7. ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ В ЧАСОВЫХ МЕХАНИЗМАХ (1957 год)

ГЛАВА VIII ОСНОВЫ ТЕОРИИ, РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ЧАСОВОГО БАЛАНСОВОГО РЕГУЛЯТОРА (1957 год) - часть 2

7. ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ В ЧАСОВЫХ МЕХАНИЗМАХ (1957 год)

Чтобы правильно понять воздействие изменений температуры на ход часов, нужно выяснить, как влияет температура на различные элементы регулирующей системы баланс — спираль.

Период колебаний баланса Т выражается формулой

Это влияние, правда, незначительно, отчасти оно компенсируется, так как некоторые из членов, зависящих от температуры, находятся в числителе, а другие — в знаменателе формулы периода колебаний. Преобладающее влияние на изменение хода от воздействия температуры оказывает термоэластический коэффициент волоска. Точные методы позволяют определить изменения модуля упругости в зависимости от температуры, т. е. измерить термоэластический коэффициент сплава волоска.

Практически часы с латунным балансом и стальным волоском отстают примерно на 11 сек. в сутки при увеличении температуры на 1°С.

Например, часы, правильно отрегулированные при 20° С, будут отставать приблизительно на 2 мин. в сутки, если температура повысится до 31° С. Наручные часы в летнее время могут иметь температуру 40°, а зимой 0°. Перепад температуры (в этом случае 40°) приведет к разнице хода часов 11 X 40 = 440 сек., т. е. больше 7 мин. в сутки, что абсолютно недопустимо.

Всякие хорошие часы должны иметь приспособление, по возможности уменьшающее влияние температуры на их ход. Все современные хорошие часы и хронометры снабжаются компенсированной на температуру системой баланс — волосок.

Для получения температурной компенсации часов в основном применяются два метода: компенсация с помощью волоска и компенсация с помощью баланса.

Компенсация с помощью волоска. Этот способ осуществляется путем применения для волоска сплава, модуль упругости которого не зависит от температуры. В действительности термоэластический коэффициент должен несколько отличаться от нуля, чтобы уравновесить изменения размеров баланса и волоска в зависимости от температуры.

Такой простейший способ стал применяться недавно. Он предполагает создание сплавов с очень малым термоэластическим коэффициентом, которые не были известны в прошлом веке.

В начале настоящего столетия был создан первый сплав с низким термоэластическим коэффициентом, относящийся к группе никелевых сталей и названный элинваром. Ныне эти сплавы, усовершенствованные и выпускаемые различными фирмами под названиями «элинвар», «метэлинвар», «ниварокс» и т. д., позволяют изготовлять самокомпенсирующиеся волоски. Такие волоски в соединении с балансами из мельхиора или из бериллиевой бронзы обеспечивают высокую точность хода часов.

Первые волоски из элинвара осуществляли температурную компенсацию только в узких пределах изменения температуры. Новые волоски из метэлинвара и ниварокса имеют термоэластический коэффициент, очень близкий к нулю, в широком интервале температур. Часы с такими волосками отличаются ходом, почти не зависящим от температуры в гораздо более широких границах. Сплавы для этих волосков весьма сложны по составу. Имея в основе железо и никель, они содержат, кроме того, многие компоненты, например: углерод, марганец, вольфрам, молибден (сплав ме!элинвар), или марганец, кремний, бериллий, вольфрам (сплав ниварокс).

Изготовляются волоски, у которых температурный коэффициент (т. е. суточное отклонение хода на один градус) меньше 0,5 сек., в практических пределах изменения температуры.

Этот способ компенсации широко применяется в наши дни, особенно в наручных часах. Он позволяет получать также волоски,

мало чувствительные к действию магнитного поля. Подробнее об этом будет сказано ниже.

Качество температурной компенсации, создаваемой такими волосками, зависит от технологии их производства и несколько меняется в зависимости от плавки. Это одна из причин, всегда приводимых в пользу системы компенсации посредством баланса, применяемой для точных хронометров.

Фиг. 96. Биметаллический баланс.

Компенсация с помощью баланса. Такой метод применяется уже долгое время. Впервые он был предложен во второй половине XVIII в. Леруа. Оригинальная конструкция компенсационного баланса была создана в конце того же века И. П. Кулибиным.

