Системе баланс-спираль поручено выполнять две основные функции, на которых основан сам принцип работы балансовых часов: непрерывно поддерживать свои колебания и обеспечивать требуемую стабильность их периода. Наличие постоянных колебаний позволяет путем непрерывного их счета измерять время, а стабильность периода колебаний обеспечивает необходимую точность этих измерений.

Следует сказать, что эти две задачи существенно различаются по сложности. Для того чтобы не происходило срыва колебаний, достаточно, чтобы их амплитуда менялась не более чем в пределах ±(10—20)% от номинала. А вот для обеспечения точности часов в обычном диапазоне ±(10—30) секунд по суточному ходу требуется сохранение всех основных параметров системы в диапазоне ± (0,01—0,03)% от номинала.

Другими словами, для обеспечения привычных нам характеристик часов необходимо сделать так, чтобы в процессе их работы параметры системы баланс-спираль менялись не более чем на несколько стотысячных долей от своих средних значений. Если учесть все многообразие внутренних и внешних воздействий, то становится понятной сложность указанных задач. Действительно, даже относительно спокойная жизнь обычных наручных часов протекает в условиях непрерывной смены их ориентации в пространстве, под воздействием периодических толчков и ударов, в жаре и в холоде, при различном атмосферном давлении и т.д. и т.п. Поэтому на протяжении столетий усилия часовой науки и техники были направлены на то, чтобы повысить «выносливость» часов в целом и колебательных систем в особенности, защитить их от вредоносного влияния внутренних и внешних вмешательств в их работу.

ЭНЕРГИЯ ВСЕМУ ГОЛОВА
Обзор факторов, мешающих точной работе часов, и способов борьбы с ними начнем с рассмотрения энергетических соотношений в системе баланс-спираль. В идеальных условиях отсутствия каких-либо потерь ее колебания могут быть бесконечными (так же как у маятника), а собственная частота колебаний зависит от двух параметров — момента инерции баланса и жесткости спирали. Реальная жизнь вносит коррективы: часть энергии тратится на преодоление трения и других потерь, поэтому без внешней поддержки колебания неизбежно затухают.

Способность нашей парочки совершать колебания и противостоять внешним воздействиям определяется параметром, носящим название добротность колебательной системы. Этот термин был введен в общей теории колебаний и ее многочисленных приложениях (таких, например, как строительная механика, радиотехника, спектроскопия, а также в теории часов) в качестве «меры колебательности» динамической системы, то есть ее способности преобразовывать поступающую в нее постоянную энергию в коле-бательную (в случае часов постоянная энергия пружинного двигателя передается балансу через колесную систему и спуск). Добротность определяется как отношение этих энергий:


Если считать, что поступающая энергия не меняется, то добротность системы баланс-спираль можно оценить только через ее собственные параметры. Для этого целесообразно заменить величину энергии А0 на суммарную энергию потерь А0 во всех элементах колебательной системы. Тогда можно определить добротность равноценным отношением:



Кроме добротности, как показателя качества системы баланс-спираль в целом, в часовом деле используются и показатели качества ее отдельно взятых основных узлов: показатель качества баланса Кб, определяемый отношением



и показатель качества спирали Кс, определяемый отношением



Эти объективные показатели качества позволяют оценить способность системы баланс-спираль и ее узлов выполнять свои функции, обосновывать выбор основных параметров этих деталей и проводить их сравнительную оценку. Понимать, что означают и от чего зависят данные показатели важно не только разработчикам и производителям механизмов, но и покупателям и продавцам часов всех уровней, желающих всерьез разбираться в этом товаре и его качестве.

Колебательная энергия пары баланс-спираль А~ складывается из кинетической энергии движущегося баланса и потенциальной энергии свернутой спирали, определяемых, соответственно, величинами момента инерции баланса и жесткостью спирали. Отсюда понятно, что для повышения качества системы баланс-спираль необходимо максимально повысить момент инерции баланса и жесткость спирали и снизить до минимума все потери в системе. Такие же рекомендации вытекают из приведенных коэффициентов качества баланса Кб и спирали Кс.

Суммарная энергия потерь в балансовых часовых колебательных системах определяется, в основном, следующими факторами:
• потерями на трение в опорах баланса (цапф о камни);
• потерями на преодоление сопротивления вращению цапф вязкой смазки опор;
• сопротивлением воздушной среды, окружающей баланс и увлекаемой им в движение;
• потерями на преодоление внутреннего (межмолекулярного) трения в материале спирали и рядом других малозначительных факторов.

