АКТЮАТОР НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
ACTUATOR BASED ON FUNCTIONAL MATERIAL

Изобретение относится к области приборостроения, механики и технике исполнительных элементов на основе функциональных материалов, изменяющих свои форму и размеры под воздействием различных физических полей, например электрического, магнитного, теплового, и может найти применение в машиностроении, приборостроении, микромеханике, в технологии датчиков для испытания технических систем и др.
Известен аналог (Панич А.Е., Пьезокерамические актюаторы. Ростов 2008 г. С.153. ) [1] предлагаемого технического решения - актюатор на основе функционального материала, в качестве которого использован пьезокерамический элемент, способный испытывать деформацию при приложении электрического поля, система электродов и источник электрического напряжения, подключенный к системе электродов, для управления деформацией актюатора.
-4
Недостатками актюатора согласно аналогу [1] являются низкая технологичность и эффективность вследствие недостаточной деформации за счет воздействия электрического поля на функциональный материал - пьезоэлектрическую керамику (типичное значение относительной деформации - 10) и низкая блокирующая сила, под которой понимается максимальное механическое напряжение, которое развивает актюатор при электроиндуцированной деформации, и, как следствие, малая производимая механическая мощность, низкая надежность вследствие хрупкости керамики.
3
Прототипом предлагаемого технического решения, то есть наиболее близким по конструкции актюатором на основе функционального материала, является актюатор, описанный в работе (А.И. Полетучий. Тепловой двигатель. А.С. СССР №969956, МКИ F03G 7/02. Опубл. 30.10.82, Бюл. №40) [2]. В этой работе описан актюатор на основе активного элемента, выполненного из функционального материала - сплава TiNi с эффектом памяти формы (ЭПФ), соединенного механически с упругим элементом, системы электродов, подсоединенных к активному элементу, и источника электрического напряжения, подсоединенного к системе электродов. Работа актюатора согласно прототипу основана на том, что необходимое для совершения актюатором какого-либо механического действия, например замыкания контактов или срабатывания клапана, возбуждение в активном элементе из сплава с ЭПФ создается в результате нагрева Джоулевым теплом пропускаемого через него электрического тока и механического напряжения, развиваемого упругим элементом. Подробное описание физической природы явления термоупругого мартенситного перехода и ЭПФ в сплавах семейства TiNi дано, например, в книге (А.Г. Хунджуа. Введение в структурную физику сплавов с эффектом памяти формы. МГУ, 1991) [3].
Недостатком прототипа является низкое быстродействие, обусловленное тем, что псевдопластическая деформация функционального сплава с ЭПФ требует преодоление как времени тепловой инерции, так и характерного времени протекания мартенситного перехода. Кроме того, низкая максимальная производимая механическая мощность, которая есть следствие малого быстродействия, также относится к недостаткам прототипа.
Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности актюатора, в частности в повышении его быстродействия и повышении выходной механической мощности, а также в повышении надежности и технологичности и в упрощении массового производства.
Поставленные цели достигаются тем, что в актюаторе на основе функционального материала, включающем активный элемент, выполненный из функционального материала, механически соединенный с упругим элементом, систему электродов, соединенных с активным элементом, источник электропитания, подсоединенный к системе электродов для контроля актюатора, согласно изобретению в качестве функционального материала выбран аморфный металл или сплав.
Поставленные цели достигаются также тем, что в актюаторе на основе функционального материала, согласно изобретению, активный элемент, выполненный из функционального материала, заключен в объем, обеспечивающий охлаждение элемента потоком жидкости или газа.
2
Поставленные цели достигаются также тем, что в актюаторе на основе функционального материала, согласно изобретению, активный элемент выполнен из аморфного быстрозакаленного сплава TiNiCu в виде ленты.
2
2
Новым в предложенном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что впервые в качестве функционального материала, изменяющего свои размеры под воздействием теплового поля, создаваемого Джоулевым теплом тока, протекающего через активный элемент, используется сплав в аморфном состоянии, например, TiNiCu. Хотя традиционно сплав TiNiCu в технологии дачиков и исполнительных элементов находит применение в кристаллическом состоянии и демонстрирует ЭПФ, однако в аморфном состоянии у него отсутствует упорядоченная кристаллическая структура, и, следовательно, термоупругое мартенситное превращение и присущий ему ЭПФ не наблюдаются. Однако, как показано в настоящей работе, за счет теплового расширения аморфного сплава, которое заметно превышает расширение кристаллических металлов и сплавов, возможно получение достаточно сильной термоуправляемой деформации, а высокая прочность, малая толщина и малая инерция теплового расширения быстрозакаленного аморфного сплава позволяют в совокупности получить преимущество в быстродействии и достигаемой удельной мощности по сравнению с прототипом.