Обод баланса в виде кольца изготовляется из двух неодинаково расширяющихся сплавов, например, из стали и латуни. Он разрезается затем в двух диаметрально противоположных местах. Баланс превращается, таким образом, в пару биметаллических дуг. Сплав, расширяющийся сильнее (латунь), находится с внешней стороны, сплав с меньшим коэффициентом линейного расширения (сталь) — с внутренней (фиг. 96).

При возрастании температуры латунь удлиняется больше, чем сталь, и биметаллическая пластинка немного изгибается по направлению к центру баланса. Момент инерции баланса при этом уменьшается, вызывая ускорение хода, рассчитанное таким образом, чтобы компенсировать отставание, которое получают в данных условиях часы под влиянием уменьшения модуля упругости волоска.

Съемные винты, расположенные на окружности баланса, позволяют корректировать компенсацию. Она увеличивается при установке винтов около свободных концов дуг (около разреза). Теория биметаллического баланса впервые была разработана в 1863 г. Она позволяет вычислить необходимую толщину металлических пластинок обода баланса. Если обозначить через е1 и е2 толщины внешней и внутренней пластинок обода баланса, а через Е1 и Е2 — модули упругости соответствующих материалов, можно найти наивыгоднейшее соотношение толщин по формуле

Первые попытки регулирования хода хронометров на температуру связываются с опытами, проводившимися еще в 1757 г., когда морские часы снабжались биметаллическим градусником. Этот градусник имел такое устройство: стальная и латунная пластинки, скрепленные винтами в нескольких точках, имеют на свободных концах два штифта, между которыми проходит спиральная пружина баланса.

Если температура повышается, то двойная пластинка, первоначально прямолинейная, изгибается — при этом металл с наибольшим коэффициентом расширения (латунь) будет на выпуклой стороне изогнутого соединения, а при понижении температуры — на вогнутой стороне.

Таким образом, биметаллический градусник автоматически укорачивал рабочую длину спирали при повышении температуры и,наоборот, удлинял ее при понижении температуры.

Однако эти опыты положительных результатов не дали,

Баланс с разрезным биметаллическим ободом из стали и латуни был впервые изготовлен в 1765 году. Обе пластинки обода (латунь снаружи, сталь внутри) были соединены винтами. Изменение кривизны пластинок, составляющих обод, происходит так, что при повышении температуры свободные концы обеих половинок пластин приближаются к оси баланса и тем самым уменьшается момент инерции баланса, а при понижении температуры — наоборот. Дальнейшее усовершенствование компенсационного баланса шло в направлении соединения разнородных металлов обода методом

склепки и пайки.

Больших успехов в изготовлении биметаллических балансов хронометра добились в 1785 г., введя сваривание латунного и стального колец, составляющих обод баланса.

Такой баланс для морских хронометров (фиг. 97) по своей конструкции и способу изготовления почти ничем не отличается от современных биметаллических балансов хронометров. Он состоит из перекладины (баррета) 1, двух биметаллических дуг 2 и 3, составляющих одно целое с барретом; внутренние части дуг изготовлены из стали, а внешние — из латуни. На дуги обода насажены два груза 4 и 5, перемещая которые можно регулировать действие температурной компенсации. Винты 6 и 7 служат для регулирования основного периода колебания баланса.

Уже сравнительно давно изобретатели, учитывая преобладающее влияние термоэластического коэффициента спирали, искали более подходящего для нее материала, чем сталь, проводя эксперименты с золотом, серебром, стеклом и палладием.

Так, например, в 1833 г., изучая ход хронометра, Дент получил температурные приращения хода при стальной спирали + 10,2 сек., при спирали из палладиевого сплава + 2,6 сек.; при стеклянной спирали +1,1 сек.

Баланс, образованный из биметаллического кольца сталь — латунь, которое было сначала спаяно, затем разрезано, оставался в течение почти двух столетий единственным и неизменным органом компенсации. Механическая точность регулирования при этом была всегда ограничена возмущением изохронизма, присущим разрезному балансу. Принцип биметаллической компенсации не мог быть заменен вплоть до того времени, когда прогресс металлургии дал возможность искать компенсацию внутри молекулярной структуры новых сплавов.

Из практики часового производства известно, что хронометр без компенсации может постоянно быть отрегулированным для любой определенной температуры, однако это регулирование недействительно для всякой другой температуры. Если хронометр снабжен компенсационным балансом, то можно, избрав соответствующую компенсацию, отрегулировать хронометр для двух данных температур.

