МАРТЕНСИТНЫЙ ПРИВОД Российский патент 1994 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, в которых для получения механической энергии используются тепловые деформации рабочих элементов из сплава с термомеханической памятью формы, что обеспечивает значительные усилия подачи при требуемой величине перемещения, и может быть использовано в качестве приводов различных агрегатов, а также для автоматического управления перемещениями узлов и механизмов при различных технологических процессах.

Известен исполнительный механизм, содержащий элемент из сплава с термомеханической памятью формы и фиксатор элемента после срабатывания.

Недостатком данного устройства является наличие отверстий под заклепочное соединение, что нарушает сплошность структуры материала и является предпосылкой для возникновения в ослабленной зоне напряжений выше допустимых, что может привести к необратимой деформации и потери свойств памяти формы, а также к разрушению элемента по линиям повышенных напряжений, задаваемых этими отверстиями. Другим недостатком является сложная изогнутая форма элемента, имеющая три направления изгиба, вследствие чего каждый изгиб, работая, оказывает влияние на смежные изгибы, а результирующий рабочий ход будет складываться как сумма рабочих ходов трех заданных направлений изгиба. Но так как радиусы изгиба направлены в разные стороны, то результирующий рабочий ход и усилие будут иметь уменьшенную величину по сравнению с однонаправленным изгибом силового элемента. Кроме того, в процессе работы возникают знакопеременные нагрузки в местах изгиба, что может привести к быстрой потере термомеханической памяти формы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является тепловой привод, содержащий корпус с крышками и камерой, в которой установлены шток с поршнем и два термочувствительных элемента из материала с термомеханической памятью формы, соединенные со штоком в противофазе.

Недостатком данного устройства является, во-первых, изготовление термочувствительного элемента сложной геометрической формы при наличии большого количества глубоких вырезов, пазов, центрального отверстия и целого ряда мелких отверстий, что значительно усложняет технологичность изготовления термочувствительного элемента и увеличивает трудоемкость его изготовления из-за сложности обработки вследствие вязкости материала при прочности на уровне инструментальных сталей и требует специального технологического оборудования. Кроме того, нарушение сплошности среды (отверстия, пазы, вырезы) вызывает возникновение больших внутренних аккомодационных напряжений в окрестности растущего кристалла мартенсита, которые, достигая критического уровня, могут вызвать пластическое течение материала, т. е. необратимую деформацию (см. Хачин В. Н. Память формы, М. : Знание, 1984, 64 с. Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Физика", N 6, с. 18). Таким образом, все нарушения сплошности в структуре материала являются причиной возникновения высоких местных напряжений в зоне каждого отверстия, паза, выреза, которые становятся концентраторами напряжений и по заданным ими направлениям смогут развиваться необратимые изменения в структуре материала, что может привести к полному его разрушению по этим направлениям.

Во-вторых, предложенный способ установки пары термочувствительных элементов, механически связанных между собой заклепочным соединением с опиранием их концов на металлические шайбы не позволит использовать максимально возможные напряжения, генерируемые сплавом при работе на изгиб, т. к. нежесткое закрепление концов термочувствительных элементов на металлических шайбах может обеспечить большую величину их изгиба, но уменьшает генерируемые напряжения, величина которых при условии жесткого защемления концов ограничена только пределом текучести сплава (см. Хачин В. Н. Память формы, М. : Знание, 1984, 64 с. Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Физика" N 6, с. 35).

В-третьих, следует уточнить формулировку авторов изобретения, принятого за прототип, о повышении КПД двигателя за счет использования эффекта необратимой термомеханической памяти формы при попеременной работе двух секций привода и повышении технологичности изготовления термочувствительного элемента за счет отсутствия операции по отработке их обратимой памяти. Повышение КПД в известном приводе (см. а. с. СССР N 1462906) не происходит по причине того, что при работе одной секции часть ее энергии (до 30 % ) затрачивается на взведение (деформацию) силовых элементов для следующего цикла. Кроме того, после порядка 70-100 циклов у силовых элементов в результате фазового наклепа возникает обратимая память и появляется стабильность величин генерируемого усилия и величин рабочего хода (см. Кондраков И. М. Разработка и создание мартенситного привода машин для прохождения скважин в массиве горных пород. Автореф. дисс. к. т. н. , Новосибирск, 1988, с. 5).

