Диссертация (Разработка методики расчета и проектирования актюаторов дискретного действия), страница 3

1.2.Биметаллический актюатор в форме консольной балки (А –недеформированное состояние, Б – деформированное состояние актюаторапосле нагрева)Дешевыйидоступныйкремнийявляетсяосновнымматериалом,используемым для изготовления МЭМС. Технологии микроэлектромеханикиориентированы на базовые технологии микрообработки кремния.Кремнийимеет хорошие термо-электроизоляционные свойства, высокий коэффициентлинейного теплового расширения, больший, чем у обычных металлов.Егоэлектрофизические характеристики стабильны в течение длительного времени.Все эти факторы делают кремний идеальным материалов для созданияактюаторов с большими перемещениями и меньшими затратами энергии [137].1.1.Термобиметаллические элементыКомпенсирование баланса хронометра с помощью биметалла из латуни1(коэффициент линейного теплового расширения = 18.7 × 10−6 ℃)стали1( = 13 × 10−6 ℃) являетсятермобиметаллов (1769 г.).первымпрактическимиприменениемПервый патент (патент США № 24896) был16получен Вильсоном (1858 г.).

Однако этот биметалл не получил широкогораспространения из-за малой разности КЛТР слоев.Другимпримеромодногоизпервыхпрактическихприменений1биметаллов является использование биметалла из серебра( = 19.5 × 10−6 )℃иплатины1( = 9 × 10−6 ℃)длятермоэлементатермометраввидегеликоидальной пружины (1817 г.).Важный для производства точных инструментов и приборов сплав инварбыл открыт в 1899 г. Ш. Гийомом, за что в 1920 г. шведско-французский физикполучил Нобелевскую премию. Инвар на 36% состоит из никеля ( = 13 ×1110−6 ) и на 64% из железа ( = 12 × 10−6 ).

В интервале температур от ℃℃20℃ до 100℃ у инвара возникает эффект исчезновения теплового расширения1- сплав имеет малое значение ТКЛР ( = 1.2 × 10−6 ).℃Анализ нелинейного деформирования биметаллов становится особенноактуальным в виду появления актюаторов нового поколения, использующихэффект прохлопывания. Для анализа таких элементов требуется определятьрабочую характеристику, т.е. зависимость между изменением температуры ивеличиной, характеризующей изменение геометрической формы элемента, атакже напряжения в конструкции. Эти задачи впервые были решены Виларсо[157].Также необходимо осуществлять синтез таких элементов длясрабатывания при заданной температуре.Теорией деформации элементов в форме осесимметричных пологихоболочек и пластин занимались многие отечественные и зарубежныеисследователи.Вопрос об устойчивости пологой биметаллической аркирассмотрен Тимошенко С.П.

[156].Влияние температуры на устойчивостьчувствительного элемента термостата в форме пологого биметаллическогосферического диска было исследовано в работе W.H. Wittrickа [159].Температура, при которой происходит потеря устойчивости, определялась с17использованием дифференциального электрического анализатора (аналоговойЭВМ). Задача о прохлопывании биметаллической сферической оболочки принагревании была решена методом Галеркина в работах Д.Ю. Панова [58, 57].ВработеВ.В.Алексеевского[3]рассмотреныособенностипроектирования термореле, аналитически получено распределение температурвдоль его биметаллического чувствительного элемента в форме пластины,нагреваемого непосредственно электрическим током.

В решении учитываласьтеплопроводность пластины и теплоотдача по ее концам.Общая теория биметаллических упругих тонкостенных оболочек наоснове гипотезы Кирхгофа-Лява для случая малых перемещений и деформацийизложена в работах Э.И. Григолюка [30 - 35, 38]. Задача о больших прогибахбиметаллической оболочки при переменной по толщине температуре нагрева иосесимметричной механической нагрузке решается методом Галеркина.Рассмотрены оболочки с отверстием в центре и без него, внешний контуркоторых свободно оперт или шарнирно закреплен.Идея приведения задачи о деформации биметаллической оболочки крассмотрениюэквивалентнойКоролевым [51].однороднойоболочкипредложенаВ.И.Методика замены неравномерной температурной имеханической нагрузок эквивалентной механической нагрузкой для оболочки спеременными по объему упругими свойствами и КЛТР была изложена в работеЭ.Л. Аксельрада [2].Инженерные формулы для практических расчетов получены В.И.Феодосьевым [85, 88].

Формулы для критических температур гофрированныхпрохлопывающих термобиметаллических пластин в предположении равенствакривизны внутренней части пластины и средней кривизны гофрированнойчасти при нормальной температуре получены в работе А.И. Воробьева и О.Г.Кацнельсона [18].В работе В.Н. Худика [90] при определенных параметрах хлопающеготермобиметаллическогодискапоказаноусложнениекартиныего18деформирования из-за волнообразования на поверхности спая. Отмечается, чтотемпература срабатывания для таких дисков мало зависит от коэффициентаПуассона.Работы С.С. Гаврюшина [20, 22-26] занимают особое место среди трудов,посвященных расчету термобиметаллических чувствительных элементов.нихизложенаметодикаанализапрохлопывающихподВвоздействиемтемпературной и механической нагрузок тонкостенных осесимметричныхбиметаллическихоболочекнаосновемногопараметрическогоподхода,позволяющего рассматривать задачи о больших прогибах и исследоватьзакритическое поведение.1.2.

