Диссертация (Разработка методики расчета и проектирования актюаторов дискретного действия), страница 13

Предложен способ получения изолированного решения с помощьюприема смены подпространства управляющих параметров.7. Предложенныйалгоритмпозволяетэффективноисследоватьповедение актюаторов в процессе нелинейного деформирования.Рис. 4.37.Деформированная форма гофрированной мембраны(снизу – мембрана до деформации, сверху – мембрана последеформации)122Глава5.Расчетсуществующихиперспективныхконструкцийтермобиметаллических актюаторов сложной формы, используемых всовременных электротехнических устройствахВнастоящейглавеприведенырезультатырасчетареальныхиперспективных конструкций термобиметаллических актюаторов сложнойформы, используемых в современных электротехнических устройствах.Расчеты выполнены по описанной в главе 3 методике с использованиемконечно-элементного комплекса ANSYS 14.5 (для решения задачи анализа) иMatlab (для решения задачи синтеза).Термобиметаллическиеактюаторыактивноиспользуютсявэлектротехнических, регулирующих, предохранительных и других системах.Для эффективной работы актюатор должен быть спроектирован так, чтобысовершать большие перемещения при невысоких затратах энергии, долженбыть низко инерционным.

Он должен перемещаться из одного состояния вдругое с минимальной задержкой в промежуточных состояниях. Указаннымисвойствамиобладаютупругиеоболочечныеактюаторысэффектом«прохлопывания»: у них два (или более) устойчивых состояния, переход отодного из которых к другому осуществляется при небольших внешнихвоздействиях. Анализ механического поведения таких актюаторов являетсясложной задачей, потому что небольшие изменения в нагрузке вызываютбольшие перемещения: поведение такие оболочек является нелинейным.Изсуществующегоуровнятехникиизвестныпластинчатыебиметаллические актюаторы куполообразной формы, которые изменяютнаправление кривизны на обратное, прощелкивая при достижении критическойтемпературы [152].

Несмотря на простоту изготовления, такие актюаторыимеют ряд недостатков, одним из которых является нестабильная температурасрабатывания из-за высоких периферийных напряжений, в отдельных случаяхпревышающих предел упругости. Из-за возникновения зон пластического123деформированиянапериферииактюаторатемпературасрабатыванияизменяется со временем в недопустимых пределах и срок службы датчиков,реле и переключателей уменьшается.

Другим недостатком является появлениетрещин на периферии актюатора при многократных переключениях, врезультате чего он выходит из строя.Были проведены обширные исследования, в результате которых былипредложены конструкции биметаллических актюаторов, не обладающиеуказанными недостатками: предлагались конструкции с отштампованнымирадиальными гофрами, конструкции с прорезями, предназначенными дляснижения напряжений в локальных зонах диска, патентовались конструкции сусложненной геометрией.Например, практическое применение получилисферические термобиметаллические актюаторы с U-образными язычками [74,84].Основной конструкторской идеей, положенной в основу подобныхизделий, является получение необходимого относительного перемещенияхарактерных точек (точки закрепления и точки контакта) за счет изгибнойдеформации язычка и поворота контактной зоны относительно основной частиактюатора как жесткого целого.Единичные удачные попытки эмпирического определение параметровэлементов такой формы патентовались [67], однако общей методикипроектирования подобных актюаторов не существовало.5.1 .

Анализ существующих конструкций актюаторов Патент США №4160226Выполненрасчетконструкциитермочувствительногоактюатора,содержащей пластинчатый куполообразный элемент и язычок (Рис. 5.1).Куполообразный элемент выполнен в виде оболочки вращения, имеетцентральное отверстие, изготовлен из биметалла, состоящего из слоев с124разными температурными коэффициентами расширения. Язычок такжеизготовлен из биметалла, состоящего из слоев с разными температурнымикоэффициентами расширения.

На нем размещен электрический контакт.Язычок выполнен за одно целое с пластинчатым куполообразным элементом[147]. Свойства слоев приведены в Табл. 12.Рис. 5.1.Геометрические размеры биметаллического диска сложной формыТаблица 12.Характеристики слоев биметаллического диска сложной формыНомер слоя1Материал24НХ 36НТолщина, мм0.10.11901500.30.3181Модульупругости, ГПаКоэффициентПуассонаКЛТР,∗ 106 , 1/℃2125Расчет выполнен с использованием метода конечных элементов в средеконечно-элементного программного комплекса ANSYS 14.5. В силу симметриирассматривалась половина актюатора.

