Рис. 1. Принципиальная схема устройства для исследования динамических эффектов
© В.Н. Самохвалов
доктор технических наук, профессор
Контакт с автором: samohvalov_vn@mail.ru
Аннотация.
Приведены результаты экспериментальных исследований взаимодействия в вакууме
близко расположенных, механически не связанных, вращающихся дисков. Установлено,
что при высоких угловых скоростях возникают силы взаимодействия между дисками,
вызывающие прецессию и упругое деформирование (винтовую закрутку поверхностей)
дисков в процессе их совместного вращения. При этом происходит передача энергии
от вращающегося диска первоначально неподвижному диску, приводящая к его
вращению, а также взаимное торможение и нагрев дисков при их одновременном
вращении. Эффекты проявляются только в вакууме.
_____________________________________________________________
Представленные результаты являются продолжением исследований, изложенных в
публикациях [1-3].
Экспериментальное оборудование.
В экспериментах использовалось устройство (рис. 1), состоящее их двух
электродвигателей постоянного тока Д-14ФТ2с 1 и 2, имеющих электромагнитные
тормоза, закрепленных на стальных плитах 3 и 4 толщиной 18 mm.
Рис. 1. Принципиальная схема устройства для исследования динамических
эффектов
На фланцах роторов электродвигателей жестко закреплялись диски 5 и 6
диаметром 165 mm и толщиной 0.9 mm, изготовленные из алюминиевого сплава марки
АМг3М (в нескольких случаях использовался один диск из плотного картона).
Электродвигатели подключалось к источникам питания постоянного тока В5-48,
расположенным вне камеры, позволявшим поддерживать заданное стабильное
напряжение. Для включения и отключения электромагнитных тормозов
электродвигателей использовались отдельные источники питания.
Расстояние между дисками задавалось за счет параллельного перемещения плит крепления электродвигателей по четырем стальным колонкам, с их последующей жесткой фиксацией. Расстояние от дисков до плит было не менее 20 mm. При этом в опытах задавалось как преднамеренный перекос осей дисков относительно осей их электродвигателей, создающий при вращении дисков переменный квадрупольный момент, так и обеспечивалась максимально возможная параллельность дисков и их сбалансированность. Начальный зазор между дисками задавался от 1 до 6 mm и более. Была исключена возможность механического контакта дисков в процессе вращения с учетом их несбалансированности.
Устройство устанавливалось в вакуумной камере с внутренним диаметром 300 mm и толщиной стенки 15 mm (рис. 2) и жестко фиксировалось. Воздух из камеры откачивался форвакуумным насосом до остаточного давления около 1 Pa.
Рис. 2. Общий вид экспериментального оборудования и устройства в вакуумной
камере
Результаты экспериментальных исследований.
В первой серии экспериментов напряжение питания одновременно подавалось на оба электродвигателя. Установлено, что при начальном зазоре между дисками 1-3 mm (рис. 3а) и одновременной подаче напряжения 30 V на оба электродвигателя для вращения их в противоположные стороны (встречное вращение) сначала происходит их разгон до максимальной частоты вращения порядка 100-120 1/s (рис. 3b).
Рис. 3. Возбуждение высокоамплитудной вибрации дисков при одновременном,
противоположном вращении в вакуумной камере
Затем периодически начинает возникать сильная вибрация одного (рис. 3c) или одновременно обоих дисков (рис. 3d). Частота колебаний дисков составляет порядка 10-20 1/s. В моменты возникновения вибрации скорость вращения дисков резко снижается примерно в 2 раза (до 50-60 1/s).
При этом наблюдается достаточно большое искривление поверхностей дисков, их упругая деформация (рис 4). Колебания одного диска являются хаотическим относительно другого. Зазор между поверхностями дисков в различных зонах является переменным во времени.
Рис. 4. Искривление поверхностей дисков в процессе высокоамплитудной вибрации
При этом механического контакта между дисками не возникало даже в случае первоначального зазора между дисками 1 mm. Диски как бы отталкивались друг от друга, что видно на фотографиях, и каждый из дисков продолжал вращение в свою сторону. При прекращении вибрации частота вращения дисков снова возрастала. Процесс повторялся с некоторой периодичностью.