Целью изобретения является улучшение деформационно-силовых характеристик мартенситного привода путем максимального использования объема рабочего тела термочувствительных элементов при их работе на изгиб.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом мартенситном приводе, содержащем корпус с крышками и камерой, в которой установлены шток и симметрично расположенные на нем с возможностью осевого перемещения термочувствительные силовые элементы, выполненные из сплава с термомеханической памятью формы, и образующие секции, каждая из секций мартенситного привода снабжена пружинным приводом и несколькими парами подвижных опор, между которыми расположены термочувствительные элементы, которые соединены с ними шарнирно и образуют силовые модули, при этом одни из крайних силовых модулей опирается в крышку корпуса, а другие служат упором пружинного привода. Шарнирное соединение термочувствительного силового элемента с подвижной опорой выполнено в виде несимметричной шарнирной втулки, имеющей паз для фиксации конца термочувствительного силового элемента и сквозное отверстие для оси, закрепленной на подвижной опоре. Каждая из подвижных опор состоит из пары жестко связанных между собой дисков с вырезами прямоугольной формы по краю диска, при этом в дисках выполнена радиальная проточка полукруглого сечения, служащая для установки в нее кольца, являющегося осью для несимметричной шарнирной втулки. В сквозном отверстии несимметричной шарнирной втулки установлен цилиндрический изолятор. Термочувствительный силовой элемент выполнены в виде дугообразной пластинки толщиной δ, предельный радиус изгиба которой в холодном состоянии не должен быть меньше величины критического радиуса, определяемого по формуле R_кр = 100 δ/2ε , где ε≅ 10% . Подвижные опоры силовых модулей жестко соосно связаны с ограничительными втулками, равными по длине величине критического радиуса. Термочувствительные силовые элементы отдельного силового модуля соединены в единую электрическую цепь последовательно, при этом силовые модули каждой секции также связаны между собой в электрическую цепь последовательно. В варианте выполнения устройства термочувствительные силовые элементы установлены дуговой частью внутрь силового модуля.

Использование силовых модулей в виде нескольких пар подвижных опор, между которыми расположены силовые элементы, шарнирно соединенные с ними своими концами, позволяет исключить возникновение противодействующих местных знакопеременных напряжений, возникающих в месте жесткого защемления концов дугообразного силового элемента (что в прототипе исключает из работы некоторую часть объема рабочего тела силового элемента). Предложенный способ закрепления силового элемента (шарнирный) ликвидирует возникновение местных сопротивлений, снижающих величину генерируемого усилия и направленных против направления требуемого рабочего хода.

Пружинный привод требуется для "взведения" силовых модулей и осуществления обратного хода каждой секции, хотя после отработки обратимой памяти формы пружинный привод может быть удален из конструкции устройства.

Опирание крайних силовых модулей в крышку корпуса и пружинный привод служит для передачи генерируемого усилия и рабочего хода на шток привода.

Выполнение шарнирного соединения в виде несимметричной шарнирной втулки служит для закрепления силового элемента и обеспечения его свободного движения относительно подвижной опоры при изменении его радиуса изгиба.

Вырезы прямоугольной формы по краю диска служат для размещения в них шарнирной втулки. Радиальная проточка полукруглого сечения служит для установки в нее кольца, являющегося осью для шарнирной втулки при установке их в вырезы прямоугольной формы подвижной опоры. Наличие в сквозном отверстии несимметричной шарнирной втулки цилиндрического изолятора служит для изоляции втулок с виловыми элементами от подвижных опор и предотвращения возможности короткого замыкания.

Ограничение предельного радиуса изгиба силового элемента до критического обеспечивает долговечность работы силового элемента. Деформация силового элемента на величину, превышающую рекомендуемое значение, может повлечь потерю "памяти" и поломку силового элемента в месте изгиба.

Ограничительные втулки, связанные с подвижными опорами и имеющие длину, равную величине критического радиуса, служат предохранителями, ограничивающими перемещение подвижных опор в направлении "друг к другу", что обеспечивает условие сохранения радиуса выше критического.

