Термомеханический электропривод Советский патент 1986 года по МПК F03G7/06 

О/

4: :0

Y

(Pm.f

2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что блок управления ключевым элементом содержит два формирователя импульсов, J-K- триггер, последовательно соединенные первый элемент И, счетчик и депшфра- тор, а также генератор импульсов, второй и третий элементы И, элемент задержки, Т-триггер, формирователь синхроимпульсов, причем вход пуска блока управления через один из форми рователей импульсов связан с J-вхо- дом J-К-триггера, К-вход которого связан с Т-входом Т-триггера, а также с выходами дешифратора и другого формирователя импульсов, вход которого подключен к входу остановки блока управления, выход J-К-триггера

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для преобразования тепловой энергии, получаемой при разогреве проводника электрическим током, в механическую энергию с проявлением эффекта термо- меканической памяти формы рабочего элемента, и,может быть использовано для привода запорной трубопроводной арматуры, масляных и воздушных электрических выключателей, разъединителей, а также других аппаратов, где имеются жесткие ограничения по весу, габаритам и времени срабатывания, при наличии достаточно мощных источников питания.

Цель изобретения - повышение быстродействия, уменьшение габаритов и массы путем увеличения потребляемого тока при заданном напряжении источника питания без введения промежуточных трансформаторных источников питания.

На фиг. 1 изображена принщ1пиаль- ная электрическая схема предлагаемого электропривода; на фиг. 2 - графи зависимости относительной деформации рабочего элемента от температуры при проявлении эффекта термомеханической памяти формы; на фиг, 3 - график зависимости напряжения и тока питания рабочего элемента, а также температуры последнего от времени; на

29419

подклкЛен к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых связаны с выходами формирователя синхроимпульсов и генератора импульсов соответственно, один из входов третьего элемента И подключен через элемент задержки к выходу генератора импульсов, синхровход которого связан с выходом формирователя синхроимпульсов, а другой вход третьего элемента И соединен с выходом Т-триггера, выходы второго и третьего элементов И соединены между собой и подключены к выходу блока управления, синхровход формирователя синхроимпульсов подключен к источнику питания - сети переменного тока.

фиг,. 4 - блок управления ключевым элементом электропривода (логическая схема).

Термомеханический электропривод

содержит электроприводный рабочий

элемент 1, выполненный на основе материала с эффектом термомеханической памяти формы, например из нитинола (сплав ТН-1) или алюминиевой бронзы

(сплав ), Рабочий элемент 1 подключен к источнику 2 питания (к электрической сети) через ключевой элемент 3 в виде полупроводниковых ключей. Для управления ключевым элементом 3 предлагаемый электропривод содержит также блок 4 управления. Рабочий элемент 1 выполнен в виде последовательно механически соединенных между собой идентичных участков 5

или проволоки. Каждый из участков 5 электрически параллельно подключен к источнику 2 питания при noMoiujn соединительных проводов 6 и 7. Один конец рабочего элемента 1 механически связан с неподвижной опорой 8, а другой конец - с звеном 9 нагрузки (таким звеном 9 может быть клапан, задвижка, контактная группа реле ц т „ д. ) .

Блок 4 управления ключевым элементом 3 содержит два формирователя 10 и 1 импульсов, J-К-триггер 12, последовательно соединенные первый эле

мент И 13, счетчик 14 и дешифратор 1 а также генератор 16 импульсов, второй 17 и третий 18 элементы И, элемент 19 задержки, Т-триггер 20 и формирователь 21 синхроимпульсов. Вход пуска блока 4 управления через один из формирователей 10 синхроимпульсов связан с J-входом J-К-триггера 12, К-вход которого связан с Т-входом Т-триггера 20, а также с выходом дешифратора 15 и другого формирователя 11 импульсов, вход которого подключен к входу остановки блока 4 управления. Выход J-К-триггера 12 подключен к первым входам первого 13 и второго 17 элементов И, вторые входы которых связаны с выходами формц- рователя 21 синхроимпульсов и генератора 16 импульсов соответственно. Один из входов третьего элейента И 18 подключен через элемент 19 задержки к выходу генератора 16 импульсов, син хровход которого связан с выходом формирователя 21 синхроимпульсов, а другой вход третьего элемента И 18 соединен с выходом Т-триггера. Выходы второго 17 и третьего 18 элементов И соединены между собой и подклю- че.ны к выходу блока 4 управления. Синхровход формирователей 21 синхроимпульсов подключен к источнику 2 питания - сети переменного уока.