Опыт показал, что регулирование не является действительным для других температур, кроме двух избранных. Ошибки хода в этом саучае подчиняются, в основном, следующим правилам [19], [22]:

а) между двумя заданными температурами хронометр уходит вперед;

б) при всякой температуре, выходящей за предел двух заданных температур, хронометр отстает.

Средняя погрешность компенсации характеризует компенсацию в целом, не давая/ представления о функциональной зависимости между ходом хронометра и его температурой.

Для устранения вторичной ошибки компенсации предлагалось значительное число конструкций балансов с добавочной или вторичной (вспомогательной) компенсацией.

Теорию вторичной ошибки разработал академик Шарль Эдуард Гильом.

Он показал, что все термические коэффициенты сами являются линейными функциями температуры. Поэтому размеры обычного баланса, спирали, а также и величина модуля упругости и, следовательно, величина момента инерции баланса и момента сил упругости спирали являются квадратичными функциями температуры.

Сталь и латунь, входящие в состав биметаллического обода баланса, имеют средние между 0° и t° термические коэффициенты удлинения:

Средний между 0° и t° коэффициент термического расширения этого сплава есть d = (8,508—0,00250 10^-6, что и обеспечивает выполнение условий формулы.

На основе использования теоретических предпосылок, указанных выше, была создана новая форма так называемого интегрального баланса (фиг. 98). Основным отличием интегрального баланса от обычного компенсационного является то, что дуги обода закрепляются не концами, а серединой и вместо двух компенсационных грузиков поставлено четыре (это обстоятельство делает баланс менее чувствительным к влиянию центробежной силы) и то, что для внутреннего обода интегрального баланса применяется никелевая сталь.

Компенсационные свойства баланса отечественного морского хронометра вполне обеспечивают требования технических условий на морские хронометры, но тем не менее необходимо добиваться получения более совершенных сплавов, так как требования к точным приборам времени в связи с развитием советской науки и техники повышаются с каждым годом.

Интегральный баланс морского хронометра фирмы Ланге, как нами установлено, изготовлен из следующих материалов:

а) наружный обод баланса — латунь типа Л64 — Л66;

б) внутренний обод баланса — никелевая сталь состава: никель 40,4%, хром 1,82%, марганец 1,37%, остальное железо;

в) спираль — углеродистая сталь с содержанием углерода 1,44%.

Компенсационные свойства системы баланс — спираль хронометра фирмы Ланге вполне удовлетворительны.

8. СПЛАВЫ ДЛЯ СПИРАЛЕЙ

Элинвар. В 20-х годах текущего века был открыт более совершенный материал для спиралей, чем углеродистая сталь. Это сплав элинвар, представляющий собой ферроникелевый сплав с добавлением хрома, углерода и вольфрама. Модуль упругости элинвара от действия окружающей температуры почти не изменяется.

Структура элинвара после отжига представляет собой аустенит плюс карбиды, богатые хромом и вольфрамом.

Недостатком этого сплава является заметно большая его вязкость, чем стали, вызывающая повышенное внутреннее молекулярное трение, что влечет за собой заметное уменьшение амплитуды колебаний баланса хронометра, а следовательно, и худшую его регулирующую способность. Поэтому элинвар пока нашел применение в производстве волосков для карманных, наручных и др. часов бытового назначения. Элинварный волосок применяется в паре с монометаллическим латунным балансом. Элинвар имеет следующий состав:

Некоторые разногласия имеются лишь относительно содержания хрома. Это вполне понятно, так как именно хром регулирует термоэластический коэффициент.

Существуют различные сорта элинвара. Условились считать основным показателем качества элинварных волосков изменение суточного хода часов при изменении температуры на 1°С.

Приводим табличку (французского инженера Андре Дона), с показателями сортов элинвара. Парэлинвар—это сплав типа элинвара.

Некоторые особенности изготовления волосков из элинвара.

Плавка сплавов элинвара производится по обычной методике, принятой при выплавке высоколегированных аустсннтных хромоникелевых сталей, в основной высокочастотной печи.

Горячая механическая обработка (ковка, горячая прокатка) проводится по режиму, установленному для аустенитчых сталей, т. е. 900—1100° С, при медленном нагреве и охлаждении, так как сплав имеет очень малую теплопроводность и при резком перепаде температур дает трещины. Ковка и прокатка производятся с незначительными обжатиями.