Соединение силовых элементов в единую электрическую цепь последовательно и аналогичное соединение силовых модулей между собой служит для обеспечения нагрева силовых элементов непосредственным пропусканием через них электрического тока.

Установка силовых элементов изгибом внутрь позволяет уменьшить объем силового модуля ориентировочно в три раза и тем самым уменьшить габариты устройства.

Дополнительный поиск и анализ научно-технической и патентной литературы показал, что известен имплантат в виде металлической скобы, выполненной из сплава с термомеханической памятью формы, концы которой соединяются с костными обломками. При нагревании имплантат "вспоминает" прямолинейную форму и стягивает костные обломки, фиксируя их в таком положении (см. Хачин В. Н. Память формы. М. : Знание, 1984, 64 с. Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Физика", N 6, с. 35). Однако данное устройство одноразового действия и после фиксации сломанной кости не извлекается. Отличие предлагаемого технического решения от данного состоит в том, что обеспечивается многократное действие пластинчатых дугообразных силовых элементов, шарнирно закрепленных между подвижными опорами, за счет попеременного подвода и отвода тепла. Других технических решений с признаками, аналогичными заявляемому, в литературе не обнаружено, таким образом предлагаемое техническое решение отвечает критериям "новизна" и "существенное отличие".

На фиг. 1 изображен привод, общий вид; на фиг. 2 - общий вид силового модуля в исходном положении; на фиг. 3 - вид силового модуля сверху; на фиг. 4 - общий вид силового модуля в рабочем положении; на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема соединения силовых элементов модуля; на фиг. 6 - вариант выполнения силового модуля с силовыми элементами, установленными дуговой частью внутрь силового модуля.

Мартенситный привод состоит из корпуса 1 с крышками 2 и 3 и камерой 4, в которой установлены шток 5 и симметрично расположенные на нем с возможностью осевого перемещения термочувствительные силовые элементы 6, выполненные из сплава с термомеханической памятью формы, и образующие секции 7 и 8 (нижнюю и верхнюю), причем каждая из секций 7 и 8 мартенситного привода снабжена пружинным приводом 9 и 10 и несколькими парами подвижных опор 11, между которыми расположены термочувствительные силовые элементы 6, которые соединены шарнирно и образуют силовые модули 12, при этом один из крайних силовых модулей 12 опирается в крышку 2 и 3 корпуса 1, а другие служат упором пружинного привода 9 и 10. Между одними из крайних силовых модулей 12, служащих упорами пружинных приводов 9 и 10, и пружинными приводами 9 и 10 расположены жестко связанные со штоком 5 упорные диски 13 и 14, имеющие планки 15 и 16, взаимодействующие с концевыми выключателями 17 и 18, закрепленными на внутренней поверхности корпуса 1 каждой секции 7 и 8 и связанные с блоком управления 19. Шарнирное соединение термочувствительного силового элемента 6 с подвижной опорой 11 выполнено в виде несимметричной шарнирной втулки 20, имеющей паз 21 для фиксации конца термочувствительного силового элемента 6 и сквозное отверстие 20 для оси 23, закрепленной на подвижной опоре 11. Каждая из подвижных опор 11 состоит из пары жестко связанных между собой дисков 24 с вырезами 25 прямоугольной формы по краю диска 24, при этом в дисках 24 выполнена радиальная проточка 26 полукруглого сечения, служащая для установки в нее кольца, являющегося осью 23 для несимметричной шарнирной втулки 20. В сквозном отверстии 22 несимметричной шарнирной втулки 20 установлен цилиндрический изолятор 27. Термочувствительный силовой элемент 6 выполнен в виде дугообразной пластинки толщиной δ, предельный радиус изгиба которой в холодном состоянии не должен быть меньше величины критического радиуса, определяемого по формуле R_кр = 100 δ/2 ε, где ε≅ 10% . Подвижные опоры 11 силовых модулей 12 жестко соосно связаны с ограничительными втулками 28, равными по длине величине критического радиуса. Термочувствительные силовые элементы 6 отдельного силового модуля 12 соединены в единую электрическую цепь последовательно, при этом силовые модули 12 каждой секции 7 и 8 также связаны между собой в электрическую цепь последовательно. Термочувствительные силовые элементы 6 в варианте выполнения могут быть установлены дуговой частью внутрь силового модуля 12.

