появление сил притяжения или отталкивания нескольких близкорасположенных проводников, по которому протекает ток. Эти явления служат одной из основ технической цивилизации, основанной на использовании электричества. Существенным является то, что созданное при прохождении через проводник тока магнитное поле взаимодействует и с самим этим проводником. В повседневной жизни в связи с очень тесной связью этих явлений внешние эффекты явно не проявляются, однако возможен ряд условий, при которых результаты такого взаимодействия становятся весьма заметными и должны учитываться, а иногда позволяет получить ряд новых полезных свойств. Среди таких эффектов можно отметить, например, скин-эффект, при котором магнитное поле при прохождении высокочастотного тока через проводник приводит к перераспределению тока в сечении проводника с вытеснением его на поверхность. Данное явление весьма существенно для электроники и электротехники. Другой эффект, несколько менее известный, носит название пинч-эффекта и связан с проявлениями механических сил сжатия и отталкивания между отдельными частями проводника [1]. На пинч-эффект накладывается нагрев проводника и связанное с этим его температурное расширение.

Формируемые механические колебания могут быть использованы в очень широкой области, типичной для ультразвуковой техники, перечень которой можно найти, например, в [2].

В [3] приведен обзор экспериментальных методик контроля напряжений в материалах при наличии деформаций при высокой скорости последних. В частности, отмечается, что при относительно низкой скорости применимы методики, основанные на втором законе Ньютона, при которых в качестве параметра может быть использовано изменение скорости, т. е. ускорение. Такие методики контроля могут быть основаны на применении виброизмерительной техники, и данный диапазон скоростей представляет наибольший интерес с точки зрения формирования вибрационных воздействий звуковых и ультразвуковых частот.

В [3] приведены данные по изменению предела текучести от скорости деформации. Более быстрый рост предела текучести отмечается при скорости г, когда

1°§1о(г) > 4 ■

При высоких скоростях деформации используется калибровочный фактор к(М/У), причем

, |РЛ шАУ лт,

к = ^----= —----, где т - масса; АУ - изменение ско-

Г У а Г У&

рости; Г УЛ - интеграл от напряжения с выхода датчика деформации.

При более высоких скоростях деформации существенным становится волновых колебательных и ударных процессов распространения деформаций.

В диапазоне токов, проходящих через металлическую проволоку, проявление механических напряжений может вызывать механическое разрушение проволоки на отдельные части [4-8] ■

Относительно малый диаметр испытываемых образцов по сравнению с их длиной может приводить к деформациям в поперечных направлениях, поскольку действующие в продольном направлении силы весьма велики (известны примеры разрыва проводника за счет пинч-эффекта), и на них может оказать влияние магнитное поле расположенных вблизи проводов, например, проводов, по которым подводится ток к испытываемому образцу [9].

Наличие близкорасположенных проводников с высоким уровнем электромагнитного излучения может быть причиной паразитных наводок на измерительные цепи датчиков. Поскольку в качестве датчиков вибрации в настоящее время используются наиболее широко пьезоэлектрические акселерометры [10], вероятность влияния помех от импульсного тока весьма велика, т. к. сам акселерометр и используемые с ним согласующие электронные модули - усилители заряда - имеют весьма высокое входное сопротивление. Достоинством усилителей заряда согласующего устройства является возможность работы на высокой частоте без искажений амплитудно-частотной характеристики. В свою очередь, имеются пьезоэлектрические датчики, обеспечи-

1691

вающие возможность работы на частотах в десятки килогерц. Примером таких датчиков является, например, датчик АП-19 российского производства, собственный резонанс которого соответствует частоте более 100 КГц. Малые собственная масса и габариты такого датчика позволяют закрепить его непосредственно на испытываемом образце. Существующие датчики других типов, например, бесконтактные вихретоковые проксиметры или MEMs акселерометры, не обеспечивают возможность измерения на достаточно высоких частотах.

Наиболее эффективно пинч-эффект с возбуждением его импульсными токами проявляется при длительности импульсов тока несколько единиц или десятков микросекунд. Такая малая продолжительность импульсов позволяет существенно снизить нагрев образца и связанные с этим температурные деформации.

Возникающие от пинч-эффекта радиальные деформации порождают вторичную деформацию в виде удлинения, которая и может фиксироваться акселерометром, установленным вне рабочей части образца таким образом, чтобы ось чувствительности датчика совпадала с осью образца (рис. 1).

!имп

АКСЕЛЕРОМЕТР

Рис. 1. Схема установки

Существующие модули ввода информации, например, USB 4431 National Instruments, обеспечивают преобразование электрических сигналов и обработку на частотах дискретизации выше 100 КГц. Такое устройство сбора данных при подключении его к компьютеру позволяет обеспечить контроль высокочастотных импульсов ускорения, а при необходимости используя однократное или двухкратное интегрирование оценки скорости и перемещения. Использование программного пакета LabVIEW [11] обеспечивает оценку в реаль-

ном времени или по записям сигналов временных и амплитудных параметров движения испытываемого образца, а также, при необходимости, оценку спектральных и статистических динамических параметров движения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Троицкий О.А. Электромеханический эффект в металлах // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1969. Т. 10. № 1. С. 18-20.

2. Балдев Р., Раджендран В., Паламичами П. Применение ультразвука // Мир науки и техники / пер. с англ. М.: Техносфера, 2006. 570 с.

3. Field J.E., Walley S.M., Proud W.G., Goldrein H.T., Siviour C.R. Review of experimental techniques for high rate deformation and shock studies // International journal of impact engineering. 2004. V. 30. Р. 725-775.

4. Lukyanov A., Molokov S. Do we need to recourse to Ampere-Neumann electrodynamics to explain wire fragmentation in the solid state? URL: http://arxiv.org/abs/physics/0012029. Загл. с экрана.

5. Lukyanov A., Molokov S. Why high pulsed currents shatter metal wires? 2001 IEEE Digest of Technical Papers / cd.: R. Reinovsky, M. Newton. V. 2. Р. 1599-1602.

6. Lukyanov A., Molokov S. Flexural vibrations induced in thin metal wires carrying high currents // Journal of Physics D. Applied Physics. 2001. V. 34 (10). Р. 1543-1552.

7. Lukyanov A., Molokov S. Flexural magneto-elastic vibrations of thin metal wires // Journal of Physics D. Applied Physics. 2004. V. 37 (5). Р. 784-793.

8. Lukyanov A. Flow-induced dynamic surface tension effects at nanoscale // Langmuir. 2010. V. 26. Р. 6367-6373.

9. Gang Zheng, Hong Li. Normal stress between steel wires in the stay-cable // Applied mechanics and materials. 2011. V. 50-51. P. 541-546.

10. Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2010. 304 с.

11. Федосов В.П. Цифровая обработка звуковых и вибросигналов в LabView. Справочник функций системы NI Sound and Vibration LabVIEW. М.: ДМК Пресс, 2010. 1296 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при фи-

нансовой поддержке РФФИ (грант № 12-08-00918-а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Troitskiy O.A., Skvortsov O.B., Pravotorova E.A. DESIGNING AND CREATION OF STAND FOR ARTIFICIAL VIBRATION OF METAL SAMPLES CREATED BY PINCH-EFFECT OF ACTION OF PULSE CURRENT

The possibility of controlling the vibration response of metallic samples in which the peak current is formed by the pinch effect is considered. The recommendations for hardware and processing algorithms ensure vibration signals are provided.

Key words: vibration; pinch effect; rate of deformation of metal; accelerometer.

1692