Способ работы мартенситного двигателя Советский патент 1991 года по МПК F03G7/06 

о VJ

CJ vj

СЛ

ГО

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам работы двигателей с рабочими элементами из материала с памятью формы, и может быть использовано, например, в рулевых приводах и других исполнительных механизмах. Изобретение позволяет повысить надежность работы мартенситного двигателя. При реализации способа измеряют электросопротивление того из рабочих элементов 1, 2, который находится в процессе охлаждения (например, элемент 1). Причем нагрев элемента 2 начинают не раньше, чем электросопротивление элемента 1 уменьшится ниже порогового значения, определяемого по характерным точкам зависимости электросопротивления от температуры. При этом способе работы исключается возможность одновременного приведения в аустенитное состояние обоих рабочих элементов 1, 2, така как фазовое состояние по крайней мере одного из них контролируется непосредственно. 2 ил.

Фя.1

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам работы мартен- ситных двигателей с термочувствительными элементами из материала, проявляющего эффект памяти формы, и может быть ис- пользовано в различных областях техники, например, в рулевых приводах и других исполнительных механизмах.

Цель изобретения - повышение надежности работы мартенситного двигателя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема мартенситного двигателя для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - температурная зависимость для рабочего элемента из никелида титана.

В мартенситном состоянии материал рабочего элемента пластичен и может деформироваться до 4-6% без появления пластических деформаций и до 25-80% без разрушения. В аустенитном состоянии рез- ко повышается прочность материала и снижается его пластичность. Он может деформироваться менее, чем до 1 % без появления пластических деформаций и склонен к разрушению.

Если подвести силовое напряжение к обоим рабочим элементам или ко второму рабочему элементу, в то время как первый еще не успел остыть из аустенитного состояния, обязательно произойдет пластическое де- формированиеобоих рабочих элементов. Как показывает практика сборки антифазных мартенситных двигателей, общая заданная им деформация равна 4,5-6%, в то время как допустимая деформация обоих рабочих элементов не превышает 1,5%, т.е. 3-4,5% заданной деформации сразу же перейдут в пластическую и мартенситный двигатель выйдет из строя.

Предлагаемый способ в принципе иск- лючает такую возможность.

Мартенситный двигатель, позволяющий реализовать предлагаемый способ,со- держит рабочие элементы 1 и 2. которые установлены с возможностью работы в про- тивофазе и концы которых электрически со- единены с задающим блоком 3, стабилизированный источник 4 тока, резисторы RI и R2, пороговые устройства 5 и 6-с инверсными выходами и коммутаторы 7 и 8 тока, управляющие электроды которых соединены с инверсными выходами устройств 5 и 6.

Рабочие элементы могут быть изготовлены из монолитной заготовки, многосекци- онными и др.

Задающий блок 3 включает в себя систему управления (ручного или автоматического) и источник силового напряжения, т.е. под задающим блоком 3 понимается устройство с любым принципом действия, предназначенное для подачи силового напряжения на элементы 1 и 2.

В качестве стабилизированного источника 4 тока могут быть использованы стабилизаторы напряжения, химические источники тока и т.д. Силовое на.пряжение, подаваемое на элементы 1 и 2, и напряжение стабилизированного источника 4 - Е0 в данной схеме должны иметь одинаковую полярность, что достигается путем соответствующего подключения полюсов задающего блока 3 к элементам 1 и 2 (фиг. 1). В случае силового питания элементов 1 и 2 от блока 3 переменным током, во входные цепи пороговых устройств 5 и 6 устанавливают выпрямители (не показаны), которые пропускают на их входы электрический ток соответствующего направления.

Пороговые устройства 5 и 6 могут быть выполнены, например, в виде триггера Шмидта или в ином микросхемном исполнении.

В качестве коммутаторов 7 и 8 могут быть использованы электромагнитные реле, силовые контакторы, тиристоры и др.

При реализации способа работы мартенситного двигателя согласно изобретению измеряют электросопротивление того из элементов 1 и 2, который находится в процессе охлаждения (например, элемента 1). Причем нагрев элемента 2 начинают не раньше, чем сопротивление элемента 1 уменьшится ниже порогового значения, определяемого по характерным точкам зависимости электросопротивления от температуры (фиг. 2). При этом способе работы мартенситного двигателя исключается возможность одновременного приведения в аустенитное состояние обоих рабочих элементов 1 и 2, так как фазовое состояние по крайней мере одного из них, а именно того, который переходит в мартенситное состояние (элемента 1), контролируется непосредственно вследствие взаимнооднозначного соответствия величины электросопротивления и фазового состояния элементов 1 и 2 при охлаждении последних. При нагреве из мартенситногосостояния элементов 1 и 2 до аустенитного изменяется термический коэффициент электросопротивления (угол наклона на фиг. 2). Охлаждение из аустенитного состояния до мартенситного состояния элементов 1и 2 ( показано стрелками на фиг. 2) сопровождается появлением пика электросопротивления (который объясняется особенностями кристаллографических изменений при прямом превращении). В общем случае по термической зависимости электросопротивления