На рис. 1 представлено соотношение энергий, обусловленных каждым из этих факторов. Диаграмма наглядно показывает, что самый большой вклад вносит вязкое трение, в составе которого заметно преобладают потери в опорах. По сравнению с ними остальные факторы, такие, например, как потери на трение в местах заделки концов спирали, незначительны и обычно не учитываются.

 

На рис. 2 показана зависимость между величиной амплитуды колебаний и энергией потерь А0. Поскольку все составляющие потерь растут или с ростом угла отклонения баланса (например, при этом увеличиваются потери на трение, преодоление вязкого сопротивления и трение в материале спирали), или с ростом его скорости (вместе со скоростью растет вязкое трение и сопротивление воздушной среды), то чем больше амплитуда, тем большими оказываются суммарные потери. Причем этот рост довольно резкий.

 

Этот же график наглядно иллюстрирует и сущность процесса автоматического регулирования амплитуды автоколебаний. Мы видим, что при определенной амплитуде Ф0 кривая потерь пересекает прямую А=, соответствующую поступающей в нашу колебательную систему энергии. Именно с этой амплитудой будет колебаться баланс при отсутствии внешних воздействий. Если под влиянием каких-либо внешних сил (толчков, ударов, центробежных сил и т.п.) величина амплитуды увеличится до некоторого значения Ф2, то, как видно из рис. 2, при такой амплитуде энергия потерь А0 превысит энергию привода А=, и амплитуда автоматически уменьшится сразу после прекращения действия внешней силы, стремясь вернуться к своему стационарному значению Ф0, соответствующему равенству энергии потерь и привода. При падении амплитуды до некоторого значения Ф1, меньшего Ф0, энергия привода А= превысит энергию потерь А0, вследствие чего амплитуда автоматически возрастет до своего стационарного значения Ф0.

«ЗАГОГУЛИНА» ВРЕМЕНИ
Кроме рассмотренного воздействия внешних по отношению к часам сил, значительное влияние на величину амплитуды колебаний системы баланс-спираль оказывают и изменения ряда внутренних параметров. Наиболее важными среди них являются энергия импульсов привода и энергия потерь в опорах баланса.

Первые из этих изменений вызваны неизбежными при работе часов изменениями постоянной энергии привода, поступающей на анкерное колесо от пружинного двигателя часов через его колесную систему.

Кривая 1 на рис. 3 изображает типичную картину изменения амплитуды колебаний системы баланс-спираль в течение интервала времени между двумя очередными сеансами завода часов. Видно, что она является суперпозицией нескольких синусообразных кривых с разным периодом и при этом имеет наклон вправо. Почему мы видим такую странную загогулину?

 

Наклон вправо отражает постепенное падение амплитуды, вызванное уменьшением момента пружинного двигателя часов по мере раскручивания пружины. А наложившиеся друг на друга синусоидальные кривые являются следствием того, что энергия, при-ходящая на баланс при работе часов, «плавает» из-за неизбежных дефектов изготовления зубчатого зацепления колес и изменения межцентровых расстояний в каждой колесной паре при ее вращении.

Оба вида этих изменений нарушают нормальную работу системы баланс-спираль. Причем если вторые приводят к периодическим изменениям периода колебаний относительно его среднего значения, то первые могут вызвать досрочный останов часов.

Для борьбы с этими изменениями к настоящему времени используют три основных вида мер:
• применение так называемых улиток;
• использование специальных пружинных двигателей, например, с S-образной так называемой рулонной пружиной, две ветви которой наматываются встречно в два
барабана;
• применение специальных «стабилизаторов импульса привода», представляющих собой достаточно сложные устройства, которые размещаются до анкерного колеса и накапливают для каждого импульса строго постоянную порцию энергии, независимо от ее изменений на выходе колесной системы.

На рис. 2 представлены типовые кривые изменения амплитуды при наличии в часах некоторых из этих устройств. Кривая 2 соответствует часам с S-образной пружиной и улиткой (фузеей, как ее называют в иностранной литературе), а кривая 3 — механизму со стабилизатором импульса. Видно, что две первые указанные меры позволяют устранить наклон, то есть стабилизировать среднее значение амплитуды, в то время как применение стабилизатора импульса исключает и периодические изменения.