В некоторые моменты времени хаотические колебания дисков переходили в относительно стабильную форму - винтовую закрутку дисков, вращающуюся с частотой порядка 1-3 1/s (рис. 5).
Рис. 5. Изгиб и закрутка поверхностей дисков в процессе одновременного встречного вращения в вакууме
В этом случае возникало синхронное искажение плоскости обоих дисков. Как видно
на полученных фотографиях и при замедленном просмотре видеосъемки процесса,
поверхности деформированных дисков при этом остаются практически эквидистантными.
То есть диски с винтообразной формой поверхностей, вращаясь в противоположные
стороны с частотой вращения 90-100 1/s, обтекают друг друга, не вступая в
механический контакт, хотя высота волны значительно превышает зазор между
дисками. Волна механической, упругой деформации дисков движется по их
поверхности с угловой скоростью того же порядка, что и угловая скорость вращения
самих дисков. При этом вращение винтовой закрутки наблюдалось в сторону вращений
диска, имеющего более высокую частоту вращения.
Если диски были преднамеренно разбалансированы (задан небольшой перекос осей дисков и осей роторов их электродвигателей), что способствовало их интенсивной вибрации, то вышеописанный эффект взаимодействия дисков: возбуждение вибрации, а затем возникновения изгибной волны, наблюдались при зазорах между ними до 3 mm. При отключении одного из электродвигателей (вращение в вакууме), и остановке его диска, второй электродвигатель раскручивался до максимальных оборотов порядка 180-200 1/s. При повторном включении первого электродвигателя частота вращения второго двигателя опять снижалась. Частота вращения обоих дисков снова составляла около 90-100 1/s. Таким образом, при многократном повторении опытов, экспериментально установлено, что в процессе совместного вращения в вакууме наблюдалось достаточно сильное взаимное торможение дисков.
При этом установлено, что в этом случае при длительном (2−3 минуты), одновременном, бесконтактном вращении и взаимодействии диски нагреваются до температуры 65-70 °С. При более длительной непрерывной работе устройства (5-7 минут) температура нагрева дисков достигала 80-90°С. Замер температуры дисков производился через 1-2 минуты после остановки дисков и вскрытия вакуумной камеры.
При одновременной подаче напряжения 30 V на оба электродвигателя для вращения их дисков в одну сторону (попутное вращение), после полной раскрутки наблюдалась только сильная вибрация обоих дисков и их взаимное торможение. Деформации в виде изгиба плоскости диска не наблюдалось.
Частота вращения электродвигателей здесь была также значительно ниже максимальной. В процессе одновременного вращения в этом случае диски так же нагревались до температуры 50-60 °С. При отключении питания одного их электродвигателей, второй электродвигатель раскручивался до максимальных оборотов. При повторном включении электродвигателя все эффекты полностью повторялись.
Если же один электродвигатель был отключен и
заторможен, то после подачи на второй электродвигатель напряжения 30 V и его
полной раскрутки начиналась небольшая вибрация его диска, а затем периодически
возбуждалась небольшая вибрация неподвижного диска. При этом, в моменты начала
вибрации неподвижного диска наблюдалось заметное снижение оборотов вращающегося
диска. Однако даже после длительной работы устройства нагрева дисков в этом
случае не зафиксировано.
Таким образом, в результате многократного повторения экспериментов установлено,
что нагрев дисков происходит только при их одновременном вращении в вакууме.
Нагрев дисков является следствием их бесконтактного взаимодействия и взаимного
бесконтактного торможения.
В экспериментах при тех же условиях, но при
отсутствии вакуума (при нормальном атмосферном давлении в камере)
вышерассмотренные эффекты не проявлялись. Сильная вибрация дисков не
возбуждалась, а изгибная волна не наблюдалась даже при начальном установленном
зазоре между дисками менее 1 mm.
Во второй серии экспериментов напряжение питания подавалось только на
один двигатель, а второй был отключен от питания, но расторможен.
Экспериментально установлено, что в вакууме если
один (ведомый) электродвигатель был отключен, но расторможен, то после подачи на
второй (ведущий) электродвигатель напряжения 30 V и его полной раскрутки
начиналось вынужденное вращение первого диска вместе с ротором его
электродвигателя. Выявлено, что эффект возбуждения вынужденного вращения и
частота вращения, при прочих равных условиях, зависят от степени динамической
сбалансированности дисков
Как показали эксперименты, при достаточно высокой степени динамической
отбалансированности дисков и отсутствии их вибрации при максимальной раскрутке,
вынужденное вращение ведомого диска при зазоре между дисками более 2-3 mm не
возбуждалось.