Термочувствительные силовые элементы выполняются из сплава с термомеханической памятью формы (52-56% никеля, 44-46% титана), что позволяет при мартенситном превращении получить значительные механические напряжения, порядка 40-80 кг/мм² (см. Хачин В. Н. Память формы. М. : Знание, 1984, 64 с. Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Физика", N 6, с. 35).

К работе силовые модули подготавливают следующим образом. Сначала готовят отдельные силовые элементы. Для этого заготовки, нарубленные из листового материала в виде пластин прямолинейной формы заданного размера с обработанной после реза боковой поверхностью для снятия возможных концентраторов напряжения, помещают в специальный штамп, имеющий дугообразную форму и деформируют, зажимая в штампе. Затем заготовки вместе со штампом помещают в муфельную печь, где постепенно нагревают их до температуры 550-600^оС и выдерживают при этой температуре в течение 60 мин для закрепления дугообразной формы в памяти материала. После отжига силовые элементы постепенно охлаждают до комнатной температуры вместе с печью, извлекают из штампа и объединяют в силовой модуль, закрепляя в пазах шарнирных втулок и собирая их затем на оси, устанавливаемой в радиальной проточке подвижных опор, объединяют в единую последовательную электрическую цепь и размещают на штоке привода, после чего модули подвергают термоциклированию порядка 70-100 циклов для отработки обратимой памяти формы.

Мартенситный привод работает следующим образом. При подаче питания на блок управления 19 он вырабатывает сигнал на включение нагрева термочувствительных силовых элементов 6 модулей 12 нижней секции 7 мартенситного привода до температуры конца обратного мартенситного превращения (А_к). Нагреваясь, термочувствительные силовые элементы в результате проявления эффекта термомеханической памяти формы начнут распрямляться, генерируя значительные усилия и перемещая жестко связанный со штоком 5 упорный диск 14 вверх, сжимая пружинный привод 10 и силовые модули 12 верхней секции 8 вплоть до отключения концевого выключателя 18 планкой 16, закрепленной на упорном диске 14, в результате чего на блок управления 19 поступает сигнал на отключение питания нижней секции 7 мартенситного привода. К этому моменту силовые модули 12 верхней секции 8 примут положение, при котором радиус изгиба термочувствительного силового элемента 6 будет равен критическому и дальнейший его ход, который может привести к поломке силового элемента 6, будет ограничен ограничительными втулками 28. При этом планка 15 на упорном диске 13, жестко связанном со штоком 5, упрется выступом в концевой выключатель 17, чем подаст сигнал на включение питания верхней секции 7 привода, силовые элементы 6 которой, нагреваясь, в свою очередь будут распрямляться, генерируя усилия и перемещая шток 5 в противоположном направлении с одновременным взведением своего пружинного привода 9, тем самым возвращая термочувствительные силовые элементы 6 нижней секции 7 в исходное положение. Кроме того, термочувствительные силовые элементы 6 нижней секции 7 привода после отключения подачи на них питания начнут охлаждаться и деформироваться в направлении исходного состояния под действием эффекта обратимой памяти формы и потери упругости за счет пластичности превращения, а также под действием возвращающегося к исходному состоянию взведенного пружинного привода 10. Распрямление и нагрев термочувствительных силовых элементов 6 верхней секции 8 будет происходить до температуры А_к и до тех пор, пока связанная с упорным диском 13 планка 15 не отключит концевой выключатель 17 и не подаст на блок управления 19 сигнал на отключение подачи напряжения на термочувствительные силовые элементы 6 верхней секции 8 мартенситного привода и на подачу напряжения на силовые элементы 6 нижней секции 7, при этом пружинный привод 9 перейдет во взведенное состояние, т. к. на блок управления 19 придет сигнал на включение питания силовых элементов 6 нижней секции 7 от концевого выключателя 18 под действием перемещающегося упорного диска 14 под действием пружинного привода 10, воздействия распрямляющихся силовых элементов 6 верхней секции 8 и эффекта обратимой памяти формы силовых элементов 6 нижней секции 7. Далее цикл повторяется. Блок управления 19 поддерживает режим нагрева таким образом, чтобы охлаждающие силовые элементы 6 данной секции могли успеть остыть за время нагрева силовых элементов другой секции.