Применение актюаторов дискретного действия в конструкцияхсовременных технических устройствАктюаторыиспользуютсявввидетонкихсовременныхбиметаллическихтехническихэлементовустройствах.активноНаибольшеераспространение получили биметаллические актюаторы в форме ламели,пластинки, диска с отверстием в центре или без него [8, 47, 57, 91, 103, 147, 134,102] (Рис.

1.3).Биметаллические предохранители [69, 10, 93, 11, 94, 46, 80, 138, 150, 125,102, 67, 75, 76, 151] (Рис. 1.4 -1.7) служат для защиты от перегрузкиэлектроизделий промышленного назначения и бытовой техники. Размыкание изамыканиеэлектрическойцепипроисходитвследствиепрохлопываниячувствительного элемента.На Рис. 1.4 показан биметаллический предохранитель [11], содержащийщелкающий биметаллический чувствительный элемент в виде пластины спрорезьюиязычкомЧувствительныйU-образнойэлементсформыподвижнымвнутриконтураконтактомпластины.прикрепленкэлектрическому выводу изоляционного основания, неподвижный контактнаходится на другом выводе.При достижении заданной температуры19термобиметаллическийактюатордеформируетсяспрохлопываниемиразмыкает электрическую цепь.

После охлаждения до безопасного значениятемпературы происходит обратное прощелкивание, электрическая цепьзамыкается.Рис. 1.3.Биметаллические актюаторы [102]Рис. 1.4.Термобиметаллический предохранитель [11]Терморегуляторы с биметаллическими чувствительными элементамииспользуются в электротермических приборах для поддержания заданноготемпературного режима [63, 77, 69, 64] (Рис. 1.9).Датчики температуры20используются для контроля температуры нагрева ответственных элементов.Температура на выходе посредством биметаллического элемента преобразуетсяв электрический сигнал.

На Рис. 1.9 изображен термодатчик для контролятемпературы нагрева ответственных элементов подвижного железнодорожноготранспорта [49].При перегреве его сферический чувствительный элементдеформируется с прохлопыванием, электрическая цепь звонка и сигнальнойлампы в вагоне проводника замыкается.Рис. 1.5.Актюатор, защищающий от перегрева нагреватель жидкости [94]Рис. 1.6.Термобиметаллические выключатели [76],[67]Биметаллические актюаторы также используются в термореле (Рис. 1.10)однофазныхэлектродвигателей,генераторов,преобразователей,21трансформаторов, насосов, нагревательных элементов, передатчиков сигнала,пожарных извещателей, дросселей, катушек, блоков питания, инверторов [72, 9,79, 70, 72, 71, 74, 78, 40, 155, 101, 111].Рис.1.7.Термочувствительный актюатор для выключения чайника [151]Рис.

1.8.Регулятор температуры [63]Элементы микропереключателей в виде биметаллических дисков могутбыть использованы в качестве заслонки (Рис. 1.11) для контроля потока частиц[154,100].Оптические компоненты микроэлектромеханических систем (МОЭМС),такие как управляемые зеркала, могут быть получены при добавлениизеркальной поверхности на консольную балку (Рис. 1.12) или закреплениязеркальной пластинки на биметалллических консольных балках (Рис. 1.13)22[100, 124]. В одном из положений зеркало отражает свет на линзу и далее наэкран, в другом – на теплоотвод, на экране получается черная точка.

Матрицаиз таких зеркал позволяет получать на экране черно-белую картинку.Рис. 1.9.Контактный термодатчик для железнодорожного подвижного состава [49]Рис. 1.10.Термобиметаллическое реле [71,74]23Возможностьиспользованиябиметаллическихмикроактюатороввраспределенных системах для транспортировки объекта показана в работе[149].Подобно инфузориям, использующим для передвижения вибрацииресничек на поверхности клеток, или клеткам эпителия, способным с помощьюаналогичных выступов выводить из дыхательного тракта инородные частицывместе со слизью, система биметаллических актюаторов, закрепленныхконсольно и расположенных друг напротив друга, реализует управляемоедвижение объекта (Рис. 1.14).Рис. 1.11.Термомеханический микроклапан [154]Рис.

1.12.Управляемое зеркало в виде консольной балки [100]24В работе [105] показано применение многослойного актюатора вклеточной микрохирургии.Микроактюатор из парилена С и платиныиспользуется в микроробототехнической системе в качестве захвата дляклеток в биологической жидкости.Используемая в настоящее времяпипетка не позволяет манипулировать клетками, меньшими, чем она, поразмеру или наборами клеток. Она не может осуществлять поворот клетки,что необходимо при микровпрыскивании. Эти недостатки устраняютсяпри использовании нового микроактюатора, который совместно c «нанорезцом» [120] способен сделать микроклеточную хирургию (Рис. 1.15)реальной в ближайшем будущем.Рис.