Протяжка производится после закалки с 900—950° С в воду, время выдержки устанавливается в зависимости от размера изделия.

Промежуточные отжиги — после каждых 2—3 протяжек при 900—950° С. Единовременное обжатие примерно 10—15%. Для облегчения протяжки применяют омеднение.

Из тонкой проволоки, методом плющения между валиками небольшого прокатного станка, изготовляется полоска, которая затем выпрямляется посредством волочения через фильер с четырьмя алмазами, вставленными в обойму.

Полоски в количестве 4—6 наматываются одна на другую вокруг стального валика, помещенного в барабан и имеющего соответствующее число прорезей достаточной глубины для помещения волосков. Барабан, снабженный крышкой, вставляется в печь для фиксации.

Плющение и завивка волосков должны производиться, как обычно, при комнатной температуре. Фиксация волосков производится при температуре 530—570° с выдержкой 1,5 часа.

После охлаждения волоски отделяются пинцетом и приобретают форму спирали Архимеда с расстоянием между витками, в 3—5 раз большим толщины полоски.

Небольшие размеры спирали позволяют практически подвергать ее только одной термической обработке при высокой температуре, а именно — нагреву под фиксацию в барабане.

Поэтому перед изготовлением сппрали необходимо закалить проволоку и затем, после плющения ее, соединить упрочняющий отпуск сплава с нагревом под фиксацию волоска.

Чтобы компенсировать изменение момента инерции неразрезного баланса, термоэластический коэффициент элинвара не должен быть равен нулю, а иметь незначительную положительную и почти постоянную величину в довольно большом интервале температуры.

Наряду с этим, при изготовлении волосков необходимо обеспечить равенство расстояний между витками, получение прочного, упругого, умеренно хрупкого, по возможности антимагнитного металла, имеющего минимальное внутреннее трение. Все эти требования сильно усложняют производство волосков.

Ниварокс. В 1933—1935 гг. металлургия снабдила часовое производство сплавом, более совершенным, чем элинвар; этот сплав носит название «ниварокс» и состоит из следующих элементов:
Никель..........30%

Вольфрам .... 7,3%

Бериллий .... 0,9%

Молибден .... 0,7%

Кремний .... 0,1%

Остальное .... железо

Ниварокс, не уступая по своим упругим свойствам надлежаще закаленной стали, имеет близкий к нулю термоэластический коэффициент, немагнитен, не поддается коррозии и в сочетании с монометаллическим нейзильберовым ободом баланса дает хорошие результаты.

В Швейцарии широко применяется для спиралей сплав «Глю-цидюр». Состав его близок к нивароксу, а название происходит от старого наименования бериллия —глюциний. Глюцидюр немагнитен и имеет достаточную жесткость.

Хроновар. В 1941 г. английская фирма «Телкон» по поручению английского правительства произвела большое количество химических анализов германской элинварной проволоки и на основе полученных данных изготовила сплав «Хроновар», который состоит из: углерода 0,75%, никеля 35,5%, молибдена 0,5%, хрома 9,0% и марганца 1,7%, остальное — железо.

Особенностью хроноварной проволоки являются: небольшой температурный коэффициент упругости, удовлетворительная сопротивляемость коррозии и достаточная антимагнитность.

Благодаря этим свойствам хроновар представляет собой вполне пригодный материал для изготовления часовых спиралей.

Сплав «Метэлинвар» — происходит от элинвара, но имеет по сравнению с ним дополнительные примеси, а именно — молибден и ванадий.

Новые сплавы для спиралей. В ферроникелевых сплавах алюминий и титан образуют соединения, поддающиеся упрочнению посредством закалки и отпуска. Эти присадки, взаимодействуя, дают больший эффект, чем при применении каждой в отдельности, и позволяют получить сплавы, имеющие высокую механическую прочность после термообработки. К таким сплавам относится «Дюринвал».

Изготовление дюринвала значительно сложнее, чем элинвара, но зато дюринвал имеет высокий предел упругости, приближающийся к пределу упругости стальных спиралей. Дюринвал состоит из следующих элементов (в % :
Углерод. . . 0,1
Марганец . . 2,0
Никель . . . 40---42
Алюминий . . . 1,9---2
Титан .... 2,1
Остальное . . железо

содержание .. 12 13 14 15 ..