ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ПРИВОДА С ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ СПЛАВА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области трубопроводной арматуры и предназначена для использования в качестве привода запорной арматуры для химической промышленности, водопроводах, нефтепроводах и теплоэнергетике.
Известна конструкция привода с крутящим моментом [US2007289301, Torque actuator incorporating shape memory alloy composites], основанная на работе элемента из композиционного материала на основе ферритов и никелида титана или ферромагнитных сплавов с эффектом памяти формы.
Конструкция вращательного привода включает стальной стержень и пружину, которая может быть пластинчатой, винтовой (в данном случае из никелида титана) или двухслойной пластинчатой из ферромагнитного сплава с памятью формы, помещенных в кольцевую раму с расположенными в ней постоянными магнитами и электромагнитами;
Один конец пружины закреплен на стальном стержне, в то время как второй прикреплен к раме, по периметру которой расположены гибридные магнитные триггеры. Активация эффекта памяти формы производится с помощью радиально расположенных постоянных магнитов и электромагнитов, которые во включенном состоянии сегментарно притягивают ближайший к внутренней стенке конец пластинчатой пружины из композитного ферромагнитного СПФ, вызывая растяжение пружины и притяжения ее к внутренней стороне рамы и, соответственно, вращение стержня относительно окружающей его кольцевой рамы с электромагнитами.
Недостатком привода является отсутствие фиксированного положения элемента с эффектом памяти формы, что препятствует контролю величины прилагаемого воздействия на привод и, соответственно, изменения положения.
Известно приводное устройство с регулируемым по температуре выходным крутящим моментом [CN103352818 Temperature control torque output drive device, as well as assembly method and shape memory alloy coil spring preparation method thereof]. Приводное устройство включает в себя основание, кронштейн, расположенный на основании, вращающийся вал, закрепленный на кронштейне подшипниками, соосно расположенные спиральные пружины из сплава с памятью формы, одна из которых является смещающей, при этом один конец каждой пружины закреплен на основании, второй конец первой пружины закреплен на вращающемся валу на первой закрепительной втулке, а второй конец смещающей пружины - на второй. Кроме того, первая пружина оснащена ограничительной рамой, закрепленной на основании.
В низкотемпературном состоянии одна спиральная пружина растягивается спиральной смещающей пружиной. При повышении температуры спиральная пружина из сплава с памятью формы расслабляется из-за эффекта памяти формы, преодолевает предварительную нагрузку винтовой пружины смещения и приводит вращающийся вал во вращение с выходным крутящим моментом. После снижения температуры спиральная пружина смещения снова сжимает винтовую пружину из сплава, и привод передает обратный крутящий момент на выходной вал.
Действие данной конструкции реализуется путем изменения направления крутящего момента вала в зависимости от температуры, однако в конструкции не предусмотрено контролируемого источника тепла для управления приводным устройством.
Известен механизм вращательного привода для внедрения в эндоскоп [JPH1068893 А Rotating mechanism and endoscope formed by using the same], который представлен в виде двух микрокатушек с намотанной проволокой из СПФ, разделенных диском, установленным с возможностью смещения в вдоль оси, и вращающегося тела, расположенного соосно катушкам с возможностью вращения по часовой и против часовой стрелки. Вращающееся тело связано с каждой катушкой посредством двух проволок из СПФ, намотанных и закрепленных одним концом на основании катушки, а другим зафиксированных с противоположных сторон на вращающемся теле.
При нагреве катушек осуществляется возврат проволоки из СПФ из деформированного состояния в первоначальное, при этом проволокой из СПФ инициируется поворот вращающегося тела вокруг своей оси в одну или другую сторону в зависимости от нагреваемой катушки, то есть направление поворота, инициируемое одной катушкой, противоположно инициируемому направлению другой.
Недостатком данного привода является ненадежность и отсутствие в конструкции нагревательного элемента для приведения эффекта памяти формы в действие.
Принцип рычага с применением сплава с памятью формы реализован в следующем изобретении, принятом в качестве прототипа [RU 2500943 "Триггер из сплава с эффектом памяти формы для клапана сброса давления"]. Устройство содержит клапан с рычагом, включающим удлиненный элемент из СПФ в виде проволоки, один конец которой прикрепляют к рычагу, а второй конец продевают внутрь трубки и закрепляют, причем трубка остается неподвижной относительно рычага.
Действие рычага осуществляется при интенсивном нагревании сосуда высокого давления для хранения газа, в частности, когда сосуд подвергается действию огня, при этом проволока сокращается в длине и тянет за собой рычаг, тем самым открывая клапан и способствуя стравливанию избыточного газа. В случае разрыва проволоки из СПФ открытие клапана обеспечивается с помощью дополнительно установленной пружины.
Недостатком описанного клапана является осуществление небольших усилий под действием изменения окружающей температуры, при этом отсутствует возможность дистанционного контролируемого управления клапаном.
Таким образом, задачей, которую решает заявляемая полезная модель, является обеспечение надежного привода с упрощенной конструкцией, применимого для работы с повышенными нагрузками с возможностью контроля степени поворота вращательного привода.
Поставленная задача решается за счет того, что исполнительный механизм вращательного привода включает корпус с закрепленным на нем преобразовательным элементом и элементами из сплава с эффектом памяти формы, элементы из СПФ выполнены в виде проволочных спиралей, при этом первый конец первого элемента закреплен на преобразовательном элементе под углом 45 градусов к первому концу второго элемента, а вторые концы первого и второго элемента зафиксированы на внутренней стороне корпуса, при этом к концам первого и второго элемента из СПФ для обеспечения нагрева подсоединены провода, а на корпусе выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом для просмотра отклонения прикрепленной к торцу преобразовательного элемента стрелки индикатора.
