В соответствии с Техническим заданием проекта следовало выбрать модель русского колокола 17-го века с наиболее стройной структурой звука, приятным тембром, невысоким индексом толстостенности, с хорошими прочностными характеристиками. Данную модель следовало подготовить к литью и предоставить чертеж для указанных целей, масштабированный в размер, необходимый для изготовления колокола в опоке 8,5 пудов, звучанием в одну из нот гаммы фа-мажор. Подобный колокол вышел диаметром 555 мм, с прогнозируемым звучанием ударного тона фа-мажор II.
В качестве экспериментального для разработки новой модели колокола был принят за основу 19-пудовый колокол Высоко-Петровского монастыря, отлитый в 1653 году в Москве (нижний диаметр 799 мм, индекс толстостенности – 201,6). Эта модель восходит к творчеству артели Е. Данилова или других славных литейщиков Пушеного двора того десятилетия. Колокол отличают высокое качество литья, обработки, высокие прочностные характеристики и привлекательный тембр, а также стройность структуры низших частот звучания. Приведенные ниже данные получены в процессе воссоздания и незначительной коррекции указанной модели. Расчеты производились программным и аналитическим методами.
Результаты расчета объема и массы колокола-прототипапри плотности материала 8600 кг/м3 приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Расчетные характеристики колокола-прототипа
| Элемент колокола | Объем, м3 | Масса, кг |
| Корона + кольцо | 0,0022 | |
| Колокол без короны | 0,0345 | |
| Колокол целиком | 0,0367 |
Результаты расчета динамических характеристик при модуле упругости материала E = 1,0·1011 Па и реальные частоты колокола-прототипа приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Спектр низших частот колокола-прототипа
| Номер тона | Реальные частоты, Гц | Отклонение от идеальной структуры звука, % | Расчетные частоты, Гц | Отклонение от реальных частот, % | Примечание |
| 247,63 | -0,5 | -3,2 | Унтертон | ||
| 497,96 | 0(точка отсчета) | -3,1 | Основной тон | ||
| 600,24 | +0,5 | -1,7 | Малая терция | ||
| 775,2 | +3,8 | -8,1 | Квинта | ||
| 1009,4 | +1,4 | -0,1 | Октава | ||
| 1313,5 | +4,1 | -9,3 | Большая терция |
После получения приведенных данных, путем внесениянезначительной коррекциигеометрии профиля и короны был разработан ряд профилей (3 версии), из которых выбирался лучший по условиям:
· Более строгого соответствияструктуры низших частот звучания идеальным значениям
· Компромисса между прочностными свойствами и эстетикой звучания + внешнего вида
· Низких значений логарифмического декремента затухания частот
· Снижения индекса тлостостенности
· Геометрически правильных изгибов лекал
· Технологических и экономических выгод
Расчетные характеристики нового профиля и другие полученные данные приводятся ниже:
Рисунок 1 – Эскиз нового колокола
Таблица 3 – Расчетные характеристики откорректированной модели колокола
| Элемент колокола | Объем, м3 | Масса, кг |
| Корона | 0,00228 | 19,7 |
| Кольцо (плотность 7900 кг/м3) | 0,000063 | 0,5 |
| Колокол без короны | 0,0332 | 285,3 |
| Колокол целиком | 0,0355 | 305,5 |
Таблица 4 – Расчетный спектр низших частот откорректированной модели колокола
| Номер тона | Частота, Гц | Отклонение от расчетных частот оригинала, % | Отклонение от идеальной структуры звука, % | Примечание |
| -0,4 | Унтертон | |||
| -0,2 | 0 (точка отсчета) | Основной тон | ||
| -1,9 | +0,1 | Малая терция | ||
| -0,7 | -1,5 | Квинта | ||
| -3,1 | +1,3 | Октава | ||
| -0,5 | -2 | Большая терция |
Индекс толстостенности упал до отметки 195,1.
Рисунок 2 - Конечно-элементная модель уточненного профиля колокола
Рисунок 3 - Первый тон (240 Гц)
Рисунок 4 - Второй тон (482 Гц)
Рисунок 5 - Третий тон (579 Гц)
Рисунок 6 - Четвертый тон (712 Гц)
Рисунок 7 - Пятый тон (977 Гц)
Рисунок 8 - Шестой тон (1196 Гц)
Далее, было проведено уточнение ударного места для языка и размеры кольца для языка,расчет и масштабирование профиля в нужный размер, коррекция профиля под литье и анализ размещения формы в опоке (два варианта).
Таблица 5 – расчетные характеристики нового колокола
| Диаметр при слышимом тоне колокола фаII октавы (возможные отклонения +/- 50 центов) | Диаметр при слышимом тоне колокола фаII октавы (возможные отклонения +/- 50 центов) с коррекцией | Вес готового колокола (возможные отклонения +/- 3%) | Диаметр с припуском под литье |
| 559 мм | 555 мм | 102 кг | 562 мм |
Чертеж формы для литья прилагается. Просьба учесть, что неизбежные погрешности при формовке приведут к тому, что форма будет отличаться в геометрии на величину до 0,5%, что приведет к незначительному отклонению от заданного спектра частот.
Рисунок 9 - Эскиз размещения формы нового колокола в опоках на 8,5 пудов (первый и второй варианты).
| 
|
На рисунке 9 приведен эскиз размещения формы в опоках 8,5 пуда. При моделировании размещения формы в опоках оценивались достоинства и недостатки обоих вариантов (первый и второй - размеры в скобках). По полученным данным входит, что форма может быть установлена в обоих опоках, но в случае первого вариант будет достигнута экономия расходных материалов (керамика или гипс) в 10-12%, однако район верхней трети юбки колокола после заливки будет остывать быстрее нижней части. Эта неравномерность может вызвать различия в структуре сплава и преждевременно затормозить в процессе остывания подпитку металлом нижней части из верхней, что приведет к увеличению процента усадочной пористости. В случае использования второго варианта, если пренебречь экономией, слой керамики между опокой и формой будет значителен и равномерен по толщине – он обеспечит более однородную скорость остывания.
Ниже, в Таблице 6 приведены результаты литья экспериментального колокола новой модели.
Таблица 6 – Оценка результатов литья.
| номертона | фактическиечастоты, Гц | Нота, октава, отклонение в центах | проектныечастоты, Гц | отклонение, % | соотношениечастот | идеальнаяструктура | отклонение, % | |
| 342,7/349 | Фа 3, -30 | 339,59 | +0,92 | 0,5 | 0,5 | |||
| 685,4/697 | Фа 4, -30 | +0,5 | ||||||
| 826,6/838 | Ля-бемоль 4, -10 | 819,25 | +0,9 | 1,21 | 1,2 | 0,5 | ||
| 1029/1059 | До 5, -25 | 1007,44 | +2,14 | 1,501 | 1,5 | 0,09 | ||
| 1382,4/1411 | Фа 5, -20 | 1396,91 | -1,04 | 2,017 | 0,85 | |||
Старший звонарь
Данилова