Использование предлагаемой шарнирной системы закрепления термочувствительных элементов, выполненных из сплава с термомеханической памятью формы, в подвижных опорах силовых модулей позволит максимально использовать объем рабочего тела термочувствительных элементов при их работе на изгиб, что позволит улучшить рабочие характеристики предлагаемого мартенситного привода.

(56) Авторское свидетельство СССР N 1508667, кл. F 03 G 7/06, 1988.

Авторское свидетельство СССР N 1462906, кл. F 03 G 7/06, 1987.

Использование: машиностроение, в частности устройства для автоматического управления механизмами в различных технологических процессах. Сущность изобретения: мартенситный привод выполнен многосекционным, каждая из секций снабжена пружинным приводом 9 и 10 и несколькими парами подвижных опор 11, между которыми расположены термочувствительные силовые элементы 6, которые соединены с ними шарнирно и образуют силовые модули 12, при этом один из крайних силовых модулей опирается в крышку 2 и 3 корпуса 1, а другие служат упором пружинного привода 9 и 10, шарнирное соединение термочувствительного силового элемента 6 с подвижной опорой 11 выполнено в виде несимметричной шарнирной втулки, имеющей паз для фиксации конца термочувствительного силового элемента и сквозное отверстие для оси, закрепленной на подвижной опоре 11, состоящей из пары жестко связанных между собой дисков с вырезами прямоугольной формы по краю диска, в котором выполнена радиальная проточка полукруглого сечения, служащая для установки в нее кольца, являющегося осью для несимметричной шарнирной втулки в сквозном отверстии несимметричной шарнирной втулки установлен цилиндрический изолятор, подвижные опоры 11 силовых модулей 12 жестко соосно связаны с ограничительными втулками, равными по длине величине критического радиуса, термочувствительные силовые элементы 6 отдельного силового модуля 12 соединены в единую электрическую цепь последовательно и могут быть установлены дуговой частью внутри него. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. МАРТЕНСИТНЫЙ ПРИВОД, содержащий корпус с крышками и камерой, в которой установлены шток и симметрично расположенные на нем с возможностью осевого перемещения термочувствительные силовые элементы, выполненные из сплава с термомеханической памятью формы, и образующие секции, отличающийся тем, что, с целью улучшения деформационно-силовых характеристик мартенситного привода путем максимального использования объема рабочего тела термочувствительных силовых элементов при их работе на изгиб, каждая из секций мартенситного привода снабжена пружинным приводом и несколькими парами подвижных опор, между которыми расположены термочувствительные силовые элементы, которые соединены с ними шарнирно и образуют силовые модули, при этом одни из крайних силовых модулей опираются в крышку корпуса, а другие служат упором пружинного привода. 2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что шарнирное соединение термочувствительного силового элемента с подвижной опорой выполнено в виде несимметричной шарнирной втулки, имеющей паз для фиксации конца термочувствительного силового элемента и сквозное отверстие для оси, закрепленной на подвижной опоре. 3. Привод по п. 1, отличающийся тем, что каждая из подвижных опор состоит из пары жестко связанных между собой дисков с вырезами прямоугольной формы по краю диска, при этом в дисках выполнена радиальная проточка полукруглого сечения, служащая для установки в нее кольца, являющегося осью для несимметричной шарнирной втулки. 4. Привод по п. 1, отличающийся тем, что в сквозном отверстии несимметричной шарнирной втулки установлен цилиндрический изолятор. 5. Привод по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный силовой элемент выполнен в виде дугообразной пластинки толщиной δ , предельный радиус изгиба которой в холодном состоянии не должен быть меньше величины критического радиуса, определяемого по формуле
R_кp= 100δ / 2ε ,
где ε≅10% . 6. Привод по п. 1, отличающийся тем, что подвижные опоры силовых модулей жестко соосно связаны с ограничительными втулками, равными по длине величине критического радиуса. 7. Привод по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительные силовые элементы отдельного силового модуля соединены в единую электрическую цепь последовательно, при этом силовые модули каждой секции также связаны между собой в электрическую цепь последовательно. 8. Привод по п. 1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения его поперечных размеров, термочувствительные силовые элементы установлены дуговой частью внутрь силового модуля.