Электротермический силовой привод

Полезная модель относится к области металлургии, термомеханическим исполнительным устройствам преобразования тепловой энергии в механическую, в частности к зажимам, предназначенным для фиксации (монтажа) тонкой проволоки из сплава никеля и титана (нитинол).
Из уровня техники известно термомеханическое устройство испытательных механизмов (патент РФ на изобретение №2485198, С22С 14/00, C22F 1/18 опубл. 20.06.2013), в котором предлагается фиксирование части элемента с увеличением площади поперечного сечения элемента, по крайней мере, в 5 раз превосходящую площадь поперечного сечения рабочей части. Достоинством данного способа является сохранение формы фиксирующей части, что обеспечивает целостность соединения.
Недостатком известной конструкции является то, что она не позволяет развить существенное усилие из-за неравномерного нагрева, а также имеются сложности в наведении памяти. Получение стержня с данным соотношением площади поперечного сечения является материалозатратным.
Известен также электротермический привод силового элемента (патент РФ на изобретение №2158343, МПК E05F 15/20, B60J 7/06 опубл. 27.10.2000), содержащий металлический корпус, в котором установлен силовой элемент, выполненный в виде изогнутой ленты из материала с обратимой термической памятью формы, один конец которого укреплен жестко в торце корпуса, а другой - в подвижном элементе в контакте со штоком. При этом внутри металлического корпуса, между корпусом и силовым элементом с тепловым контактом с ним установлены термоэлектрические модули, оба электрических вывода которых подсоединены через переключатели к источнику постоянного тока.
Основным недостатком устройства является то, что оно не позволяет развить существенное усилие.
Наиболее близким аналогом является электротермический силовой привод (патент РФ на полезную модель №163932, F03G 7/06, опубл. 14.12.2015), содержащий корпус с верхней и нижней опорами, в котором установлен силовой элемент, выполненный из материала с обратимой термической памятью формы, отличающийся тем, что включает несколько силовых элементов, соединенных параллельно и жестко закрепленных своими концами между верхней и нижней опорами.
Основным недостатком конструкции является использование в силоприводе ненадежного крепления силового элемента (проволоки) к опорам. Крепления осуществляются за счет трения в различных цанговых или клиновидных соединениях. Это приводит к разрушению, как самой проволоки, так и фиксирующей части, и соединение в итоге приходит в негодность. Такая же ситуация будет проявляться, когда фиксирующая часть элемента имеет концентраторы напряжений в виде резьбы (резьбовые соединения).
Технической задачей настоящей полезной модели является создание работоспособного силового привода с надежным креплением силовых элементов, для обеспечения больших нагрузок, применяемого в заготовительно-штамповочном производстве и испытательной технике.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в обеспечении существенных нагрузок при сохранении управления величиной усилия и сохранении работоспособности и надежности механизма.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в электротермическом силовом приводе, содержащем корпус с верхней и нижней опорами, в котором установлено несколько силовых элементов, выполненных в виде проволоки из материала с обратимой термической памятью формы, соединенных параллельно и жестко закрепленных своими концами между верхней и нижней опорами, силовые элементы закреплены с опорами через узел крепления, состоящий из сердечника и цилиндрической обоймы, причем сердечник тоже имеет цилиндрическую форму и в его верхней части выполнен кольцевой паз с отверстиями перпендикулярными центральной оси, а нижняя часть имеет форму однополостного гиперболоида, при этом в отверстия сердечника вставлены загнутыми концами силовые элементы, а жесткая фиксация сердечника и силовых элементов обеспечивается обоймой, установленной, путем магнитно-импульсного обжатия, с внешней стороны.
Выполнение силового привода с несколькими силовыми элементами, установленными параллельно, позволяет обеспечить суммирование усилий, развиваемых каждым элементом.
Выполнение силовых элементов в виде проволоки из материала с обратимой термической памятью формы позволяет обеспечить малые габаритные размеры устройства и упрощает технику подвода и съема тепла (нагрев - охлаждение силового привода) с каждого тонкого силового элемента, а также не требует использования мощного испытательно-силового оборудования, для создания памяти, так как ее наведение - осуществляется для каждого силового элемента отдельно.
Использование в узле крепления сердечника цилиндрической формы с кольцевым пазом в верхней части, отверстиями перпендикулярными центральной оси, и нижней частью в форме однополостного гиперболоида, позволяет жестко зафиксировать проволоку с помощью магнитно-импульсного обжатия обоймы, не навредив ее структуре, при этом обеспечивая надежность крепления.
Предлагаемая конструкция характеризуется чертежом, где представлен разрез узла крепления силовых элементов привода.
Устройство содержит корпус, состоящий из верхней опоры, нижней опоры (на чертеже не показаны), силовых элементов 1 и узлов крепления, которые включают в свой состав сердечник 2 и обойму 3. Сердечник 2 имеет цилиндрическую форму. В верхней части выполнен кольцевой паз, в котором проделаны отверстия для установки силовых элементов 1. Перед установкой силовых элементов 1 (проволоки) в сердечник их концы загибают. После того как элементы 1 установлены в сердечник, на конструкцию надевают обойму 3 и с помощью магнитно-импульсной установки обжимают ее. Таким образом, проволока 1 прогибается в нижнюю часть сердечника 2, выполненную в виде однополосного гиперболоида, что служит дополнительной фиксацией проволоки 1 в узле крепления. Также в сердечнике 2 имеется резьбовое отверстие 4 для удобной его установки на каком-либо основании.
Электротермический силовой привод работает следующим образом. При проведении каких-либо штамповочных работ или испытаний материалов в конструкцию установки монтируется силовой привод с элементами из материала с памятью формы. Верхняя или нижняя опора, в зависимости от эргономичности устройства, крепится к неподвижному основанию, оставшаяся, соответственно к подвижному. Силовые элементы 1 к опорам присоединяются через узлы крепления, в частности через сердечник 2 с резьбой 4. В качестве силовых элементов 1 может быть использована проволока из нитинола диаметром 1-3 мм. Силовые элементы устанавливаются параллельно друг другу, позволяя суммировать усилия, развиваемые каждым элементом, при их использовании в едином силоприводе. Количество элементов также зависит от усилия, которое нужно создать. Развиваемое каждым силовым элементом усилие при нагреве до 100°С составляет 0,28-0,32 кН. После проведения всех настроек установка готова к работе. От сети на силовые элементы 1 подается напряжение порядка 0,7 В, в течение 2-3 секунд, чего достаточно для нагревания до 100°С. Эта температура необходима для структурного изменения, которое позволяет металлу «вспоминать» созданную в нем ранее форму (размер) и задавать усилие. Соответствующее усилие передается на заготовку. После проведенных манипуляций подача напряжения прекращается и осуществляется охлаждение сжатым воздухом. Время производственного цикла составляет 4-5 сек.
Возможное исполнение данной модели предполагает использование в едином силоприводе 6 термически тонких элементов. После установки 6 проволок в отверстия, на сердечник одевается обойма 3. С использованием магнитно-импульсной установки, обойма 3 деформируется и обжимает сердечник 2 с проволоками 1. Данное крепление проволоки опробовано на растяжной машине Testometric FX150, при проведении опыта нарушение соединения не зафиксировано, так же были получены данные усилия выдерживаемое соединением из 6 проволок равное 7806 Н.
Применение предлагаемой полезной модели позволит создавать надежные силоприводы со значительными усилиями, также упростить технику подвода и съема тепла (нагрев - охлаждение силопривода) с каждого тонкого силового элемента, обеспечить равномерность нагрева и охлаждения элемента и сократить производственный цикл работы силопривода.