Очевидно, что все эти устройства потребляют часть энергии пружинного двигателя, что сокращает ресурс работы часов: поэтому Т1<Т2<Т3. Для обеспечения необходимой автономности механизма требуется использование более энергоемкого двигателя.

ВНУТРЕННИЕ ПРОБЛЕМЫ
Помимо изменения количества энергии, поступающей от колесной передачи, неменьшие неприятности вызывают и перепады амплитуды, вызванные изменениями потерь в самой системе баланс-спираль. Например, с течением времени смазка в опорах баланса густеет или высыхает совсем, полимеризуется. Соответственно, вместо помощника она превращается во вредителя, повышающего силу трения. Именно поэтому производители настоятельно рекомендуют раз в несколько лет чистить и смазывать механизм часов.

 

Однако не все изменения можно «вылечить» регулярным обслуживанием. Имеется по крайней мере одна проблема, с которой часовщики пока не умеют кардинально бороться: изменение амплитуды колебаний при изменении ориентации часов в пространстве. При вертикальном положении оси баланса, когда торец цапфы имеет почти точечный контакт с камнем-подпятником, потери на трение в ее опорах минимальны. При горизонтальном положении оси, когда трение происходит на гораздо большей площади контакта цилиндрических поверхностей цапфы и отверстия в сквозном камне опоры, потери достигают максимума. Из-за этой разницы перепады амплитуды в обычных наручных часах могут составлять 40—600, что превышает ее обычное падение при расходе ресурса пружинного двигателя. Эффективных устройств, предотвращающих этих перепады, пока не создано, хотя попытки ведутся.

 

 

На рис. 5 представлено простое изменение конструкции подпятника, которое мало рекламируется, но все шире применяется специализированными камневыми производствами. Оно сводится к образованию на рабочей поверхности подпятника 3 полукруглого углубления 4 клинообразного профиля. Это приводит к тому, что при вертикальном положении оси баланса, ее цапфа 1 соскальзывает по наклонной поверхности этого углубления, пока не прижимается своей боковой поверхностью к стенке отверстия в сквозном камне 2. При этом линия контакта и, соответственно, энергия потерь будут такими же, как и при горизонтальном положении оси баланса. Теоретически это устраняет, а практически (в силу неточного изготовления) — существенно уменьшает изменения амплитуды в часах при любом изменении их ориентации.

 

 

АМПЛИТУДНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ
Перейдем к более «тонкому» вопросу — о воздействиях на систему баланс-спираль, нарушающих точность часов, и о мерах борьбы с ними.

Среди них центральное место занимает проблема неизохронности колебательной системы баланс-спираль. Теоретически период колебаний баланса не зависит от его амплитуды, и именно это положение лежит в основе использования этой пары как задатчика эталонных интервалов времени. Однако на практике все оказывается иначе: полностью добиться такой независимости невозможно, что создает одну из основных составляющих погрешности балансовых часов — так называемую не изохронную погрешность часов. Этот термин означает, что период колебания баланса меняется с изменением амплитуды его колебаний.

Гюйгенс, Гаррисон и ряд более поздних мастеров, создававших первые часы с балансовыми колебательными системами, предполагали, что колебания таких систем изохронны. В этом убеждении они основывались на открытом знаменитым ученым Робертом Гуком еще в 1660 г. фундаментальном законе о линейной связи деформации упругих тел с величиной силы, вызвавшей эту деформацию (так называемый закон Гука). Это было тем более убедительно, что экспериментальное подтверждение своего закона Гук получил, исследуя деформации в том числе цилиндрических часовых пружин.

Первые исследования неизохронных спиралей связаны с именем знаменитого французского часовщика Пьера Леруа (1717—1785 гг.). Он понял, что изохронной может быть только спираль с бесконечным числом витков, в которой закон Гука  «работает» в чистом виде. Из-за того что концы реальной спирали жестко закреплены, при ее скручивании и раскручивании возникают моменты реакции, которые вносят нелинейные добавки в характер ее деформации, что делает пару баланс-спираль неизохронной. При экспериментальных исследованиях свойств спиралей Леруа выяснил, что они зависят от угла между точками крепления внешнего и внутреннего концов спирали и при некоторых его значениях становятся минимальными.

