Диссертация (1149136), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Позднее было предложено устройство дляразвертывания солнечных панелей на основе сплава с памятью формы [15, 75, 76].Панель представляет из себя объединение из нескольких модулей (рисунок 4.6.)которые соединены ленточными приводами из материала с памятью формы. Такиепанели с приводами были установлены на спутник НАСА Earth Observing 1.Рис.4.6. Спутник EarthObserving 1 с установленнымина него солнечными панелями[15].Солнечныепанелипередзапускомсворачиваютсявкомпактнуюконструкцию. В нужный момент ленточные приводы нагреваются электрическимтоком и выпрямляются, разворачивая солнечные панели (рисунок 4.7(а),(б)).84Рис.4.7. Ленточный привод ва)сложенном состоянии (а) вразвернутом состоянии (б)[75].б)Помимо аэрокосмической техники материалы с памятью формы сталипроникать в другие сферы: робототехника, автомобильная промышленность ибытовая техника.Некоторые термоприводы встречаются в различных областях, посколькупринципы их использования применимы в разных сферах [77].
Возможно, первыйтермопривод был использован в качестве рабочего тела для открываниязакрывания окна в теплице (рис. 4.8). В приводе использовалась пружина CuZnAI.Когда температура в теплице становилась оптимальной, окно открывалось, припонижении температуры привод закрывал окно [78]. После появилось множестводругих примеров применения термоприводов: термоактивируемые пружины изсплава TiNi используются для плавного переключения передач в автоматическойкоробке передач Mercedez-Benz, для контроля температуры воды в бытовыхсмесителях,дляпромышленныхпредохранительныхклапановпредотвращения утечки горячих легковоспламеняющихся газов [6].для85Рис. 4.8. Термопривод с пружинойиз сплава CuZnAI для открытия изакрытия окна в теплице.Служит одновременно датчикомтемпературы и какисполнительным механизмом [78].Сплавы с памятью формы применяются как датчики повышениятемпературы силовых линий.
Устройство прижимается вдоль силовой линии, икогда температура поднимается выше температуры обратного превращения, оноизгибается и конструкция принимает U-образную форму, как показано на рисунке4.9. Такой механический детектор позволяет легко обнаружить перегрев на линии[15].Рис.4.9. Детекторперегрева линииэлектропередачи [15].В работах [79, 80] был представлен прототип тонкого пленочногомикрозахвата, действие которого основано на эффекте обратимой памяти формы(рисунок 4.10.). При нагреве электрическим током губки захвата прижимаются, приохлаждении расходятся.
Это устройство может использоваться и в робототехнике.86Рис.4.10. Микрозахват на основе обратимой памяти формы. прототип(a); при комнатной температуре (b1); при нагреве током (b2);удерживает кусок ластика (c), схема сборки (d) [80].Со схожим принципом работы в статье [81] был продемонстрированпрототип роботизированного трехпалого захвата (рисунок 4.11.).4.11. Роботизированный захват на основе материалов с эффектом памятиформы. [81]Среди отечественных работ, демонстрирующих практические применениясплавов с памятью формы, можно сослаться на работу А.П. Дюпина и В.Г.
Пушина[82]. В работе представлен механизм раскрытия аэродинамической поверхностируля управляемой ракеты, в котором использован приводящий элемент, имеющийв составе механизма элементы из сплава TiNi с памятью формы (рисунок 4.12.).87Рис.4.12. Хвостовой отсек управляемой ракеты до начала и после окончанияработы приводящего механизма [82].Материалы с ЭПФ в разного рода технике использованы достаточно широко.В зависимости от задачи они могут позволить объединить различные функции водном устройстве, уменьшить массогабаритные размеры устройства, существенноупростить механизм, чем зачастую можно повысить его надежность. Несмотря наобилие и разнообразие в применении сплавов с ЭПФ, несмотря на большоеколичество обзоров и работ, посвященных разработке прототипов на основесплавов с памятью формы, трудно найти работу, содержащую последовательнуюметодикупоподготовкетермочувствительногорабочегоэлемента,обеспечивающего его корректную функциональность в заданном интервалетемператур.4.2.Методика создания термочувствительного рабочего элементаАнализ разнообразных применений сплавов с ЭПФ в рабочих элементахтехнических устройств и знания о функционально-механических свойствах иособенностях материалов с памятью формы приводит к тому, что методикасоздания термочувствительного привода, срабатывающего в заданном интервалетемператур, должна состоять из следующих последовательных шагов.1.
