Баланс
Баланс Баланс – балансовое колесо вместе со спиралью, образующие колебательную систему, уравновешивающую движение шестереночного механизма часов.
Балансовый регулятор состоит из баланса с осью, спирали, колодки и колонки. Баланс представляет собой обод с перекладиной, изготовленных как одно целое. Наиболее распространён баланс без винтов, имеющий перекладину с тремя спицами. В центре перекладины имеется отверстие, в которое запрессована ось баланса. Цапфы баланса полируют, а переход от цапфы к утолщённой части делают по плавной кривой и также полируют. Полированные пятки цапф оси баланса имеют сферическую форму.
В отдельных конструкциях часов могут встречаться и балансы, в обод которых ввёрнуты регулировочные винты. Чтобы облегчить регулировку часов с такими балансами, головки винтов могут иметь различные размеры. Под уменьшенные головки (расположенные диаметрально) под-кладывают регулировочные шайбы.
Регулятор баланс — спираль применяется в переносных, наручных, карманных, настольных и специальных часах. Основными деталями регулятора баланс — спираль являются: баланс, ось баланса, спираль, колодка спирали, колонка спирали, градусник со штифтами (на рисунке не показан). Баланс изготовляют из сплавов нейзильбера, латуни или бериллиевой бронзы. Он состоит из тяжелого обода, перекладины или спиц, с помощью которых обод крепится на оси. Обод баланса может быть гладким (безвинтовой баланс) или иметь 12 и более винтов, ввинчиваемых в него с внешней стороны.
Баланс - это центральный узел, регулирующий ход колебательной системы. Баланс заменил маятники, которые зависели от сил гравитации, обеспечивающих им колебания, а их точность - от температуры окружающей среды и даже атмосферного давления. По существу, часы должны были быть неподвижными, т.е. настольными, напольными или настенными. Для компенсации атмосферного влияния применялись сложные температурные и барометрические компенсаторы (маятники Гарсиона, Грагама или Рифлера). Именно замена маятников на балансы позволила выпускать малогабаритные механизмы, т.е. наконец-то часы стали переносными, а также отпала необходимость строго позиционировать часы в пространстве для обеспечения условий колебания маятника. Баланс и спираль изобрел в 1675 году голландский математик и физик Кристиан Гюйгенс (Christiaan Huygens).
монометаллический баланс
| другие языки: de en nl |
обод которого состоит из одного металла
биметаллический баланс
| другие языки: de en nl |
так называется баланс, обод которого состоит из двух металлов, например, латуни и стали
В особо точных часах в 40-х годах ХХ века начали применять биметаллические балансы, постепенно вытесненные балансами, с ободами, изготовленными из бериллиево-бронзового сплава или глюсидура. Этот тип баланса - сейчас он так же популярен, как и в то время, когда он появился - создал практически идеальный механизм регулировки хода часов. Комбинацию глюсидурового обода и спирали можно встретить практически во всех качественных механических часах.
Прогресс в технологии изготовления материалов сделал возможным (для сверхскоростных балансов из глюсидура) полностью отказаться от регулировочных винтов. Это сделало баланс более обтекаемым и уменьшило сопротивление окружающего воздуха. Некоторые производители продолжают использовать балансы с регулировочными винтами, но такое решение вызвано лишь желанием придать балансу более впечатляющий внешний вид.
Хочется, однако, заметить, что все вышесказанное относится к импортным часам. В нашей стране используются другие материалы. Так, обод изготовляют из латуни или нейзильбера. Трудно сказать, чем это вызвано, но скорее всего, некоторой изолированностью СССР в период развития часового дела, а также наличием патентов, защищающих права на использование на новые материалы.
