МАРТЕНСИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, в которых для получения работы используются тепловые деформации твердых рабочих элементов из материала с термомеханической памятью формы, и может быть реализован в качестве двигателя различных механизмов, использующих энергию различных тепловых источников.

Известны мартенситные двигатели, содержащие систему шкивов, обернутые вокруг шкивов силовые элементы из материала с термомеханической памятью формы, емкости с охлаждающей и нагревающей жидкостями [1]
Недостатками известных технических решений являются невозможность создания значительных и стабильных по величине крутящих моментов на валу, низкая мощность и неуправляемость их параметрами в процессе работы. Кроме того, мартенситные приводы двигателя имеют значительные размеры. Уменьшение габаритов приводов приводят к уменьшению величины их хода, снижению скорости вращения вала и снимаемой мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для преобразования тепла в механическую энергию, содержащее основание с зонами нагрева и охлаждения и установленный на основании посредством опор с возможностью переменного перемещения через зоны нагрева и охлаждения корпус, на котором посредством шарниров установлены группы термочувствительных рабочих секций, причем все секции каждой группы последовательно связаны между собой, а крайние секции каждой группы с одной стороны закреплены на корпусе, а с другой связаны посредством передачи со звеном отбора мощности путем компактного размещения в ограничительном объеме большого числа термочувствительных секций, корпус выполнен в виде двух параллельных обойм, закрепленных на общем центральном стержне перпендикулярно последнему, шарнирно размещенных на обоймах, а секции каждой группы расположены параллельно стержням в плоскостях, проходящих через ось стержня [2]
Недостатком прототипа является сложность регулирования параметров (скорости вращения, крутящего момента и т.д.) двигателя из-за того, что в зонах нагрева и охлаждения не предусмотрена возможность быстрой смены режима нагрева или охлаждения. Кроме того, неэффективна система охлаждения приводов, что также снижает мощность двигателя. Попытки увеличить длину силовых элементов путем использования в рабочих секциях термочувствительных элементов значительной длины и количества самих секций с целью получения значительной величины хода и, следовательно, скорости вращения вала, а также генерируемого усилия приводят к увеличению габаритов привода, а также усложняют решение проблемы охлаждения, так как рабочие секции расположены радиально.

Целью изобретения является повышение эффективности работы и передающих усилий.

Поставленная цель достигается тем, что в мартенситном двигателе, содержащем корпус с размещенными в нем по меньшей мере двумя термомеханическими приводами, соединенными с валом отбора мощности посредством механической связи, средства подвода тепла и охлаждения приводов, термомеханические приводы выполнены мартенситными, средства подвода тепла выполнены в виде источника тока с элементами программируемой коммутации, средство охлаждения выполнено в виде магистрали с насосом, заполненной охладителем и подключенной к приводам, а механическая связь в виде гибкой ленты, охватывающей передающие и направляющие шкивы и закрепленной концами на двух приводах, размещенных с возможностью работы в противофазе, передающие шкивы установлены соосно с валом и связаны с последним через муфты обгона, направляющие шкивы установлены в корпусе с возможностью вращения, причем оси направляющих шкивов перпендикулярны оси вала.

Другое отличие состоит в том, что для повышения передающих усилий двигатель снабжен по меньшей мере двумя дополнительными приводами, установленными с возможностью работы в противофазе, и направляющими шкивами, гибкая лента выполнена зубчатой, замкнутой и соединена как с основными, так и с дополнительными приводами, все шкивы также выполнены зубчатыми.

На фиг. 1 изображена общая схема мартенситного двигателя; на фиг. 2 мартенситный двигатель с возможностью изменять направление вращения вала; на фиг. 3 разрез зубчатого шкива.

Мартенситный двигатель содержит корпус 1 с размещенными в нем по меньшей мере двумя термомеханическими приводами 2 и 3, соединенными с валом 4 отбора мощности посредством механической связи 5, средства подвода тепла и охлаждения приводов 2 и 3, термомеханические приводы 2 и 3 выполнены мартенситными, средства подвода тепла выполнены в виде источника тока с элементами программируемой коммутации, выполненными в виде блока управления 6 и ключевых элементов 7 и 8, средство охлаждения выполнено в виде магистрали 9 и 10 с насосом 11 и емкостью 12, заполненной охладителем и подключенной к приводам 2 и 3, а механическая связь в виде гибкой ленты 5, охватывающей передающие 13 и 14 и направляющие шкивы 15, и закрепленной концами на двух приводах 2 и 3, размещенных с возможностью работы в притивофазе, передающие шкивы 13 и 14 установлены соосно с валом 4 и связаны с последним через муфты обгона 16, направляющие шкивы 15 установлены в корпусе с возможностью вращения, причем оси направляющих шкивов 15 перпендикулярны оси вала 4.

Мартенситный двигатель для повышения передающих усилий снабжен по меньшей мере двумя дополнительными приводами 17 и 18, установленными с возможностью работы в противофазе, и направляющими шкивами 19, гибкая лента 5 выполнена зубчатой, замкнутой и соединена как с основными 2 и 3, так и с дополнительными 17 и 18 приводами, все шкивы 13, 14, 15, 19 также выполнены зубчатыми.