В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется в связи с чертежами.
2
Фиг.1 - схема актюатора на основе нового функционального материала - аморфной ленты быстрозакаленного сплава и схема измерения термомеханических свойств аморфных сплавов. 1 - быстрозакаленная аморфная лента сплава TiNiCu, 2, 3 - электрические контакты, 4 - источник стабилизированного напряжения, 5 - неподвижный блок, 6 - нагрузка, 7 - измерительный флажок, 8 - микроскоп.
Фиг.2 - дифрактограмма (а) и микрофотография (б), доказывающие аморфное состояние сплава.
Фиг.3 - зависимости деформации удлинения аморфного сплава (а) от температуры и механического напряжения (б) при разных значениях электрического тока (а) и относительного удлинения аморфного сплава от величины электрического тока (б).
2
Фиг.4 - схема актюатора на основе функционального материала в виде аморфной быстрозакаленной ленты, принудительно охлаждаемой потоком теплообменной жидкости или газа. 1 - быстрозакаленная аморфная лента сплава TiNiCu, 2, 3 - электрические контакты, 9 - источник электрических импульсов, 10 - стеклянная трубка, 11 - динамометр, 7 - измерительный флажок, 12 - источник света и фотоприемник, 13 - теплообменная жидкость.
2
Фиг.5 - временная зависимость управляемой деформации актюатора согласно предлагаемого технического решения, выполненного из быстрозакаленного аморфного сплава TiNiCu.
Сущность предлагаемого технического решения (см. фиг.1) состоит в том, что, активный элемент из аморфной ленты быстрозакаленного сплава 1, подключенный при помощи контактов 2 и 3 к источнику электрического тока 4, испытывает нагрев и тепловое расширение, вследствие нагрева Джоулевым теплом электрического тока. Натяжение ленты через механическую систему 5 осуществляется источником силы, например грузиком или пружиной 6. Удлинение ленты при нагреве фиксируется датчиком 8 по перемещению флажка 7, жестко связанного с активным элементом 1.
2
В данном техническом решении предлагается в качестве функционального материала активного элемента применить аморфную быстрозакаленную ленту, например, из сплава TiNiCu. Структурное состояние сплава аттестовано с помощью электронного микроскопа (см. фиг.2). На дифрактограмме (а) и электронной микрофотографии (б) не удается различить признаков кристаллической структуры, что доказывает ее аморфное состояние. Измерение зависимостей относительного удлинения (деформации) ε=ΔL/L, где L - начальная длина аморфной ленты, от внешнего механического напряжения и температуры показывает, что модуль упругости ленты (наклон прямых) практически не зависит от величины электрического тока (температуры) (фиг.3а), в то время как нагрев Джоулевым теплом приводит к значительной деформации сплава до 0,3% (см. фиг.3б) в широком интервале токов.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности актюатора, в частности в повышении его быстродействия и повышении выходной механической мощности, а также в повышении надежности и технологичности и упрощении массового производства, что достигается за счет свойств нового функционального материала - аморфных быстрозакаленных сплавов. Как известно, во многих случаях аморфные металлы и сплавы отличаются повышенными прочностными свойствами по отношению к кристаллическим сплавам. Это позволяет говорить о повышении надежности активного элемента 1 и развиваемой актюатором силы, ограниченной его прочностью.
Сущность изобретения заключается в следующем. Выходная механическая мощность актюатора равна произведению предельно достижимой развиваемой силы F на перемещение d и на предельную частоту циклов f:
Таким образом, увеличение прочности функционального материала не только повышает надежность, но и максимальную выходную механическую мощность при периодическом возбуждении.