При зазоре между дисками 1.0-1.5 mm, при максимальной раскрутке ведущего диска, наблюдалось медленное проворачивание ведомого диска с частотой вращения менее 0.05 1/s. При возникновении вибрации ведущего диска начиналось вращение ведомого диска с частотой вращения 5-10 1/s. Если вибрация ведущего диска возрастала, то частота вращения ведомого увеличивалась до 20-30 1/s.
В тоже время установлено, что при относительно
небольшой динамической несбалансированности дисков, вынужденное вращения дисков
возбуждалось при зазоре между дисками до 3 mm. Частота вынужденного вращения,
при прочих равных условиях, зависит от величины первоначального зазора между
дисками, чем он меньше, тем частота вращения выше. При зазоре меду дисками 1 mm
и напряжении питания ведущего электродвигателя 30 V, частота вынужденного
вращения ведомого диска достигала 40-50 1/s при частоте вращения ведущего диска
около 130-150 1/s.
При зазоре между дисками более 4 mm даже сильная вибрация дисков, в проведенных
опытах, не приводила к возбуждению вынужденного вращения ведомого диска.
Таким образом, экспериментально установлено силовое воздействие в вакууме со стороны вращающегося с высокой скоростью ведущего диска на механически не связанный с ним, первоначально неподвижный, ведомый диск, вызывающее его вращение. Интенсивность вынужденного вращения зависит от величины динамического дисбаланса ведущего диска и растет с его увеличением.
Величина создаваемого при этом крутящего момента достаточна, чтобы вращать электродвигатель вместе с ведомым диском. Противодействие этому крутящему моменту, для остановки вынужденного вращения диска, требовало подачи на связанный с ним ведомый электродвигатель напряжения равного 0.2-0.8 от напряжения на электродвигатель ведущего диска, в зависимости от зазора между дисками и степени их разбалансированности. При напряжении питания ведущего электродвигателя 30 V, для остановки вынужденного вращения ведомого электродвигателя при зазоре между дисками 1,5 mm требовалась подача на него напряжения для встречного вращения, составляющего 12−18 V, а при зазоре между дисками 3 mm − 5−11 V. При дальнейшем увеличении напряжения питания ведомого электродвигателя его диск начинал вращение в свою сторону (противоположно ведущему диску).
Эти же эксперименты были проведены без вакуума (при нормальном атмосферном давлении в камере). При том же напряжении питания электродвигателей скорость вращения дисков была несколько ниже. При этом вибрация дисков не возникала. Вынужденное вращение ведомого диска практически не возбуждалось даже при зазоре между дисками менее 1 mm. При этом наблюдалось только медленное проворачивание ведомого диска с частотой вращения менее 0.1-0.3 1/s, т.е. на порядок ниже, чем в случае вынужденного вращения ведомого диска в вакууме.
Таким образом, в результате многократного повторения всех вышеизложенных экспериментов установлено, что принудительное (вынужденно) вращение первоначально неподвижного диска является следствием его бесконтактного силового взаимодействия в вакууме с вращающимся диском. При этом первоначальная прецессия или вибрация диска предшествует началу его вынужденного вращения. При отсутствии вакуума (при наличии воздуха в камере) принудительное вращение первоначально неподвижного диска близкорасположенным, вращающимся с высокой скоростью диском практически не возбуждается.
Диски были изготовлены из немагнитного материала и, поэтому, исключены какие-либо известные силовые взаимодействия (эффект Барнетта и др.).
Поскольку ведомый диск, в проведенных опытах, приходил во вращение или наблюдалась его прецессия, это означает, что он получал энергию от ведущего диска, а т.к. ведущий диск, при стабильном заданном напряжении питания его электродвигателя, тормозился при вращении ведомого, то это означает, что он отдавал ему часть своей энергии вращения. Воздушная среда препятствовала этому процессу.
Выводы
Исходя из анализа результатов вышеприведенных опытов, можно констатировать следующее:
Литература
|
|
 |