Блок управления 8 связан с концевыми элементами 20 и 21, обеспечивающими подачу сигнала на блок управления 8 о начале или окончании цикла работы соответствующего привода.

Может реализовываться и другой вариант. Шкивы 15 левой и 19 правой ветвей могут быть расположены соответственно на общих осях 22, а также сами приводы рядом и параллельно друг другу, так как гибкая связь 5 позволяет это сделать, т.е. расположить ее ветви параллельно друг другу. Тогда для вращения вала 4 достаточно будет перевести, например, соединительную планку (не показана) на штанге 23 каждого привода с ползуна 24 одной ветви на ползун 25 другой ветви. Соединительные планки могут быть шарнирно соединены со штангой приводов, а напротив каждого ползуна 24 и 25 можно расположить электромагнит и переключать соединительные планки простым переключением электромагнитов.

Мартенситный двигатель работает следующим образом.

При подаче питания на блок управления 8 он вырабатывает сигнал на включение времени, необходимого для нагрева силовых элементов привода 2 до температуры конца обратного мартенситного превращения (А_к), и подогрева силовых элементов привода 3 до температуры М_к<Т<А_н. Нагреваясь, силовые элементы привода 2 в результате проявления эффекта термомеханической памяти начинают генерировать усилия и за собой гибкую связь 5 с усилием Р_о на величину хода привода Δ L, приводя в зацепление муфту обгона 16 передающего шкива 14 с валом 4, создавая на нем крутящий момент М_кр и выводя из зацепления муфту обгона 16 шкива 13 с валом 4. При этом подогретые силовые элементы привода 3 деформируются также на величину хода Δ L.

Концевые элементы 20 и 21 (см. фиг. 1) подают сигналы на блок управления 8 о выключении нагрева силовых элементов привода 2, включении насоса 11 и нагрева до температуры А_к силовых элементов привода 3. Нагреваясь, силовые элементы привода 3 начинают сокращаться по длине и через ползун 24 тянуть за собой гибкую связь 5 с усилием Р_о, которая, взаимодействуя с валом 4, создает на его шкиве 13 крутящий момент М'_кр, который вращает вал 4 в ту же сторону, что и крутящий момент М_кр. Далее концевые элементы 20 и 21 подают сигналы на блок управления 8 о выключении нагрева силовых элементов привода 3, включении насоса 11 и нагрева силовых элементов привода 2 и рабочий цикл повторяется вновь.

При передаче ползуну 24 постоянного по величине усилия Р_о, создаваемого, например, приводом 3, ползун 25 перемещается на величину рабочего хода Δ L и тянет за собой гибкую связь 5. Возможна также работа двигателя, когда передающие шкивы 13 и 14 и направляющие шкивы 15 и 19 выполнены без муфты обгона (для передачи небольших усилий).

В этом случае гибкая связь 5, взаимодействуя со шкивами и вала, создает крутящий момент на шкиве величиной
М_кр=Р х R x k, где P=P_o+S_o/2; Р_о>S_o/2; S_o усилие натяжения гибкой связи; k коэффициент трения материала гибкой связи о материал шкива 14.

А на шкиве 13 он близок к нулю, так как гибкая связь 5 скользит по нему с усилием S_o/2xk, направленным в противоположную направлению вращения вала 4 сторону, не передавая усилия Р_о на шкив 13. Привод 3 (см. фиг. 1) не создает его в данный момент, а гибкая связь 5 не обладает жесткостью. И, наоборот, т. е. при создании усилия Р_о приводом 3 (см. фиг. 1) на шкиве 14 момент близок к нулю. Величина крутящего момента остается неизменной при постоянных величинах Р_о, R, S_o и k независимо от величины хода Δ L.

Вращение вала 4 в одну сторону происходит в результате того, что при действии, например, на ползун 25 правой ветви (относительно оси вала, фиг. 2) усилием Р_о гибкая связь 5 сцепляется со шкивом силой трения F_тр=(Р_о+ S_o/2)xk (где k коэффициент трения пары) и со шкивом 13 силой трения F'_тр= [P_o'-(P_o+S_o/2)] xk. Усилие P_o', передаваемое через ползун 25 правой ветви гибкой связи, направлено в ту же сторону, что и усилие Р_о левой ветви и P_o'= Р_о, т. е. результирующее усилие Р (с учетом натяжения S_o/2), действующее на шкив 13 через гибкую связь
P=P_o'-(P_o+S_o/2)=-S_o/2.

Таким образом крутящий момент равен
а) на шкиве 14
М_кр(пр.)=(Р_о+S_o/2)xkxR, где R радиус шкива 14;
б) на шкиве 13
М_кр'(л.)=-(S_o/2)xkxR.

