Макет ватт-весов: математическое моделирование вертикальных направляющих на основе ирисовых пружин

Новое определение килограмма в Международной системе единиц связанно с фиксированием значения постоянной Планка. Новое определение килограмма практически реализуется компарированием механической и электрической мощностей в ватт-весах. Одним из основных узлов ватт-весов является катушка с током, движущаяся в постоянном однородном магнитном поле. Параметры движения катушки влияют на точность работы ватт-весов. Катушка должна двигаться строго вертикально без дополнительных движений, в том числе без поворотов относительно корпуса ватт-весов. Для обеспечения вертикального движения катушки ватт-весов в качестве направляющей предложена ирисовая пружина. Ирисовые пружины характеризуются малой продольной жёсткостью при значительной жёсткости в поперечных направлениях. Развит модельный подход, при котором реальная ирисовая пружина из-за сложной геометрической формы заменена моделью, сохраняющей основные свойства исходной ирисовой пружины. Предложена и исследована модель лепестка ирисовой пружины в форме прямоугольной пластины с соответствующими уравнениями теории тонких пластин. При заданных деформациях (высоте изгиба) лепестка ирисовой пружины вычислены силы, действующие на лепесток. В режиме взвешивания пружина практически не деформирована, а её воздействие на катушку с током составляет приблизительно 10^–6 Н. Вычислены углы поворота внутреннего кольца пружины для заданного набора высот. Рассмотренный подход к конструкции ирисовой пружины можно применить при разработке и создании ватт-весов в Российской Федерации.

1. Mills I., Mohr P., Quinn T., Taylor B., Williams E., Metrologia, 2006, vol. 43, pp. 227–246. https://doi.org/10.1088/0026-1394/43/3/006

2. Исаев Л. К., Кононогов С. А., Хрущев, В. В. О переопределении четырех основных единиц СИ // Измерительная техника. 2013. N 4. С. 3–8 [Isaev L., Kononogov S., Khruschov V., On the Redefi nition of the Four Base SI Units, Measurement Techniques, 2013, vol. 56, no. 2, pp. 113–120. https://doi.org/10.1007/s11018-013-0167-4 ]

3. Stock M., Davis R., Mirandés E., Milton M., Metrologia, 2019, vol. 56, 022001. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab0013

4. Mills I., Mohr P., Quinn T., Taylor B., Williams E., Metrologia, 2005, vol. 42, pp. 71–80. https://doi.org/10.1088/0026-1394/42/2/001

5. Steiner R., Newell D., Williams E., J. Res. Natl Inst. Stand. Technol., 2005, vol. 110, no. 1, pp. 1–26. http://dx.doi.org/10.6028/jres.110.003

6. Robinson I., Metrologia, 2012, vol. 49, no. 1, pp. 113–156, https://doi.org/10.1088/0026-1394/49/1/016

7. Richard P., Fang H., Davis R., Metrologia, 2016, vol. 53, pp. A6–A11. https://doi.org/10.1088/0026-1394/53/5/A6

8. Possolo A., Schlamminger S., Stoudt S., Pratt J., Williams C., Metrologia, 2018, vol. 55, pp. 29–37. https://doi.org/10.1088/1681-7575/aa966c

9. Robinson I., Schlamminger S., Metrologia, 2016, vol. 53, pp. A46–A74. https://doi.org/10.1088/0026-1394/53/5/A46

10. Jiang X., Zeng W., Smith I., Scott P., Maletras F., Measurement Science and Technology, 2007, vol. 18, pp. 1487–94. https://doi.org/10.1088/0957-0233/18/5/039

11. Baumann H., Eichenberger A., Cosandier F., Jeckelmann B., Clavel R., Reber D., Tommasini D., Metrologia, 2013, vol. 50, pp. 235–242. https://doi.org/10.1088/0026-1394/50/3/235

12. Тимошенко С. П., Курс теории упругости / Под ред. Э. И. Григолюка: Киев: Наукова думка, 1972. 501 с. [Timoshenko S., Theory of Elasticity, McGraw-Hill Book Co., N.Y., 1934. 416 p.]

13. Тимошенко С. П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки: Пер. с англ., под ред. Г. С. Шапиро: M.: Наука, 1966. 635 c. [Timoshenko S. P., Woinowsky-Krieger S., Theory of Plates and Shells, McGraw-Hill, N.Y., second ed., 1959. 595 p.].

14. Смирнов В. И., Курс высшей математики, том второй: М., Л.: ГИТТЛ, 1952. 622 c. [Smirnov V. I., A course of higher mathematics, vol. II, Pergamon Press, Addison-Wesley, Oxford, 1964, 630 p.]