Диссертация (1150863), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для созданияи использования термоприводов разница вдеформационном поведении аустенитной имартенситной фазы представляет наибольшуюважность.НаРисунке4схематичнопредставлены диаграммы деформированияРисунок 3. Зависимость величины ЭОПФ от сплава с памятью формы при высокой (Highчисла термоциклов через температурныеинтервалы мартенситных превращений. [13] Temperature) и низкой (Low Temperature)18температурах, соответствующие аустенитной и мартенситной фазам.
Из рисункавидно, что диаграмма деформирования сплава в мартенситном состоянии состоит изначального упругого участка, за которым следует плато напряжения. Такое поведениесвязано с процессом переориентации мартенситных кристаллов, протекающим вобразце при деформировании. Для сплавов с памятью формы на основе TiNi величинаучастка переориентации может достигать 8% при постоянном напряжении (σm наРисунке 4) от 55МПа до 140 МПа.
Величина напряжения σm зависит от состава сплаваи предварительной термомеханической обработки. После плато переориентации,напряжениевозрастаетдвижениемдислокаций.иначинаетсяДиаграммапластическаядеформация,деформированиясплававызваннаяTiNiввысокотемпературной аустенитной фазе состоит из упругого участка с модулемупругости около 75 ГПа, за которым следует нелинейный участок пластическогодеформирования[1].Различиямеждумеханизмамидеформирования сплавов с эффектом памятиформывсостояниях,аустенитномможноимартенситномиспользоватьдлясовершения ими полезной механической работы.На Рисунке 4 видно, что в начальной точке 1, вкоторой металл находится в мартенситном Рисунок 4.
Диаграммы деформированиясостоянии, величины напряжения и деформации сплава с эффектом памяти формы вравны нулю. После деформирования сплава до низкотемпературном (Low temperature) изначения деформации εm и значения напряжения высокотемпературном (High temperature)σa его деформированное состояние соответствуетсостояниях.
[1]точке 2. Если после этого нагреть сплав выше температуры Af, при которой оннаходится в аустенитном состоянии, то он восстановит свою деформацию, сохраняяпостоянным напряжение σa, и напряженное состояние переместится из точки 2 в точку3, в которой деформация примет значение εa. После этого материал упруго разгрузят19из точки 3 в точку 1 и охладят до температуры Mf. Таким образом, замкнется петля,образованная зависимостью “напряжение - деформация - температура”, определеннаяпутем 1 → 2 → 3 → 1 на Рисунке 4. Общая работа, совершенная сплавом с памятьюформы на единицу объема, будет представлена в виде заштрихованного участка наРисунке 4 и может быть вычислена как [1]: = ∫ (2 → 3 → 1) − ∫ (1 → 2)Пружина является наиболее часто используемой формой элемента из сплава спамятью формы применяемой в термоприводах [16].
Такая геометрия выбрана за счеттого, что она может обеспечить большие перемещения. Для сравнения, прямаяпроволока длиной 30 мм, продеформированная на 1%, имеет перемещение приформовосстановлении 0,3 мм, в то время как спираль диаметром 8 мм, состоящая из30 витков проволоки толщиной 1 мм, способна совершить перемещение величиной 50мм. Именно благодаря этому свойству спираль является наиболее предпочтительнойформой для создания рабочего тела привода, работающего за счет эффекта памятиформы [17].Соединение сплава с памятью формы супругим контртелом позволяет создать приводмногократногодействия,которыйпроявляетмногократное обратимое формоизменение вовремя уменьшения и увеличения температурырабочего тела из сплава с ЭПФ.Существуют два метода, используемые длядостижения многократного срабатывания приводана основе сплава с памятью формы: методРисунок5.термопривода,Схемаработыпостроенногодифференциальному принципу.[1]посмещения и дифференциальный метод.
Методсмещения позволяет проявлять большую гибкостьв проектировании термоприводов и являетсянаиболее часто используемым при создании20устройств. Дифференциальный метод обеспечивает более точное управлениедвижением привода и находит применение в робототехнике и аналогичных приводахтребующих высокой точности перемещений.[1]Схема работы термопривода, построенного по дифференциальному принципу,представлена на Рисунке 5. Привод состоит из груза, действующего на пружину вкачестве нагрузки, и пружины из сплава с памятью формы. Перемещение пружиныпод действием веса груза изменяется при изменении температуры: δH – смещениепружины при высокой температуре, δL – смещение при низкой температуре.