Но так как М_кр(пр.)>М_кр'(л), то и вращение обеспечивается всегда в одну сторону даже после смены направления движения силы Р_о, когда на шкиве 14 создается момент, равный по величине М_кр'(л.), а на шкиве 13 равный по величине М_кр(пр.).

Это также очевидно и из того, что участок левой ветви даже при действии усилия Р' (создаваемого приводом 3) в том же направлении, что и усилие Р правой ветви (создаваемого приводом 2), не сможет передать шкиву 14 усилие Р, так как гибкая связь имеет минимальную продольную жесткость. Следовательно, на шкив 14 в этот период действует только усилие натяжения S_o/2, прижимающее гибкую связь 5 шкиву 14 с усилием P'=-S_o/2. При изменении направления действия усилия Р_о на противоположное на шкив 14 действует усилие (Р_о'+S_o/2), а на шкив 13 усилие S_o/2 и, следовательно, на шкиве 14 создается крутящий момент М_кр'=(P'+ +S_o/2)xkxR, который и обеспечивает вращение вала в ту же сторону, что и в первом случае.

При перемещении ползуна 24, например, на величину рабочего хода Δ L, вал поворачивается на N оборотов, а при перемещении ползуна 24 в следующем рабочем цикле на величину, например Δ L'> Δ L, вал поворачивается на N' оборотов, но опять в ту же сторону, что и в первом случае, и при одном и том же значении величины крутящего момента М_кр.
Охлаждение силовых элементов охлаждающей жидкостью осуществляется через магистраль 9, омывая силовые элементы, охлаждая их, а затем с помощью насоса 11 охлаждающая жидкость отводится по магистрали 10 в емкость 12. Работой насоса 11 управляет блок управления 8.

Далее цикл работы повторяется.

Таким образом, независимо от того имеется ли муфта обгона 16 или нет вращение вала 4 осуществляется в любом случае. Однако при наличии муфты обгона 16 можно значительно увеличить крутящий момент М_кр за счет жесткого зацепления за вал 4. Без муфт 4 обгона 16 для увеличения значения М_кр необходимо увеличивать усилие натяжения S_o или коэффициент трения k при постоянном значении Р_о. При постоянных величинах Р и k и независимо от амплитуды (величины рабочего хода Δ L возвратно-поступательного движения, сообщаемого мартенситными приводами 2 и 3, на вал 4 всегда передается постоянный крутящий момент М_кр.

Вращение вала 4 без наличия муфт обгона 16 на макете подтверждает работоспособность данной части двигателя (вращение вала при передаче возвратно-поступательного движения ползуну).

Применение изобретения по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность работы двигателя, а также его силовые и кинематические характеристики независимо от величины рабочего хода и без увеличения габаритов.

Предлагаемый мартенситный двигатель может также работать за счет бросового тепла, подаваемого периодически с охлаждаемой жидкостью.

Использование: в машиностроении, в частности в тепловых двигателях, и может быть использовано в качестве привода различных механизмов. Сущность изобретения: мартенситный двигатель содержит мартенситные приводы в виде системы элементов 1 из материала с термомеханической памятью формы, расположенных рядами и образующих вместе с каркасами 2 и 3 телескопически связанные одна с другой секции, расположенные в корпусе 4. При этом одна из последних секций каждой пары приводов неподвижно закреплена, а другая связана через передающий орган 5 с гибкой связью 6, охватывающей шкивы 7 и 8 и шкивы 9 и 10 на общем валу 11 один по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки; емкость 12 с охлаждающей жидкостью, связанную с мартенситными приводами через отводящие патрубки 13 и насосы 14, подающие патрубки 15, ключевые элементы, связанные с блоком управления, имеющим связь с насосами 14, приводами и концевыми выключателями, при этом каждый мартенситный привод имеет пружинный привод 21, закрепленный на штанге, а оси передающих шкивов 7 и 8 перпендикулярны плоскости, проходящей через ось общего вала 11, опирающегося на опоры 23. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. МАРТЕНСИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус с размещенными в нем по меньшей мере двумя термомеханическими приводами, соединенными с валом отбора мощности посредством механической связи, средства подвода тепла и охлаждения приводов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы, термомеханические приводы выполнены мартенситными, средства подвода тепла выполнены в виде источника тока с элементами программируемой коммутации, средство охлаждения выполнено в виде магистрали с насосом, заполненной охладителем и подключенной к приводам, а механическая связь в виде гибкой ленты, охватывающей передающие и направляющие шкивы и закрепленной концами на двух приводах, размещенных с возможностью работы в противофазе, передающие шкивы установлены соосно с валом и связаны с последним через муфты обгона, направляющие шкивы установлены в корпусе с возможностью вращения, причем оси направляющих шкивов перпендикулярны оси вала. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения передающихся усилий, двигатель снабжен по меньшей мере двумя дополнительными приводами, установленными с возможностью работы в противофазе, и направляющими шкивами, гибкая лента выполнена зубчатой, замкнутой и соединена как с основными, так и с дополнительными приводами, все шкивы также выполнены зубчатыми.