Граничные условия показаны на Рис. 5.2.Рис. 5.2.Математическая модель актюатора сложной формыМодель была разбита на четырехузловые двухслойные оболочечныеконечные элементы с шестью степенями свободы в каждом узле (Рис. 5.3).Выбранныеэлементыпозволяютучитыватьвлияниетемпературынадеформацию. Конечная модель состоит из 930 элементов и содержит 2967узлов.Рис. 5.3.Конечно-элементная модель актюатора сложной формы126Нелинейная задача решалась итерационным методом Ньютона слинеаризацией на каждом шаге. В качестве параметра продолжения былавыбрана температура. В результате расчета получена упругая характеристикаактюатора, то есть зависимость перемещения точки К язычка актюатора (точкакрепления котакта) от температуры (Рис. 5.4).

Участок АВ соответствует«прохлопыванию» оболочки: при температуре 35℃ перемещение точки Ксоставляет 0.206 мм (Рис. 5.5). При температуре 124℃ язычок актюатораначинает перемещаться вверх, что сокращает полезное перемещение точки К.Рис. 5.4.Упругая характеристика актюатораРис. 5.5.Цвето-графическая диаграмма перемещений при температуре 35℃127Проведено сравнение результатов расчета для актюаторов различнойтолщины.

На Рис. 5.6 приведен график зависимости наибольшего перемещенияактюатора (перемещения точки К) от его толщины при температуре 80℃.Значение перемещения уменьшается с увеличением толщины оболочки.Рис. 5.6.Зависимость полезного перемещения актюатора от его толщиныТакимобразом,даннаяметодикапозволяетполучатьупругиехарактеристики и деформированные формы актюаторов сложной формы иможет быть эффективно использована для анализа актюаторной элементнойбазы. Термобиметаллический диск (Калужский завод «Автоприбор»)Выполненрасчетконструкциитермочувствительногоактюатора,изготавливаемого на Калужском заводе «Автоприбор» (Рис.

5.7). Свойстваслоев приведены в Табл. 13.Расчет выполнен с использованием метода конечных элементов в средеконечно-элементного программного комплекса ANSYS 14.5.Модель быларазбита на четырехузловые двухслойные оболочечные конечные элементы с128шестью степенями свободы в каждом узле (Рис.

5.8). Выбранные элементыпозволяют учитывать влияние температуры на деформацию.Рис. 5.7Геометрические размеры биметаллического диска сложной формыТаблица 13.Характеристики слоев биметаллического диска сложной формыНомер слоя1Материал19НХ 36НМодульупругости, ГПаКоэффициентПуассонаКЛТР,∗ 106 , 1/℃21951500.30.3171.3Нелинейная задача решалась итерационным методом Ньютона слинеаризацией на каждом шаге.

В качестве параметра продолжения была129выбрана температура. В результате расчета получена упругая характеристикаактюатора, то есть зависимость перемещения точки К язычка актюатора (точкакрепления котакта) от температуры (Рис. 5.9). При температуре 150℃ язычокактюатора начинает перемещаться вверх, что сокращает полезное перемещениеточки К. (Рис. 5.10).Рис. 5.8.Конечно-элементная модель актюатора сложной формыРис. 5.9.Упругая характеристика актюатора1305.2. Анализ перспективных конструкций актюаторовНедостатком описанной конструкции [147] является ограниченнаявеличина перемещений, реализуемых при прощелкивании, что может привестик тому, что актюатор не будет обеспечивать требуемых контактных усилий и квозникновению дребезга, что недопустимо в электрических цепях.Предложена новая конструкция термобиметаллического актюатора (Рис.5.11) с эффектом «прохлопывания», с помощью которой становитсявозможным варьировать величины полезного перемещения свободного краящелкающего язычка и контактного усилия, а также устранить явление дребезга.Рис.

5.10.Цвето-графическая диаграмма перемещений при температуре 65℃Термочувствительныйактюатор1содержитпластинчатыйкуполообразный элемент 2 и язычок 3 с размещенным на нем электрическимконтактом 4 (Рис. 5.12). Пластинчатый куполообразный элемент 2 выполнен ввиде оболочки вращения и имеет центральное отверстие 5. Один конец язычка6 жестко соединен с краем отверстия 5 в пластинчатом куполообразномэлементе 2, а подвижный конец 7 расположен в отверстии 5 пластинчатогокуполообразного элемента 2. Пластинчатый куполообразный элемент 2выполнен из биметалла, состоящего из слоев с разными температурнымикоэффициентамирасширения(8–слойсбольшимтемпературным131коэффициентомрасширения,9–слойсменьшимтемпературнымкоэффициентом расширения).