Баланс с разрезным биметаллическим ободом
Более ранняя альтернатива такому решению - и поэтому менее эффективный способ компенсировать ошибки, возникающие при изменении температуры окружающей среды, - создание баланса с разрезным биметаллическим ободом из слоя стали, наложенного на слой латуни. При изменении температуры меняется размер обода и волоска, а следовательно и момент инерции, влияющий на период колебания баланса и, как следствие, на ход, но из-за различных коэффициентов теплового расширения стали и латуни, обод деформируется в обратную сторону, что приводит к поправке момента инерции. Таким образом происходит автоматическая регулировка хода часов в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Недостатки такого обода также очевидны: сложность и дороговизна изготовления, разрезной обод все же испытывает большее сопротивление воздуха, чем монометаллический. Кроме того, пара сталь-латунь хороша не во всех температурных диапазонах из-за некоторой нелинейности характеристик.
Регулировочные и компенсирующие винты
Винтовой баланс
| другие языки: de en nl |
Балансовый регулятор состоит из баланса с осью, спирали, колодки и колонки. До сих пор встречаются балансы, на ободе которых установлены регулировочные винты. Их задача - установить баланс в оптимальное положение. Как колеса автомобиля требуют периодического выравнивания, так и баланс должен двигаться по идеально круговой траектории, все точки которой расположены в одной плоскости. В отличие от компенсирующих винтов на ободах балансов высококачественных часов, которыми мастер регулирует ход, регулировочные винты никогда больше не трогают после их установки.
Для того чтобы достичь оптимального, постоянного вращения баланса и, следовательно, постоянства погрешности хода, необходимо минимизировать расширение и сжатие обода баланса при изменении температуры окружающей среды. Это достигается путем применения специального бериллиево-бронзового сплава, известного под названием глюсидур (glucydur).
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ СИСТЕМЫ
Как уже отмечалось, колебания системы изохронны, период не зависит от амплитуды. Это положение остается верным при условии, что центр тяжести системы находится на оси вращения баланса, момент спирали пропорционален углу закручивания, колебания происходят при постоянных температуре и барометрическом давлении и при отсутствии воздействия на систему магнитных полей. Однако, несмотря на высокую степень точности изготовления баланса, по геометрическим размерам центр тяжести его в той или иной степени не совпадает с геометрическим центром, т. е. с осью вращения, а момент спирали по ряду причин не пропорционален углу деформации и на систему действуют колебания температуры и барометрического давления, а также случайные магнитные поля. На колебательную систему постоянно действуют силы трения.
Рассмотрим влияние перечисленных факторов на период колебания системы.
СМЕЩЕНИЕ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ БАЛАНСА
Положение часов в пространстве Это связано с влиянием силы тяжести на баланс часов. Разброс показателей точности часов в различных положениях зависит от их конструкции и, в еще большей степени — от тщательности изготовления. Так, одни и те же часы в положении «головкой вверх» могут отставать на 20 секунд в сутки, в положении «головкой вниз» — спешить на 40 секунд. Надпись «Unajusted» на механизме часов означает, что каких-либо специальных мер по минимизации разницы в показаниях в различных положениях не предпринималось. «Ajusted for 6 positions» — точность часов примерно одинакова в 6 положениях: циферблатом вверх, циферблатом вниз, метками «3, 6, 9 и 12 часов» вверх.
КОНЦЕВЫЕ КРИВЫЕ СПИРАЛЕЙ
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА
ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА
Атмосферное давление оказывает влияние на период колебания системы и, следовательно, на точность хода часов. Это влияние различно и зависит как от конструкции системы, так и от условий функционирования. При повышении атмосферного давления увеличивается сопротивление воздуха движению баланса и пульсации спирали, т. е. увеличивается вязкое трение, период колебания увеличивается и часы отстают. Это проявляется более резко, если баланс снабжен винтами, а спираль имеет много витков значительной высоты. Винты придают балансу труднообтекаемую форму, а спираль, сжимаясь, расходует дополнительную энергию на выталкивание более плотного слоя воздуха из межвиткового пространства.
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА
В последнее время широкое распространение в быту получили электрические машины и приборы, магнитные поля которых на близком расстоянии отрицательно влияют на ход наручных и карманных часов. Будильники и настенные часы, как правило, находятся на расстоянии более одного метра и действие магнит¬ных полей бытовых приборов на них незначительное.
