ПРИВОД Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к силовым приводам, в частности к тепловым приводам, действие которых основано на способности материала с термомеханической памятью восстанавливать свою форму при нагревании, и может использоваться в различных устройствах, например в малогабаритных прессах, устройствах для разрушения горных пород и др.

Известен привод, содержащий неподвижную и подвижную опоры, рабочие элементы, выполненные из материала с термомеханической памятью его переменной длины, и возвратный элемент в виде пружины, расположенные между подвижной и неподвижной опорами, и нагреватель рабочих элементов [1].

Известен также привод, содержащий неподвижную и подвижную опоры, между которыми установлены рабочие элементы, выполненные из материала с термомеханической памятью, одни из которых удлиняются, а другие сокращаются при восстановлении формы в результате повышения температуры, и возвратный элемент в виде пружины [2].

Недостатком известных устройств является низкий КПД из-за того, что значительная часть развиваемого рабочими элементами усилия идет на преодоление сопротивления со стороны возвратного элемента, возрастающего с величиной перемещения подвижной опоры в процессе рабочего хода. Кроме того, значительно меньшие допустимые упругие деформации у материала, из которого изготовлена пружина, чем у рабочих элементов, приводят к увеличению габаритов и массы привода.

Известно также применение монокристаллов сплава на основе меди с термомеханической памятью в качестве силовых элементов [3]. Однако в известных устройствах это не дает существенного увеличения КПД вследствие того, что разность между напряжением, развиваемым при восстановлении формы, и напряжением деформирования в охлажденном состоянии, а также восстанавливаемая деформация в широко распространенном сплаве нитинол и в монокристаллах сплавов на основе меди близки по величине [4].

Наиболее близким к заявляемому является привод, содержащий неподвижную опору, подвижную опору, выполненную в виде штока с упорными фланцами по торцам, проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре, рабочие и возвратные элементы в виде змеевиков, скоб или петель, выполненные из материала с термомеханической памятью, например из нитинола, расположенные по разные стороны от неподвижной опоры, охватывая подвижную опору, и средства нагрева и охлаждения рабочих и возвратных элементов [5].

В данном приводе выполнение возвратных элементов из материала с термомеханической памятью позволяет уменьшить долю рабочего усилия, затрачиваемую на деформирование (сжатие) возвратных элементов, а также габариты и массу привода, однако его КПД также невысок, так как значительная часть (до половины) подводимой тепловой энергии затрачивается на непроизводительный нагрев возвратных элементов, и, кроме того, из-за того, что рабочие и возвратные элементы выполнены в виде змеевиков, скоб или петель, в которых материал работает на кручение или изгиб и свои функции выполняет только часть их объема, а энергия затрачивается на нагревание всего объема. Использование монокристаллов сплава на основе меди для изготовления рабочих и возвратных элементов также не дает эффекта по тем же причинам, что и в других известных конструкциях привода. Следует отметить также, что изготовление рабочих элементов из монокристаллов сплава на основе меди с термомеханической памятью в виде полых скоб, змеевиков, петель является сложной технологической задачей, не решенной в настоящее время.

Цель изобретения - повышение КПД привода.

Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции привода, содержащей неподвижную опору, подвижную опору, выполненную в виде штока с упорными фланцами по торцам, проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре, рабочие и возвратные элементы, выполненные из материала с термомеханической памятью его переменной длины, расположенные по разные стороны от неподвижной опоры, охватывая подвижную опору, и средство нагрева рабочих элементов, при этом рабочие и возвратные элементы выполняют из монокристаллов сплава на основе меди в виде прямых стержней и устанавливают в обоймах, причем суммарное сечение рабочих элементов больше суммарного сечения возвратных элементов, а температура восстановления длины у возвратных элементов ниже температуры охлаждающей среды, а у рабочих элементов - выше температуры охлаждающей среды.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого привода с крайним нижним положением его подвижной опоры в охлажденном состоянии; на фиг. 2 - принципиальная схема пресса с описываемым приводом; на фиг.3 - схема устройства для разрушения горных пород с описываемым приводом.

Привод содержит неподвижную опору 1 и подвижную опору 2, выполненную в виде штока с упорными фланцами 3 и 4 по торцам. Подвижная опора проходит через отверстие 5, выполненное в неподвижной опоре 1. Между подвижной и неподвижной опорами по разные стороны неподвижной опоры и, охватывая подвижную опору, установлены рабочие 6 и возвратные 7 элементы в виде прямых стержней, выполненные из материала с термомеханической памятью их переменной длины - монокристаллов сплава на основе меди, например системы медь-алюминий-никель, медь-алюминий-марганец. При этом температура восстановления формы рабочих элементов 6 выше температуры окружающей привод охлаждающей среды, а элементов 7 - ниже температуры охлаждающей среды. Для предотвращения изгиба рабочих 6 и возвратных 7 элементов в процессе работы привода они установлены в обоймах 8 и 9 из материала с высокой теплопроводностью. Привод имеет также средство нагрева рабочих элементов - нагреватель 10, например, электрический. Для снижения тепловых потерь по торцам обоймы 8 установлены теплоизоляционные прокладки 11. Суммарная площадь поперечного сечения рабочих элементов 6 больше суммарного сечения возвратных элементов 7. Это может быть достигнуто различным количеством рабочих и возвратных элементов при одинаковом сечении каждого из них. Соотношение площадей поперечного сечения рабочих и возвратных элементов зависит от свойств монокристаллов сплавов на основе меди, выбранных для их изготовления, и подбирается опытным путем. При сборке привода рабочие элементы 6 предварительно деформируют сжатием вдоль их продольных осей. При этом монокристаллы сплава на основе меди допускают одноосное сжатие до 8% их исходной длины.