териала рабочего элемента 1, % Для проявления эффекта термомеханической памяти формы рабочий элемент 1 предварительно нагревают для перехода в высокотемпературную модификацию, в этом состоянии ему придают форму, при которой он имеет укороченную длину. Затем сплавохлаждается ниже критической температуры и переходит в другую - низкотемпературПредлагаемый привод с рабочим элементом 1 из материала с эффектом.

термомеханической памяти формы рабо- 35 . модификацию. Это превращение натает следующим образом.поминает термоупругое мартенситное

превращение.

Если рабочий элемент из сплава в низкотемпературной модификации под- и 3, где использованы следующие обо- 40 пластической деформации рас Изменение параметров процесса при работе привода показано на фиг. 2

значения:

и - электрическое напряжение на

каждом участке 5 рабочего элемента 1;

i - сила тока в рабочем элементе 1 45

t - время;

наго время первоначального нагрева рабочего элемента 1 до температуры А при включении привода;50время охлаждения рабочего элемента 1 до температуры Мц; момент первоначального включения напряжения на рабочем элементе 1 ; 55 момент отключения напряжения на рабочем элементе 1 после его нагрева до температуры

олп

1

t тяжения (допускаемая относительная деформация Б до 6 - 8%) и потом нагреть его, переводя в высокотемпературную модификацию, то за счет обратного мартенситного превращения он принимает свою первоначальную укороченную форму, которая была ему задана при первой деформации в состоянии высокотемпературной модификации. Температуры А„ , А, М и Nf, носят также название температур начала и конца обратного и прямого мартенситных превращений.

Усилие, генерируемое материалом с эффектом термомеханической памяти формы при обратном мартенситном превращении, может достигать величины

10

15

, 2о

в«л.сост

нач

25

0

время нахождения рабочего элемента 1 во включенном состоянии после его охлаждения до температуры температура рабочего элемента 1;

начальная температура рабочего элемента 1;

темлература начала перехода материала рабочего элемента 1 в высокотемпературную модификацию;

Ау - температура окончания перехо- да материала рабочего элемента 1 в высокотемпературную модификацию;

Мц - температура начала перехода материала рабочего элемента 1 в низкотемпературную модификацию;

М - температура окончания перехода материала рабочего элемента 1 в низкотемпературную модификацию; - относительная деформация материала рабочего элемента 1, %, Для проявления эффекта термомеханической памяти формы рабочий элемент 1 предварительно нагревают для перехода в высокотемпературную модификацию, в этом состоянии ему придают форму, при которой он имеет укороченную длину. Затем сплавохлаждается ниже критической температуры и переходит в другую - низкотемператур5 . модификацию. Это превращение напоминает термоупругое мартенситное

тяжения (допускаемая относительная деформация Б до 6 - 8%) и потом нагреть его, переводя в высокотемпературную модификацию, то за счет обратного мартенситного превращения он принимает свою первоначальную укороченную форму, которая была ему задана при первой деформации в состоянии высокотемпературной модификации. Температуры А„ , А, М и Nf, носят также название температур начала и конца обратного и прямого мартенситных превращений.

Усилие, генерируемое материалом с эффектом термомеханической памяти формы при обратном мартенситном превращении, может достигать величины

512

до 60 кГ/мм. Поскольку деформация такого материала может быть значительной (6-8%), значительной может быть и работа, выполняемая таким материалом.