Если магнитное поле Земли напряженностью 40 А/м вызывает нарушение точности хода морского хронометра в пределах 0,4 — 0,6 с в сутки, то магнитные поля бытовых машин и приборов начинают нарушать ход наручных и карманных часов при напряженности магнитного поля 400 А/м и выше, а при напряженности 4800 А/м часы останавливаются.
Для приборов времени служебного назначения (программные механизмы, реле времени и т. п.), которые по условиям работы могут длительное время (час и более) находиться в магнитных полях напряженностью свыше 4800 А/м, необходимо иметь защиту от действия таких полей. В современных механических приборах времени наиболее чувствительной деталью к воздействию магнитного поля является спираль; в большинстве приборов времени баланс изготовляют из латуни.
Степень влияния магнитного поля на спираль зависит от трех основных факторов: напряженности магнитного поля, положения спирали относительно направления магнитных силовых линий и материала спирали. При работе часов со стальной спиралью в магнитном поле наблюдается смещение ее и слипание витков. Работа ее осложняется еще взаимодействием с близлежащими намагниченными стальными деталями: двойным роликом, градусником, анкерной вилкой, осью баланса.
Установлено, что при горизонтальном положении часов, помещенных в осевой плоскости катушки, при прохождении магнитных силовых линий параллельно плоскости баланса и спирали (рис. ???) воздействие магнитных силовых линий на точность хода часов максимальное, при вертикальном положении часов и перпендикулярном направлении магнитных силовых линий к плоскости баланса и спирали (рис. ???) воздействие на точность хода часов минимальное; при вертикальном положении часов и параллельном направлении магнитных силовых линий плоскости баланса и спирали (рис. ???) воздействие магнитных силовых линий на точность хода часов среднее между первым и вторым положениями.
После пребывания приборов времени в магнитных полях, стальные детали и спираль остаются намагниченными, но с более слабой напряженностью поля.
Как правило, часы бытового назначения находятся в магнитных полях кратковременно, и влияние на ход часов оказывают остаточные магнитные поля.
Чтобы ослабить действие магнитных полей на стальные детали приборов времени, применяют для защиты магнитные экраны.
Материалом для экранов служат магнитомягкие материалы: пермаллой и железо Армко. Экранами для наручных и карманных часов служат детали корпуса: циферблат, подциферблатник, корпусное кольцо, ободок и крышка корпуса. Сплав пермаллой имеет высокую магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную (задерживающую) силу. Если поместить часы с таким экраном в магнитное поле, то экран вберет в себя магнитные силовые линии, в результате чего на часовой механизм будут действовать слабые магнитные поля.
Необходимо отметить, что часы с периодом колебаний баланса 0,2 с лучше противостоят воздействию магнитных полей, чем часы с периодом колебания баланса 0,4 с.
При действии сильных магнитных полей применяют двойные и тройные экраны с малым воздушным зазором между стенками.
В ГОСТ 10733—73 на наручные антимагнитные часы огово¬рено, что они должны функционировать в магнитном поле напряженностью от 4400 до 4800 А/м.
Если часы были намагничены, то их размагничивают следую¬щим способом. Часы помещают в полую катушку, через которую пропускают переменный электрический ток частотой 59 Гц. Часы удаляют из катушки в осевом направлении, меняя их положение. Процесс ввода и удаления часов повторяют несколько раз.
Качество изготовления
Качество изготовления и состояние механизма Говоря об этом, прежде всего имеют в виду точность изготовления деталей часов, качество их обработки и их состояние, чистоту поверхности трибов и колес, чистоту обработки цапф осей и многие другие факторы. От каждого из них зависит, насколько высоко трение между деталями и каковы потери энергии в механизме часов.
Износ деталей
Износ деталей механизма Износ деталей механизма у механических часов достаточно велик. Причем раньше всего изнашиваются детали спускового механизма, которые отвечают за точность хода. Точность хода снижается и из-за загустения смазки.