th
str
str
th
inv
Дополнительным преимуществом быстрозакаленных сплавов является малая толщина - до нескольких десятых микрон. Быстродействие актюатора (то есть предельная частота циклов f) ограничена характерным временем процесса активации функционального материала. Оно, в свою очередь, определяется наибольшим из двух времен: 1) характерным временем теплообмена актюатора с окружающей средой и 2) характерным временем инерции изменения структуры функционального материала. Тепловое характерное время t зависит как от свойств среды, например, окружающего актюатор газа или жидкости, так и от характерных времен процессов, связанных с перестройкой структуры t. В случае прототипа - актюатора с ЭПФ - t ограничено временем формирования мартенситной структуры. В случае аморфного сплава кристаллическая структура отсутствует, и скорость изменения длины актюатора имеет только ограничение, связанное с распространением тепла. Это характерное время определяется внутренними процессами теплопередачи сплава и свойствами теплоотдачи в окружающую среду t. Как известно, характерное время теплопроводности пластины определяется по порядку величины следующим соотношением:
th int
th inv
здесь h - толщина пластины или ленты сплава, с - его теплоемкость, ρ - плотность, κ - теплопроводность. Таким образом, уменьшение толщины актюатора при применении быстрозакаленной ленты ведет к очень резкому (обратно пропорционально квадрату толщины) уменьшению времени t. Для уменьшения времени t удобно применить принудительное охлаждение теплообменной жидкостью или газом. Для этого в настоящей работе сконструирована специальная экспериментальная установка для испытания прототипа актюатора, показанная на фиг.4.
Установка содержит активный элемент в виде аморфного сплава, погруженный в проточную теплообменную жидкость 13. Для регистрации быстрого изменения длины актюатора применены фотоэлемент с источником света 12 и флажок 7. Источник электрического тока представлял импульсный генератор 9.
Результаты эксперимента по измерению быстродействия актюатора представлены в виде временной диаграммы зависимости деформации актюатора на фиг.5 при возбуждении импульсом электрического тока не более 5 мс. Видно, что передний фронт отклика актюатора не превышает 8 мс, а полная длительность импульса - 20 мс. За импульсом возбуждения следуют затухающие механические осцилляции на резонансной частоте пружины. Механический резонанс системы пружина - активный элемент можно также использовать для повышения предельной рабочей частоты актюатора. Таким образом, в настоящей работе достигнуто быстродействие актюатора с новым функциональным материалом - аморфной быстрозакаленной лентой не менее 50 Гц.
Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения может быть значительным, если с его помощью удасться решить задачу генерации звуковых и ультразвуковых колебаний большой мощности. Предложенный функциональный материал при небольшой массе активного элемента из быстрозакаленного сплава может обеспечить достижение очень высоких мощностей управляемых колебаний. Этому способствуют и уникальная технологичность, которая позволяет получать аморфные сплавы большими объемами, буквально километрами за считанные секунды и минуты. Цена сплавов невысока. Сплав сразу после изготовления готов к производству активных элементов.
59
10
5
11
15
-5
-1
Пример 1. В качестве примера реализации актюатора на основе функционального материала рассмотрим эскиз установки, представленный на фиг.1. В качестве активного элемента применена быстрозакаленная аморфная лента сплава CoNiFeSiB, описанного в статье (Rosner H., Shelyakov A.V., Glezer, A.M., Feit, K., SchloBmacher, P. A study of an amorphous-crystalline structured Ti-25Ni-25Cu (at.%) shape memory alloy. Materials Science and Engineering A, V.273-275, P.733-737) [4] с коэффициентом теплового расширения около 3*10 К. Толщина ленты - 40 мкм. Сопротивление ленты - 10 Ом. При пропускании тока 1 А деформация удлинения составляет около 0,3% или 300 мкм. Создаваемая сила - 2 Н. Частота циклов - 1 Гц.
Пример 2. Актюатор на основе функционального материала, описанный в примере 1, снабжен охлаждающим контуром с проточной жидкостью - водой при комнатной температуре (см. схему на фиг.4). Частота циклов - 50 Гц.
2
Пример 3. В качестве примера реализации актюатора на основе функционального материала рассмотрим актюатор, аналогичный по конструкции описанному в примерах 1 и 2 (фиг.1-5). В качестве функционального сплава применена аморфная быстрозакаленная лента TiNiCu согласно статье [4]. При длине быстрозакаленной ленты сплава 30 см и при токе 2 А удлинение ленты составляет 0,9 мм, создаваемая сила - 10 Н. Частота повторения импульсов тока - 50 Гц, производимая механическая мощность P=0,45 Вт. Масса ленты - 100 мг. Удельная мощность =4000 Вт/кг, что в сравнении с автомобилем «Жигули» ВАЗ 2107 (500 Вт/кг) больше на один порядок величины.