Расчет деформационно-силовых параметров рабочего элемента с памятьюформы на основании исходных данных.882. Расчет температурных параметров, предъявляемых к материалу рабочегоэлемента, обеспечивающих его функциональность в заданном диапазонетемператур.3. Выбор материала с эффектом памяти формы и определение его функциональномеханических свойств.4. Выбор оптимального режима термомеханической обработки рабочего элементас памятью формы для обеспечения его функциональности в заданном диапазонетемператур.5. Термомеханическая обработка рабочего элемента и верификация егофункциональности в заданном интервале температур.6. Проверка функционирования рабочего элемента в самом устройстве или егомакете.7.
Изготовление рабочего элемента и его паспортизация.Последовательная методика была апробирована на примере изготовлениятермочувствительногопроволочногопривода,предназначенногодляиспользования в системе вентиляции космического аппарата.Исходнаязадача.Задачасостоялавтом,чтобыразработатьтермочувствительный самосрабатывающий в заданном интервале температуррабочий элемент с памятью формы, приводящий в действие сигнальноеустройство. Схема сигнального устройства для системы вентиляции аппаратакосмического назначения, срабатывание которого в заданном интервалетемператур должен обеспечить термочувствительный рабочий элемент с памятьюформы, приведена на рисунке 4.13.
Принцип действия устройства основан напринципе шарикового замка. Срабатывание устройства должно обеспечиватьсяблагодаря смещению стержня на 9 мм под воздействием термочувствительногорабочегоэлементаспамятьюформы.Стерженьудерживаетсяотсамопроизвольного перемещения стопором, для разрушения которого, а также дляпреодоления сил трения при перемещении стержня, требуется усилие 100 Н. Врезультате нагревания среды, в которую помещено устройство, проволочный89привод из термочувствительного сплава нагревается и вытягивает стержень.Стержень высвобождает пространство под шарик, шарик выталкиваетсяподпружиненным толкателем, который нажимает на выключатель, извещающий одостижении критической температуры.Рис.4.13. Схематермочувствительногоустройства.Итак, задача состояла в изготовлении термочувствительного проволочногопривода для описанного устройства с температурным интервалом срабатывания –100-110оС.
Рабочий ход – 9 мм, рабочее усилие – не более 100 Н. Конструкционныеособенности не позволяют использовать привод длиной более 210 мм.1. Расчет деформационно-силовых параметров рабочего элемента спамятью формы на основании исходных данных.При проектировании различных устройств инженер-конструктор долженчасто выбирать некоторые его параметры из имеющегося опыта и не только своего.В нашем случае подобный опыт показывает, что рабочее напряжение в приводежелательно иметь не более 100 МПа. Пусть это будет проволочный рабочийэлемент, несложный расчет его поперечного сечения, обеспечивающего рабочееусилие при напряжении не более 100 МПа, приводит к тому, что диаметрпроволоки должен быть не менее 1,1 мм.Рассчитаем теперь минимальную возможную длину рабочего элемента. Опятьже, исходя из опыта, будем полагать, что предполагаемая величина возвращаемойдеформации за счет эффекта памяти формы составляет 5%.В нашем случае это восстановление должно обеспечить:901) Рабочий ход l1 = 9 мм.2) Компенсацию теплового расширения рабочего элемента.
Коэффициенттеплового расширении аустенита больше, чем коэффициент тепловогорасширения мартенсита, поэтому, положим α = 11∙10-6 1/оС. Досрабатывания рабочий элемент нагревается на величину ΔT ≈ 100оС.3) Деформацию εr, вызванную рабочим усилием F = 100Н.Все вышесказанное приводит к соотношению0,050 = 1 + ∆Tα0 + 0 ε ,где l0 – начальная длина привода.0,050 = 1 + 1,1 ∙ 10−3 0 + 0,где S – площадь сечения проволоки, EA = 80ГПа – модуль упругости аустенитнойфазы.
В результате:0 =10,05 − 1,1 ∙10−3−.При подстановке всех исходных значений получаем оценку исходной длины –l0 ≈ 190 мм, что теоретически является минимальной возможной исходной длинойпроволочного привода, при которой возможно обеспечение рабочего хода с учетомисходных данных и сделанных предположений. Таким образом показано, чтотеоретически изготовление привода для решения поставленной задачи возможно:накопивдо10%остаточнойпредварительнойдеформацииматериал,предположительно, восстановит 5% и теоретически обеспечит необходимыйрабочий ход.2. Расчет температурных параметров, предъявляемых к материалурабочего элемента, обеспечивающих его функциональность в заданномдиапазоне температур.Известно, что характеристические температуры мартенситного превращениясдвигаются под действием напряжений (рисунок 4.14.).91Рис.
4.14. Схема сдвигахарактеристическихтемператур мартенситногопревращения поднапряжением [76,83].Для срабатывания устройства необходимо преодолеть усилие порядка 100 Н.Если для диаметра предполагаемого привода положить величину в 1,1 мм, можнооценить смещение температур: напряжение в рабочем элементеσ=4 ∙ 100=≈ 105МПа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