Пружина
Заведенная или «распущенная» пружина Только что заведенная часовая пружина и уже раскрученная по-разному давят на стенки барабана. Точность хода часов с почти «разряженной» пружиной ниже, чем только что заведенных, По мере распускания пружины уменьшается импульс, передаваемый балансу часов, и уменьшается амплитуда его колебаний. Т.е. баланс поворачивается на меньший угол, часы начинают спешить.
ТРЕНИЕ
Свободные колебания системы баланс—спираль рассмотрены без учета трения. Величина, направление и характер действия сил трения зависят от многих факторов, например частоты колебаний осциллятора, конструкции узла баланса в целом и отдельных его деталей — цапф оси баланса и камневых опор, величины зазоров в трущихся поверхностях, характера их смазки и др. Для решения этой сложной задачи в балансовом осцилляторе с известным приближением принято различать и классифицировать три вида трения:
- 1. постоянное трение цапф оси баланса в камневых опорах (трение Кулона);
- 2. вязкое, или линейное трение обода баланса и спирали о воз¬душную среду;
- 3. внутреннее трение в материале спирали вследствие несовершенства его упругих свойств.
Постоянное трение.
Как известно, сила трения пропорциональна нормальному давлению F = fN, (???) где / — коэффициент трения.
Сила трения всегда направлена против движения тела; вели¬чина ее зависит от материала трущихся тел и состояния поверх¬ности. Сила трения не зависит от скорости при установившемся движении. При скорости, равной нулю (тело находится в покое),
сила трения трогания больше силы трения при установившемся движении. Экспериментально для цапф оси баланса установлено, что сила трения трогания в 1,3—1,5 раза больше силы трения движения. Рассмотрим, как изменяется момент сил трения при горизонтальном и вертикальном положении оси баланса. При горизонтальном положении оси баланса момент силы трения равен произведению силы трения на радиус цилиндрической части цапфы:. Mr = Fr^ = fNrv (???)
При вертикальном положении оси баланса момент сил трения М* = IE nfNr*' где гп — радиус круга контакта пяты цапфы к плоскости камня. При гп = 0,7Оц MD = 0,42/JVrR. (???)
Сравнение формул (???) и (???) показывает, что момент сил трения при вертикальном положении оси баланса примерно в 2,5 раза меньше, чем при горизонтальном, что подтверждается на практике регулировки часов. При изменении положения часов с вертикального на горизонтальное (ось баланса изменяет поло¬жение с горизонтального на вертикальное) амплитуда колебаний баланса увеличивается на 20—25%, что положительно сказы¬вается на стабильности периода колебаний.
Для уменьшения перепада амплитуд цилиндрическую поверх¬ность отверстия в рубиновом камне округляют по радиусу (оли-вируют), а пятке цапфы придают плоскую форму с радиусом круга контакта гп = гц. Тогда момент сил трения плоской пяты о плоскость камня будет МВ^|/Л7Ц. (???)
Однако снижение перепада амплитуд за счет применения плоской пяты цапфы не рекомендуется: всякое увеличение мо¬мента трения отрицательно сказывается на стабильности периода колебаний. Применение опоры с плоской пятой или с наклонной плоскостью камня к оси баланса дало отрицательные результаты. В то же время уменьшать площадь контакта с радиусом круга меньше 0,7гц не следует, так как значительно возрастает удель¬ное давление, происходит разрыв масляной пленки и возможны случаи повреждения поверхностей пяты цапфы или плоскости камня, или того и другого вместе. Рекомендуется при конструи¬ровании узла баланса проверить допускаемое напряжение по формуле Герца: ???
где гг — радиус сферы пяты; N — сила осевого давления; Ег и £2 — модули упругости стали и рубина.
Проверку осуществляем при следующих данных: q = = 2500 Н/мм2, гх = 0,035 мм для оси баланса наручных часов; модуль упругости^ стали Ех = 225 000 Н/мм2; модуль упру¬гости рубина Е2 = 450Л000 Н/мма. Подставляя эти значения в формулу (61), получим 0,235^-22 500 000 000 0,0012 25003 =
откуда N 15 625 000 000-0,0012 0,235-22 500 000 000
- 0,00354Н.