Приповышении и понижении температуры граница раздела фаз будет перемещатьсямежду точками A и B, а перемещение устройства будет считаться как разница δL - δH .Рисунок 6. Принцип работы термопривода работающего по методу смещения (а) и егопринципиальная схема работы (b). [1]В случаях, когда груз не может быть применен в устройстве, в качестве нагрузкиможет быть использована пружина из какого-либо подходящего по упругимсвойствам сплава.На Рисунке 6 (а) представлен принцип работы термопривода работающего пометоду смещения. Привод состоит из пружины из сплава с памятью формы и пружиныиз упругого сплава, соединенных так, что они противодействуют друг другу.
Рисунок6 (b) представляет собой принципиальную схему работы термопривода, состоящую иззависимостей смещения (deflection) от нагрузки (Load) в низкотемпературном (Low21Temperature) и высокотемпературном (High Temperature) состояниях для пружины изсплава с эффектом памяти формы и для контрпружины (Bias spring). На Рисунке 6 (b)представлено отношение между кривыми смещения, вызванного нагрузкой, иобратимым перемещением привода.
Поскольку две пружины противодействуют другдругу, наклоны кривых имеют противоположный знак. Расстояние между точками Aи B, находящимися на кривых, определяется общей длиной привода после сжатия вустройстве. Противодействующие силы пружин приходят в равновесие, когда криваясмещения упругой пружины пересекает кривую смещения пружины из сплава спамятью формы. Таким образом, при высокой температуре, пружины находятся вравновесии в точке A, а при низкой температуре пружины находятся в равновесии вточке B. Эффект многократного формоизменения определяется как ход пружин Dмежду точками A и B при понижении и увеличении температуры.
Если приводпротиводействует внешним силам, то его ход пропорционально уменьшается. Кпримеру, если при высокой температуре была приложена нагрузка P1, то смещениеустройства при этой температуре сместится в точку C, а ход уменьшится до значенияD1. [1]Обычные приводы, такие как,электромагнитныйсоленоид,пневматическоегидравлическоеэлектромоторилиустройствонереагироватьнатемпературы;данноеиспособныизменениесвойствоявляется уникальным для приводовРисунок 7. Сравнение характеристик термоприводов.(a) – зависимость смещения от температуры вбиметаллических термостатах (Termostat Metal) иприводах с эффектом памяти формы (SMA Stripe).
(b) –сравнение зависимости характеристики сила/вес оттемпературы для восковых приводов (Wax actuator) иприводов с памятью формы (SMA Actuator).[17]из сплавов с памятью формы.Восковыетермоприводыибиметаллические элементы такжечувствительныкизменению22температуры, однако приводы на основе сплавов с эффектом памяти формы способныразвивать намного бóльшие значения усилий и перемещений. По способностиреагировать на изменения температуры, приводы на основе сплавов с эффектомпамяти формы могут быть поделены на две группы, в соответствии с тем какимспособом они нагреты. Первая группа включает в себя приводы, которые приопределенной температуре претерпевают определенные фазовые превращения, чтоприводит к корректировке усилий и перемещений.
Вторая категория включает в себяприводы, которые нагреваются жидкостью, воздухом или электрическим током ивыполняют свою функцию по требованию оператора.Действующей силой в приводах с ЭПФ являются напряжения, возникающие впроцессе реализации деформационных эффектов, связанных с мартенситнымипереходами протекающими в сплавах. Таким образом, эти приводы не предъявляюттребования к наличию подвижных деталей или герметично запертых жидкостей,подобно восковым приводам, их конструкция и управление ими, просты. Более того,восковыеприводывосновномобеспечивают линейные перемещения, в товремя какприводы с ЭПФ могут бытьспроектированы для работы в режимерастяжения, сжатия или кручения,чтопозволяет добиться не только линейныхперемещений, но и вращательных.
Этопозволяет создавать устройства способныеРисунок 8. Сравнение отношения веса приводак развиваемой им силе для различных типовприводов. (1) – проволоки из TiNi; (2) –пружины из TiNi; (3) – пластины из TiNi; (4) –биметаллические пластины; (5) – восковойпривод; (6) – магнитный соленоид. [17]обеспечивать(трехмерное)значенияпространственноеперемещение.перемещенийБольшиемогутбытьдостигнуты при использовании проволокили стержней, в то время как использование спиральных катушек позволяет достичьбольших перемещений и больших значений выходной силы. Так как срабатывание23устройства обусловлено фазовым переходом, происходящим непосредственно вприводе, становится возможным проектирование без использования контактныхповерхностей, требующих смазывания.На Рисунке 7 представлено сравнение зависимости смещения от температурыдля восковых приводов, биметаллических пластин и приводов на основе сплавов сЭПФ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