При закреплении привода неподвижной опорой 1 на раме 12 подвижным упорным фланцем 3 вниз (см. фиг.2) он является основной частью пресса. Привод может являться также частью известного устройства для разрушения горных пород [6] , содержащего верхний клин 13, закрепленный на неподвижной опоре 1, шток с нижним клином 14 и гайкой 15, проходящий через верхний клин, подвижную опору 2 и щеки 16, расположенные между встречно направленными клиньями 13 и 14 (см. фиг.3).

Привод работает следующим образом.

Включают нагреватель 10. При нагревании рабочих элементов 6 в обойме 8 выше температуры восстановления их исходной длины они удлиняются, перемещая подвижную опору 2 вверх. При этом подвижная опора 2 фланцем 4 осуществляет сжатие возвратных элементов 7, находящихся при температуре охлаждающей среды, вдоль их продольных осей. Так как температура восстановления формы возвратных элементов ниже температуры охлаждающей среды, то они деформируются псевдоупруго, что характерно для монокристаллов сплавов на основе меди с термомеханической памятью [4]. Это означает, что в процессе деформирования до 8% их исходной длины сохраняется постоянная противодействующая нагрузка и при разгружении также сохраняется постоянное усилие несколько меньшей величины. Усилие, создаваемое приводом, определяется перегревом относительно температуры восстановления исходной длины рабочих элементов 6 за вычетом сопротивления со стороны возвратных элементов.

После того, как подвижная опора 2 достигает крайнего нижнего положения или привод совершает требуемое от него действие, нагреватель 10 выключают. При охлаждении рабочих элементов за счет оттока теплоты в окружающую охлаждающую среду ниже температуры восстановления их длины усилие со стороны сжатых возвратных элементов 7 с псевдоупругим поведением становится достаточным для сжатия рабочих элементов 6 и они перемещают подвижную опору 2 вниз, в исходное положение.

Предлагаемая конструкция обеспечивает деформирование рабочих и возвратных элементов одноосным сжатием благодаря выполнению их в виде прямых стержней и из монокристаллов сплава на основе меди, например системы медь-алюминий-никель, наличию обойм, предотвращающих их изгиб, что дает возможность выполнять рабочие функции всему объему материала с термомеханической памятью его переменной длины. Кроме того, псевдоупругое поведение монокристаллов сплава на основе меди при деформировании выше температуры восстановления длины, и низкий уровень напряжения, необходимого для их деформирования ниже температуры восстановления длины, позволяют избежать необходимость нагрева возвратных элементов, а также значительно уменьшить площадь их сечения по сравнению с рабочими элементами и, тем самым уменьшить долю рабочего усилия, затрачиваемую на сжатие возвратных элементов. Все это в совокупности снижает затраты тепловой энергии на единицу совершаемой полезной работы и увеличивает КПД привода. Например, при использовании для изготовления рабочих элементов монокристаллов сплава медь-алюминий-никель с напряжением деформирования ниже температуры восстановления формы 40 МПа, с напряжением, развиваемым при нагревании, 300 МПа, а для изготовления возвратных элементов - псевдоупругих монокристаллов аналогичного сплава с напряжением псевдоупругого поведения при температуре охлаждающей среды при нагружении 400 МПа, при разгружении - 300 МПа, суммарная площадь поперечного сечения возвратных элементов может быть меньше суммарной площади поперечного сечения рабочих элементов в 300 МПа/40 МПа-7,5 раз, и величина полезной работы на единицу объема рабочих элементов составляет (300 МПа - 400 МПа/7,5) х 0,08 ≈ 20 МДж/м³. Для известного привода (прототипа) при использовании нитинола с напряжением деформирования ниже температуры восстановления формы 200 МПа и напряжением, развиваемым при нагревании, 500 МПа, величина полезной работы на единицу объема рабочих элементов составляет (500 МПа - 200 МПа) х 0,08/4 ≈ 6 МДж/м³. Если считать, что на нагревание единицы объема рабочих элементов в обоих случаях затрачивается одна и та же энергия, то в заявляемом приводе КПД выше чем в известном (прототипе) в 20/6 ≈ ≈ 3,3 раза.

Использование: тепловые приводы в малогабаритных прессах, устройства для разрушения горных пород. Сущность изобретения: привод содержит неподвижную опору 1, подвижную опору 2, выполненную в виде штока с упорными фланцами 3 и 4 по торцам, проходящего через отверстие 5, выполненное в опоре 1, рабочие 6 и возвратные 7 элементы, выполненные из материала с термомеханической памятью его переменной длины, расположенные по разные стороны от опоры 1, охватывая опору 2, и средство 10 нагрева элементов 6. Элементы 6 и 7 выполнены из монокристаллов сплава на основе меди в виде прямых стержней и установлены в обоймах 8 и 9, при этом суммарное сечение элементов 6 больше суммарного сечения элементов 7, а температура восстановления длины у элементов 7 ниже, у элементов 6 - выше, чем температура окружающей среды. Изобретение позволяет повысить КПД привода. 3 ил.

ПРИВОД, содержащий неподвижную опору, подвижную опору, выполненную в виде штока с упорными фланцами по торцам, проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре, рабочие и возвратные элементы, выполненные из материала с термомеханической памятью его переменной длины, расположенные по разные стороны от неподвижной опоры, охватывая подвижную опору, и средства нагрева рабочих элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, рабочие и возвратные элементы выполнены из монокристаллов сплава на основе меди в виде прямых стержней и установлены в обоймах, причем суммарное сечение рабочих элементов больше суммарного сечения возвратных элементов, а температура восстановления длины у возвратных элементов ниже, а у рабочих элементов выше, чем температура охлаждающей среды.