Таким образом, сила осевого давления не должна превьь шать 0,00354 Н. В наручных часах калибра К-26 сила осевого давления узла баланса равна 0,001225 Н. Это гарантирует продолжительный срок эксплуатации узла баланса. Для пары сталь—рубин рекомендуется коэффициент трения 0,12—0,15 со смазкой часовым маслом марки МБП-12. Коэффициент трения в малогабаритных деталях изменяется в не¬большом диапазоне за счет влияния величины зазора, дозы масла, радиуса оливажа, величины контактной поверхности и других факторов, т. е. коэффициент трения не подчиняется строго за¬кону Кулона. При отсутствии смазки коэффициент трения воз¬растает в 2—3 раза. Дифференциальное уравнение движения баланса с учетом постоянного трения будет
со2(Ф + р) = 0.
(???)
М- момент постоянного тре-— коэффи- тр где Мт Р: одесь со j 1 у — /т * A/V- -"*тр ния; К — статический момент спирали при <р = 1; циент затухания. Постоянное трение не нарушает периода свободных колебаний баланса; при свободных затухающих колебаниях амплитуда колебаний убывает в арифметической прогрессии, следовательно, сохраняется изохронность колебаний. На рис. 41??? приведен график затухающих колебаний, из которого видно, что за один период амплитуда убывает на 4р. Отсюда легко определить р, если из¬вестно число колебаний до останова N: Р^^Ш> (???) где Ф — начальная амплитуда. При Ф = 270° = 4,71 рад и при N = 225 В среднем р колеблется для разных конструкций от 0,003 до 0,010 при вертикальном положении оси баланса. Практически число свободных затухающих колебаний системы определяют следующим образом. При отклонении баланса от положения равновесия на задан¬ную амплитуду Ф баланс совершает свободные колебания. Одно¬временно по секундомеру замеряют время t продолжительности всех колебаний до останова и по формуле (63) определяют коэф¬фициент затухания: ФГ где JV = — . Как сказано выше, момент постоянного трения не зависит от значения скорости, но зависит от ее направления; его обозна¬чают Мтр=^. (???)
Вязкое (линейное) трение
Величина линейного трения во многом зависит от формы обода баланса и числа витков спирали. Ввиду малых скоростей баланса (порядка 1—2 км/ч) принято счи¬тать силу вязкого трения пропорциональной первой степени скорости, т. е. сила вязкого трения имеет линейную зависимость от скорости и обозначается М1 = -щ, (???) где т] — коэффициент сопротивления воздушной среды.
В целом влияние вязкого трения на период колебания баланса незначительно и при расчетах системы баланс—спираль учиты¬вается в размере 0,2—0,4% момента спирали. Следовательно, безвинтовый баланс прогрессивнее, чем с винтами;
Внутреннее трение в материале спирали
Этот вид трения не зависит от величины скорости движения, но пропорционален углу отклонения и амплитуде. Зависимость момента сил внутреннего трения от ф очень сложна и представляет собой петлю гистерезиса, выпуклая и вогнутая части которой для удобства инженерных расчетов аппроксимированы (заменены) дугами эллипса. Выражение для момента, соответствующего эллиптической аппроксимации, имеет вид -
- .-«">/!-UT-jip <66> ???
где Ъ — коэффициент, зависящий от материала, формы и разме¬ров упругого элемента, в данном случае — спирали (при расче¬тах принимают Ъ = 0,00127); р — постоянная материала (при расчетах принимают р = 2). Из формулы (66) следует, что момент сил внутреннего трения является нелинейным, хотя величина его и незначительна.
Суммарное влияние всех трех видов трения определяют экс¬периментальным путем. По осциллограмме затухающих колебаний баланса при различных положениях оси выявляют степень влияния каждого вида трения на период колебания.
TERMINOLOGIE NUMEROTATION
| ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||