Обеспечить требуемый угол между концами спирали довольно просто в морских хронометрах и крупногабаритных часах, в которых используется цилиндрическая спираль. А с наручными и карманными моделями, где для обеспечения компактности все витки спирали лежат в одной плоскости, сложнее: получается, что внешний виток должен пересекать остальные. Вариант исправления ситуации нашел Бреге: он интуитивно понял причину неизохронности колебаний баланса и предложил отогнуть внешний виток спирали в центр, приподняв его над остальными. По имени изобретателя спираль подобной формы сейчас называют «спиралью Бреге» или «брегетированной спиралью».

Детальный теоретический анализ погрешностей, вносимых концевыми участками спирали, в 1861 г. Провел горный инженер и математик Эдуард Филипс (1821 — 1889 гг.). Он показал, что при определенной форме так называемых концевых кривых, примыкающих к точкам крепления конечных отрезов спирали, она становится практически изохронной. Более того — Филипс дал способ построения концевых кривых требуемой формы.

В последнее время несколько компаний выпустили часы со спиралями из материала на основе кремния. К числу их основных преимуществ относят возможность изготовить спираль сложного, меняющегося по длине профиля, и возможность использования новой технологии заделки концов спирали. По заверениям Patek Philippe, Omega и других участников экспериментов, благодаря этому удается существенно улучшить изохронизм пары баланс-спираль.

 

С именем Бреге связаны и исследования еще одного вида неизохронизма колебаний системы баланс-спираль, вызванного неуравновешенностью баланса, то есть несовпадением его центра тяжести с центром вращения. В этом случае к возвращающему моменту спирали при всех положениях баланса, кроме точного горизонтального, добавляется момент неуравновешенности, подобный возвращающему моменту маятника. Этот момент зависит от положения часов в пространстве и от амплитуды колебаний баланса. Возникающие при этом отклонения величины периода колебаний приводят к особой составляющей погрешности часов, называемой позиционной погрешностью. Сила земного притяжения подталкивает баланс в одни моменты времени и тормозит в другие.

Во времена Бреге баланс уравновешивали при помощи подкладывания миниатюрных шайб под специальные винтики, вкрученные в обод. Добиться высокой точности при таком методе было крайне тяжело. Бреге предложил поместить всю колебательную систе-му и узел спуска внутрь вращающейся каретки. Благодаря тому, что каретка делает оборот раз в минуту, воздействие гравитации в разные моменты времени компенсируется. Свое изобретение Бреге назвал турбийон, что переводится как «вихрь». Сейчас балансировка баланса проводится на специальных станках путем высверливания отверстий (то есть облегчения определенных частей обода). Современное оборудование позволяет добиться очень высокой точности балансировки и делает применение турбийона бессмысленным.

ТЕМПЕРАТУРИМ?
В заключение рассмотрим еще одну существенную группу возмущающих воздействий — изменение температуры. Тела при нагревании расширяются, и при изменении температуры баланс часов изменяется в диаметре. Соответственно, иной оказывается важнейшая характеристика колебательной системы — момент инерции баланса, а с нею и период колебаний. Какими бы незначительными ни казались нам изменения размеров предметов в обычной жизни, на часы перепад температур влияет более чем сильно: в типовой системе с латунным балансом и стальной или бронзовой спиралью изменение температуры на 1 0С вызывает изменение суточного хода — так называемую темпе-ратурную погрешность — примерно в 10 секунд!

Зависимость периода колебаний от температуры была известна еще создателям первых балансовых часов. Поэтому в морском хронометре Гаррисона уже использовалось простейшее термокомпенсационное устройство — биметаллическая пластинка, которая была соединена с градусником и поворачивала его в требуемую сторону при изменениях температуры. Однако качество такой термокомпенсации было весьма низким.

В дальнейшем попытки ввести в часы элементы температурной компенсации также сводились в основном к использованию биметаллической пластинки, но ее интегрировали напрямую в баланс. Так называемый биметаллический баланс имеет обод из сваренных по плоскости стальной и латунной пластин, разрезанный в двух местах — по одному с каждой стороны перекладины. При повышении температуры свободные концы баланса прогибаются в сторону его центра, что приводит к уменьшению момента инерции баланса и компенсирует первичный эффект его температурного расширения.

Недостатком таких балансов является далеко не полная температурная компенсация и ряд неожиданных негативных явлений, например, прогиб свободных концов обода баланса при постоянной температуре под воздействием центробежной силы, возникающей при колебаниях баланса.

