СИЛОВОЕ УСТРОЙСТВО

Силовое устройство
Полезная модель относится к машиностроению, а именно к конструкциям тепловых силовых элементов термических прессов, домкратов, штампов, захватывающих устройств и могут быть применены в качестве силовых приводов для термических устройств, использующих незначительный (10÷50)°С перепад температур для генерации напряжений в материале силового привода в процессе эксплуатации.
Известны устройства для преобразования энергии линейного расширения твердого тела в энергию поступательного перемещения. К недостаткам таких устройств следует отнести предъявление высоких требований по пецезионности исполнения, малое линейное перемещение, зависящее от коэффициента расширения материала (до 0,2%), что требует значительного перепада температур [1].
Также известны силовые приводы для термических устройств, использующих перепад температур для проявления эффекта памяти формы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является телескопический малогабаритный домкрат, состоящий из простых и фигурных цилиндров, в котором простые цилиндры развивают деформацию сжатия, а фигурные -деформацию растяжения. Это обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. На действие таких исполнительных механизмов не влияет среда или атмосфера, а влияет только температура. [1-3].
Однако недостатками данного изобретения являются сильное влияние температуры на действие исполнительных механизмов домкрата, что делает работу с ним неудобной из-за невозможности постоянного охлаждения элементов домкрата. Также при использовании малогабаритного домкрата развиваются малые напряжения, при увеличении размеров резко повышается стоимость изготовления.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей силовых устройств.
2
Технический результат обеспечивается тем, что силовое устройство изготовлено из сплава нитинол, обладающего эффектом памяти формы (ЭПФ) и выполнено в виде монолитных концентрических колец, соединенных между собой перемычками. В качестве ЭПФ предложено использовать сплавы на основе никелида титана, так как они имеют высокие прочностные и пластические характеристики (предел прочности 700…1000 МПа, относительное удлинение и сужение до 30%, ударная вязкость 0,3 мДж/м, степень восстановления формы 95…100% после 6…10% деформации, усилия, развиваемые в процессе восстановления формы 300…500 МПа). Использование свойства материала нитинола изменять форму конструкции в зависимости от его температурного состояния является основой работы предложенного силового устройства.
Принцип действия такого силового устройства поясняется на представленных фигурах.
Фиг. 1 - исходное состояние устройства из материала ЭПФ, полученное в процессе изготовления (литье);
Фиг. 2 - состояние силового устройства после программного деформирования:
Фиг. 3 - рабочее состояние силового устройства после изменения его превращения фазовой структуры «аустенит - мартенсит».
0
0
Конструкция силового устройства состоит из следующих основных элементов, а именно, наружного кольца 1 с исходным размером диаметра D, внутреннего кольца 2 с исходным размером диаметра d и соединяющих их перемычек 3. Перемычки 3 являются соединительными элементами и выполняются наклонными. Конструктивные параметры силового устройства подбираются из условия необходимых силы подъема и высоты подъема по формулам. Силовая характеристика Р1 определяется следующим соотношением:
Величина осевого перемещения Н определяется следующим соотношением:
0
01
0
Угол наклона соединяющих внутреннее и наружное кольца силового устройства перемычек γ определяет направление перемещения внутреннего кольца. Величина угла γ варьируется от 15° до 50° в зависимости от осевого перемещения Н.  Деформирование может производиться до тех пор, пока наружный диаметр D не увеличится на 8% (D=1,08D).
В качестве материала ЭПФ предлагается использовать сплав на основе соединения титан - никель с различными добавками, известные под общим названием сплавы ТНК (нитинол).
Силовое устройство работает следующим образом и включает в себя этапы предварительной подготовки рабочие действия силового подъема груза.
Как уже было выше отмечено действие силового устройства основано на использование свойства материала, обладающего эффектом памяти формы. Сплав на основе никелида титана (нитинол) является интерметаллидом, и при высокотемпературной термообработке взаимное расположение атомов упорядочивается, что приводит к запоминанию формы. Зависимости температур фазового превращения сплава нитинола от атомарного состава Ti и Ni представлены в таблице 1, в которой приводятся характеристические температуры фазового превращения сплавов на основе соединения титан - никель (нитинол) с добавками железа, обладающего Эффектом Памяти Формы в зависимости от атомарного содержания в сплаве Ti и Ni и Fe
Сущность ЭПФ материала заключается в явлении сохранять долгое время деформированное состояние в одном температурном интервале, а при незначительном нагреве возвращаться в исходное состояние. Восстановление исходных размеров способствует созданию внутри материала напряжений, значительно превосходящих напряжения, приложенные в процессе деформирования. На основании данного явления, разработаны высокотехнологичные процессы, позволяющие самому материалу осуществлять исполнительные действия.