Корпус с закрепленным в нем преобразовательным элементом и элементами из сплава с эффектом памяти формы, отличающийся тем, что элементы из СПФ выполнены в виде проволочных спиралей, при этом первый конец первого элемента закреплен на шкиве под углом 45 градусов к первому концу второго элемента, а вторые концы первого и второго элемента зафиксированы на внутренней стороне корпуса, при этом к концам первого и второго элемента из СПФ для обеспечения нагрева подсоединены провода, а на корпусе выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом для просмотра отклонения прикрепленной к торцу шкива стрелки индикатора.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что исполнительный механизм вращательного привода включает корпус с закрепленным на нем преобразовательным элементом и элементами из сплава с эффектом памяти формы, элементы из СПФ выполнены в виде проволочных спиралей, при этом первый конец первого элемента закреплен на преобразовательном элементе под углом 45 градусов к первому концу второго элемента, а вторые концы первого и второго элемента зафиксированы на внутренней стороне корпуса, при этом к концам первого и второго элемента из СПФ для обеспечения нагрева подсоединены провода, а на корпусе выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом для просмотра отклонения прикрепленной к торцу преобразовательного элемента стрелки индикатора, обеспечивает контролируемое управление клапаном, а сама конструкция применима для работы с повышенными нагрузками.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Вращательный привод.
Фиг. 2 - Вращательный привод, расположенный на шаровом клапане, с обозначением основных элементов: 1 - шток шарового клапана; 2 - преобразовательный элемент; 3-первый элемент СПФ; 4 - второй элемент СПФ; 5 - корпус; 6 - индикатор; 7 -нагревательный провод; 8 - изоляционная проставка; 9 - шайба; 10 - защитный прозрачный материал.
Фиг. 3 - Вращательный привод вид сверху.
Фиг. 4 - Положения шкива и состояния элементов и в крайних положениях:
а - закрыто; б - открыто.
Исполнительный механизм вращательного привода с элементом из сплава с эффектом памяти формы содержит преобразовательный элемент 2, одетый на шток клапана 1. Вращательный момент с преобразовательного элемента 2 на шток 1 передается за счет шпоночного соединения. Преобразовательный элемент 2 выполнен в виде шкива с целью преобразования линейного усилия в крутящий момент, оснащен изоляционной проставкой 8 и поджат шайбой, для того чтобы закрепить преобразовательный элемент 2 на штоке 1 клапана и предотвратить его спадание при помощи винтового соединения. К преобразовательному элементу 2 одним концом крепятся два элемента из СПФ 3 и 4, представляющие собой две проволочные спирали. Каждая из проволочных спиралей другим концом крепится к корпусу 5, который также выполняет функцию защитного кожуха. К торцу преобразовательного элемента 2 крепится индикационная стрелка 6, которая показывает текущее положение штока 1 клапана, тем самым отображается информация о закрытии или открытии клапана. К концам первого и второго проволочного спирального элемента из СПФ 3 и 4 подсоединены с выходом концов со стороны корпуса на источник напряжения провода 7, которые требуются для нагрева этих элементов путем пропускания электрического тока. Сверху на корпусе 5 выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом 10 (например, оргстеклом) для просмотра отклонения стрелки индикатора 6. На корпусе 5 может быть нанесена градуированная шкала.
Предпочтительным вариантом применения заявляемого привода является его использование в шаровом клапане запорной арматуры.
В исходном состоянии шаровой клапан может быть, как открытым, так и закрытым. Его особенность заключается в том, что он стабилен при любом повороте вентиля. Вследствие этого для совершения работы, а именно закрытия/открытия клапана необходимо повернуть вентиль из одного крайнего положения в другое. Шток 1 шарового клапана соединен с преобразовательным элементом 2, при этом одновременно с преобразовательным элементом 2 вращается и шток 1 клапана, тем самым открывая или закрывая клапан. Поворот штока 1 из состояния «закрыто» в состояние «открыто» осуществляется на 90°. К преобразовательному элементу 2 присоединены два элемента с эффектом памяти формы 3 и 4 направленные в одну сторону по обе стороны преобразовательного элемента 2. В закрытом состоянии шарового клапана (фигура 4а) элемент из СПФ 3 находится в недеформированном состоянии, тогда как элемент из СПФ 4 находится в деформированном растянутом состоянии. Противоположные концы элементов из СПФ 3 и 4 крепятся к корпусу 5, выполняющего также функцию защитного кожуха. При нагреве элемента из СПФ 4 происходит мартенситные превращения и он, сжимаясь, начинает возвращаться в свое исходное состояние, при этом тянет за собой преобразовательный элемент 2, заставляя его вращаться и открывать клапан. За счет преобразовательного элемента 2, элемент из СПФ 3 начинает деформироваться (растягиваться). После восстановления формы, перестаем пропускать электрический ток, элемент из СПФ 4 начинает остывать, а шаровой кран остается в открытом положении (фигура 4б). Для осуществления процесса закрывания шарового клапана, необходимо нагреть элемент из СПФ 3, также путем пропускания электрического тока. В данном случае элемент из СПФ 3 возвращается в исходное состояние, тянет преобразовательный элемент 2 за собой, заставляя его вращаться, и закрывает клапан, а элемент из СПФ 4 деформируется, активируясь для следующего цикла работы. К преобразовательному элементу 2 присоединена стрелка (стрелочный индикатор) 6, показывающая конкретное состояние шарового клапана (открыто/закрыто).