 

Совершенно новые возможности возникли в 1899 г. после создания Шарлем Гильомом нового баланса, в биметаллическом ободе которого сталь была заменена новым ферроникелевым сплавом — инваром (invar), состоящим из 35% никеля и 64,3% железа. Благодаря почти нулевому коэффициенту линейного расширения инвара, баланс с внутренним слоем обода и перекладиной из инвара не имел дефектов прежнего биметаллического баланса: четыре его коротких плеча не реагируют на центробежную силу, а компенсация оказалась достаточно полной, в силу чего баланс был назван интегральным.

Баланс Гильома позволял в десять раз уменьшить температурную погрешность, доведя ее до величины ±0,25 сек., что близко к значению этого показателя у современных морских хронометров.

Несмотря на несомненные успехи, Гильом на этом не остановился — он искал возможность термокомпенсации системы баланс-спираль с монометаллическим неразрезным балансом и особой самокомпенсирующейся спирали. В результате кропотливого исследования тех же ферроникелевых сплавов ему удалось создать новый материал (легированный дополнительно 10—12% хрома и рядом других металлов), упругие свойства которого практически не зависели от температуры. Он назвал его элинвар — от сокращения слов elasticite invariable.

Первый неразрезной монометаллический баланс со спиралью из элинвара был спроектирован швейцарским часовщиком П. Детисгеймом и «на всякий случай» был снабжен биметаллическими дугами, которые оказались впоследствии излишни.

В 1910г. Ш.Воле создал простой монометаллический неразрезной баланс, который в паре со спиралью из элинвара обеспечивал термокомпенсацию не хуже, чем баланс Детисгейма. Высокие компенсационные свойства этого баланса определялись тем, что изготовленные из одинакового по составу сплава перекладина и обод обладали несколько различными коэффициентами линейного расширения (на величину около 2,10-5 мм/1 0С). При изменении температуры менялась степень эллипсовидной деформации обода баланса, что позволяло почти полностью компенсировать малые температурные отклонения упругости спирали.

 

Во время Второй мировой войны по заказу адмиралтейства США фирма Hamiton изготовила и поставила американскому флоту несколько тысяч морских хронометров с дифференциальным балансом Воле, несколько упрощенным Вильямом О. Беннетом: его обод и перекладина изготовлялись из различных, но близких по своим свойствам матери-алов: хромоникелевой стали и никелевой стали соответственно.

Но и элинвар оказался не лишен недостатков — в частности, он отличается высокой чувствительностью к магнитным полям, чем и были вызваны рекомендации держать часы подальше от магнитов. К настоящему времени на смену ему приходит антимагнитный сплав ниварокс (nivarox), обладающий той же термокомпенсационной способностью, но не реагирующей сколь-либо заметно на магнитные поля с напряженностью до 100—200 Эрстед.

Даже имея столь современные материалы, как ниварокс, часовщики не прекратили эксперименты с балансами. Иногда они создают чисто декоративные устройства, призванные привлечь внимание к самой захватывающей детали часов. Например, компания Pierre Kunz несколько лет назад сделала часы с квадратным балансом. Хотя с точки зрения своих качественных показателей он был однозначно хуже балансов, применяемых в стандартных часах, сочетание квадратного корпуса часов, квадратной каретки турбийона и квадратного баланса привлекло внимание публики.

 

А компания De Betune предложила несколько вариантов баланса с пониженным аэродинамическим сопротивлением. Один из них представляет собой диск, не имеющий перекладин. Два других не имеют обода в привычном смысле этого слова. На концах перекладин из легкого титанового сплава закреплены каплевидные платиновые грузики. В одной из версий баланса дугообразные связки из золота служат элементами специфи-ческой системы термокомпенсации. В результате такой конструкции баланса уменьшаются объем прилипающего к балансу воздуха, а главное — не возникают «всплески» турбулентности при смене балансом направления движения.

 

Что касается балансов основной массы часов, то на место безраздельно царившей еще недавно латуни в качестве их основного материала приходит бериллиевая бронза, а в последнее время новый материал — глюсидур (glusydur). Как и бериллиевая бронза, этот сплав состоит из бериллия и меди и после специальной обработки приобретает крайне высокую прочность, значительно превышающую ту, что имеют все остальные используемые для этих целей материалы.
 

Опубликовано в журнале "Часовой Бизнес" № 5-2009
 

Портал профессионалов часового бизнеса TimeSeller.ru
При перепечатке активная ссылка обязательна

Теги: 5-2009 Технологии и материалы