Для обеспечения заданного времени срабатывания предлагаемого привода нагрев его рабочего элемента 1 осуществляют импульсом тока, после чего рабочий элемент 1 отключают от сети во избежание его перегорания, В заданный момент времени блок 4 управления ключевым элементом вырабатываеи сигнал на включение ключевого элемента 3 (фиг, 1) и в течение времени Тнагр. J необходимого лшя нагрева материала рабочего элемента 1 до температуры At, по рабочему элементу 1 протекает кратковременный импульс тока (фиг, 3),

В нагретом состоянии проявляется эффект термомеханической памяти рабо чего элемента 1, в результате чего он укорачивается, приводя в движение звено 9 нагрузки. Если после этого просто отключить рабочий элемент 1 от электрической цепи, то он охладится, потеряет свои свойства и не сможет удерживать приводимое звено 9 нагрузки в требуемом положении. По- этому материал рабочего элемента 1 удерживают в нагретом состоянии, но уже не до температуры А к (фиг. 2)5 а только до температуры М,ц, При этом материал рабочего элемента 1 все еще находится в высокотемпературной модификации. Это обеспечивается за счет того, что рабочий элемент 1 периодически подключают к источнику 2 питания , и напряжение на рабочий элемент подают в виде импульсов, сформированных из напряжения источника 2 питания , За счет воздействия более низкой температуры окружающей среды tia температура материала рабочего элемента 1 снижается от величины А|(.доМ Действующее значение тока протекающего по материалу рабочего элемента 1, обеспечивает стабильное поддержание этой температуры. I

Блок 4 управления ключевым элементом 3 работает следующим образом.

При подаче питания на блок 4 управления содержимое всех триггеров 12 и 20 обнуляется, и на их выходах поддерживается Лог. О, Предположим, что поступает сигнал на вход пуска формирователя 10 импульсов. Теперь на

,

ю |5 2Q

75 JQ 0

5

5

196

J-входе J-К-триггера 12 имеются Лог, О и Лог, Г , следовательно он переходит в противоположное состояние, и на его выходе появляется лог, 1, которая поступает на вход второго элемента И 17, На последний одновременно поступают импульсы, син- хро1-тизированные с сетевым напряжением от генератора импульсов 16, Ключевой элемент 3 (фиг. 1) срабатывает, и по рабочему элементу 1 протекает импульс тока. Ключевой элемент 3 (фиг, 1) находится в полностью включенном состоянии до тех пор, пока на выходе Л-К--триггера 12 находится Лог,1,

Указанная Лог, 1 также поступает на один из входов первого элемента И 135 на другой вход которого поступают импульсы, синхронизированные с напр51жением с выхода формирователя 21 синхроимпульсов. Дешифратор 15, спустя заданное в счетчике 14 время, вырабатывает Лог, 1, идущую на |С-вход J-К-триггера 12 и Т-вход Т-триггера 20. Поскольку на J-входе триггера 12 сигнал от формирователя 10 импульсов уже закончился, триггер 12 переходит в противоположное состояние, на выходе его появляется Лог. О, и сигналы управления полупроводниковыми ключами ключевого элемента 3 от генератора 16 41мпуль - сов через элемент И 17 уже не поступают ,

Однако импульсы от генератора 16 (фиг. 4) поступают через элемент 19 задеркЕси на первый вход третьего элемента И J8, на втором входе которого находится Лог, 1, поступившая с Т-триггера 20, Теперь ключевой элемент 3 (фиг. 1) подключает оабочий элемент 1 к источнику 2 питания - питающей сети - периодически (фиг.З) .

При необходимости отключения привода подается сигнал остановки на соответствуюш 1й вход формирователя 11 импульсов, С выхода последнего сигнал кратковременно поступает на J-K- триггер 12 и Т-триггер 20. Поскольку на триггер 12 сигнал поступает на К-вход, то состояние триггера 12 не изменится и на выходе его попреж- нему будет Лог, О, При поступелении сигнала на Т-вход триггера 20 (фиг,4) состояние его изменится на противоположное, на выходе его будет Лог,О

7 12294198

и сигналы управления поступать на подан до появления сигнала на выхо- ключевой элемент 3 перестанут. Если да дешифратора 15, то привод будет же сигнал на отключение привода будет просто отключен.

е,%

ЛгА Л чf°C

Фиг 2

в:с

(№

V К .: N

Of/.

ТрТ

Лг/. сост

Л AI

t,

Составитель Л.Тугарев Редактор И.Дербак Техред Г.Гербер Корректор М.Максимишинец

,„:- и--. --- ------ --- ----------------и-----

Заказ 2АЗЗ/32 Тираж 447 , Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,

t,