Изготовленная обычными методами обработки металлических изделий заготовка из материала ЭПФ (фиг. 1), параметры которой рассчитаны по формулам (1,2) подвергается предварительной пластической деформации:
где
Р - сила подъема, кг;
Н - величина осевого перемещения, мм;
σ - напряжение термомеханического возврата, Па;
0
D - внешний диаметр наружного кольца до деформирования, мм;
0
d -внешний диаметр внутреннего кольца до деформирования, мм;
k - коэффициент объемной трансформации сплава ЭПФ;
γ - угол наклона перемычки, град/
Д
s
s
д
s
Сплав с ЭПФ пластически деформируют при температуре выше температуры прямого мартенситного превращения (Т>M) с целью придания ему определенной формы. Для того, чтобы зафиксировать форму после деформирования, осуществляется термическая обработка (ТО) на «память формы» при температуре 450÷500°С и при температуре 200÷300°С. Затем сплав охлаждают до температур, обеспечивающих протекание мартенситного превращения  и деформируют в этой температурной области для получения нужной формы. При дальнейшем нагреве выше температуры начала обратного мартенситного превращения (A) изделие вновь восстанавливает формы, которая была ему первоначально придана при температуре Т выше M.
s
f
Охлажденный до мартенситного состояния (температуры M, M) , элемент подвергается осевой сжимающей нагрузке (как это представлено на фиг. 2 «состояние после деформации») усилием Р. Охлаждение может осуществляться с помощью подвода жидкого азота или хранение устройства в жидком азоте при криогенных температурах. При этом внешнее кольцо воспринимает растягивающую нагрузку в пределах до 10%, а внутреннее, в то же время, сжимающую в пределах до 5%. Наклонный промежуток толщиной h, является соединительным элементом. Он располагается под углом до γ и на расстоянии, исключающем влияние растягивающей нагрузки на сжимающую.
s
f
s
f
После снятия внешней сжимающей нагрузки, устройство при температурах ниже M, способно неограниченное время сохранять измененное состояние до тех пор, пока за счет нагрева A   не произойдет фазовое превращение материала в аустенитное состояние (температуры A, A). При нагреве устройство трансформируется в исходную (недеформированную) форму, генерируя подъемное усилие Р, значительно превышающее напряжения сжатия (Фиг. 3).
s
f
s
f
01
0
Таким образом, технический результат в предложенном устройстве достигается тем, что тепловое силовое устройство выполнено из сплава обладающего эффектом памяти формы (ЭПФ), способного изменять свои размеры в пределах до 10% при растяжении и 5% при сжатии в узком (10÷50)°С интервале температур ниже температур A-A. Устройство содержит внешнее кольцо, подвергаемое радиальному растяжению и внутреннее радиальному сжатию, осуществляемое в процессе осевого сжатия при пониженной температуре (M-M). Внешнее и внутреннее кольца соединены наклонным промежутком и находятся на таком расстоянии друг от друга, что внешнее кольцо растягивается в пределах до 10%, а внутреннее сжимается до 5% при осевом сжатии до размера D=1,08D. Суммарная радиальная деформация (растяжение + сжатие) колец составляет в пределах до 15%. Силовые параметры устройств колец зависят от термомеханических свойств материала, вида и его объема. Восстановление исходной формы устройства при нагреве приводит к трансформации радиального перемещения колец к их осевому смещению. Внутреннее кольцо, опираясь на внешнее через промежуток, осуществляет осевое перемещение, генерируя при этом значительные усилия, применяемые в реальных конструкциях.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Авторское свидетельство СССР №1486354, кл. В30В 13\00, 1989.
2. Авторское свидетельство СССР №1390071, кл В30В 13\00, 1986.
3. Авторское свидетельство СССР №1750961, кл. В30В 13\00, 1992.