можно определять характеристические температуры превращения (на фиг. 2 показаны стрелками). За пороговое сопротивление может быть выбрано то значение, которое соответствует началу, процессу или оконча- нию прямого мартенситного превращения, например, пик на температурной зависимости электросопротивления (начало превращения) либо максимальное сопротивление с безгистерезисным изменением в процес- се нагрева и охлаждения (окончание прямого превращения Мк). Если электрическое сопротивление ниже порогового значения Rn, фиг.2, то рабочие элементы 1 и 2 находятся в мартенситном состоянии (на фиг. 2 показано относительное электросопротивление элементов 1 и 2, т.е. отношение сопротивления элементов 1 и 2 при некоторой температуре к сопротивлению при начальной температуре).

При реализации способа-прототипа фазовое состояние элементов 1 и 2 непосредственно не контролируется, а блок 3 переключает нагрев с одного из элементов 1 и 2 на другой со временной задержкой, определяемой по характерному времени остывания элементов 1 и 2. По сравнению с предлагаемым способом прототип обладает либо меньшей надежностью, либо большей тепловой инерцией вследствие зависимо- сти характерного времени остывания элементов 1 и 2 от внешних условий.

Мартенситный двигатель, реализующий предлагаемый работает следующим образом.

После запуска мартенситного двигателя постоянно измеряется электрическое сопротивление элементов 1 и 2 посредством измерения падения напряжения на делителях напряжения, образованных элементами 1 и 2 и сопротивлениями RI и Ra. Питание делителей осуществляется от источника 4 стабилизированного напряжения Е0. При этом, когда сопротивление элементов 1 и 2 больше порогового значения, устройство 5 или 6 соответственно размыкает коммутатор 7 или 8 антифазного плеча двигателя. То же самое имеет место, когда на один из элементов 1 и 2 подается силовое питание от блока 3, коммутатор 7 или 8 антифазного плеча элементов 1 и 2 будет разомкнут.

Управляющее входное воздействие Хупр от оператора или автомата управления преобразуется блоком 3 и на один из элементов 1 и 2 (например 1) подается сило- вое напряжение, вызывающее нагрев эле- мента 1 и перемещение звена нагрузки в процессе формовосстановления. Если теперь задающее воздействие изменится таким образом, что силовое напряжение будет

подключено на другой элемент 2. установ-- ленный в противофазе, то силовая цепь этого элемента 2 будет разомкнута до момента остывания в мартенситное состояние элемента 1 и уменьшения в связи с этим его электросопротивления ниже порогового значения.

Кроме того, если один из элементов 1,2 подключен к силовому напряжению, то цепь силового питания второго элемента будет разомкнута, и он никаким образом не сможет быть подключен к силовому питанию.

Таким образом, становится невозмож- ным-,одновременное подключение двух элементов 1.2 к силовому питанию, а также подключение к силовому питанию (через блок 3) одного из элементов 1,2 до перехода второго в мартенситное состояние. Соответственно, ни ошибки оператора, ни сбои системы управления или несовершенство алгоритмов управления не смогут вызвать выход мартенситного двигателя из строя.

Изобретение позволяет предотвращать начало нагрева элементов 1,2 до перехода антифазно установленного элемента 1,2 в мартенситное состояние. Однако активное деформирование можно начать сразу же после прямого превращения. В этом случае при использовании других, более сложных, устройств нагрев элементов 1 и 2 можно будет начинать после прохождения пика электросопротивления антифазно установленного элемента 1,2 при охлаждении последнего.

Повышение надежности работы достигается за счет исключения возможности одновременного нагрева элементов 1 и 2 до аустенитного состояния.

Кроме того, изобретение обеспечивает предварительный нагрев (одновременно с измерением электросопротивления элементов 1 и 2) элементов 1,2 до начала обратного мартенситного превращения. Это сокращает время формовосстановления и расширяет функциональные возможности мартенситных двигателей по реализации законов перемещения с плавным ходом звена нагрузки без его остановки, т.е. расширяет номенклатуру реализуемых мартенситными двигателями законов перемещения звена нагрузки. Эффект достигается подбором тока в элементах 1 и 2.

Формула изобретения

Способ работы мартенситного двигателя, включающий знакопеременное перемещение звена нагрузки путем попеременного нагрева и охлаждения двух термочувствительных рабочих элементов из

материала с памятью формы, работающих в противофазе, причем после окончания нагрева первого элемента нагрев второго начинают только после окончания прямого мартенситного превращения в первом, момент которого определяют путем измерения одного из рабочих параметров, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе, в качестве рабочего параметра в процессе охлаждения измеря

ют электросопротивление охлаждаемого элемента и по его величине определяют фазовое состояние последнего, причем о моменте окончания прямого мартенситного превращения судят по уменьшению измеряемой величины электросопротивления ниже порогового значения, определяемого по характерным точкам зависимости электросопротивления от температуры

К

И

Фиг.2