СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ И ВОССТАНОВЛЕНИЕМ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В КАЧЕСТВЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА
METHOD OF CONTROLLING FORMING AND RECOVERING DRIVEN ELEMENT FROM ALLOYS WITH MEMORY USED AS ACTUATOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных технических устройствах, таких, например, как актуаторы, термомеханические двигатели (ТМД) различного назначения, приводные механизмы и устройства различного технического и технологического назначения, механизмы и устройства поступательного и вращательных движений и т.п., то есть технические устройства, движение исполнительных механизмов в которых выполняется активными элементами (АЭ) из сплава с памятью.
Известно большое число возможных конструкций таких устройств, движение исполнительных механизмов в которых выполняется активными элементами (АЭ) из сплава с памятью. В зависимости от назначения активные элементы в них перемещаются поступательно, вращательно или имеют более сложную траекторию движения. В основе применения таких исполнительных механизмов лежит принцип безусловного сохранения устойчивого состояния АЭ, так как потеря устойчивого состояния приводит к потере техническим устройством его заданным функциональным возможностям.
Известно приводное устройство (патент РФ №1696298), включающее АЭ сильфонного типа с замкнутым объемом, внутри которого создано разрежение (или повышенное давление), выполняющее роль контрэлемента, термоэлектрические элементы, закрепленные на оболочке сильфона в виде сетки и способные работать в режиме нагрев-охлаждение. Способ управления АЭ заключается в изменении температуры определенной группы термоэлементов для создания температурного поля, обеспечивающего необходимую траекторию и скорость движения привода.
В патенте США US №005825983А описано устройство и способ управления роботом за счет магнитных отталкивающих сил. Движение пальцев робота осуществляется с помощью элементов из сплава с памятью.
Недостатком известных способов управления активными элементами является: низкий уровень величины конечной деформации активного элемента, и, следовательно, пропорционально функционально ограниченная величина его конечного перемещения, что связано с недопустимостью потери устойчивости активных элементов при приложении продольной силы, так как это приводит к увеличению массогабаритных характеристик, и позволяет обеспечить степень деформации только на 20-30% ниже порога устойчивости для выполнения активным элементом заданных функциональных параметров, а также допускает возможность создания и реализации только одноосного напряженного состояния, что значительно снижает (в случае одноосного напряженного состояния при продольном приложении силы и деформации) не только границы и области применения активных элементов, но и ограничивает развиваемые усилия, для достижения которых требуется пропорциональное увеличение габаритных характеристик и энергетических затрат при необходимости повышения результирующих функциональных выходных параметров активных элементов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа управления деформированием и восстановлением активных элементов (АЭ) из сплавов с памятью, используемых в качестве исполнительных механизмов различных технических устройств, который позволил бы повысить уровень энергоотдачи, развиваемых усилий и величины деформаций (перемещений) и, следовательно, функциональных выходных параметров активных элементов, применяемых в этих устройствах, расширить технические и технологические возможности их использования, снизить уровень их энерго- и материалоемкости и габаритных размеров для достижения более высокого технического уровня.
Указанная задача решается следующим образом. Активные элементы в исходном (мартенситном) состоянии деформируют до момента потери устойчивости, задавая и обеспечивая используемому сплаву с памятью величину деформации, исходя из его свойств, такой, чтобы при нагревании активных элементов осуществлялось полное восстановление их исходного состояния. Далее активный элемент нагревают до температуры конца обратного (аустенитного) превращения, а затем активный элемент вновь охлаждают до мартенситного состояния и при необходимости повторяют цикл. Этот процесс потери устойчивости изменяет одноосное состояние деформирования на состояние изгиба и, следовательно, величина взаимного относительного перемещения концов активного элемента будет в разы больше их аналогичного перемещения без потери устойчивости при одноосном состоянии деформирования, Таким образом, используя свойства АЭ из различных сплавов с памятью, можно управлять их деформированием и восстановлением, и, следовательно, величиной требуемого перемещения и усилием, которое создает активный элемент.
Для достижения цели изобретения может быть применен сплав с памятью либо восстанавливающий свою форму при прямом превращении (в мартенситной фазе), либо восстанавливающий свою форму с помощью внешнего воздействия.
При деформировании активных элементов из сплава с памятью до состояния потери устойчивости величину деформации АЭ для используемого сплава с памятью устанавливают таким образом, чтобы при нагревании активных элементов обеспечивалось полное восстановление их исходного состояния.
Это обеспечивает повышение уровня технических возможностей и уровня энергоотдачи АЭ из сплава с памятью благодаря тому, что в аустенитной фазе у сплавов с памятью величина напряжения и, следовательно, критическая сила, приводящая к потере устойчивости, в три раза больше, чем в мартенситной фазе. Поэтому, это свойство сплавов с памятью, характеризующееся такой разностью величин напряжений в аустенитной и мартенситной фазах, обусловливает при нагреве полное восстановление заданных исходных размеров активного элемента и, при этом еще производится дополнительная полезная работа вследствие возникающей разности избыточных напряжений.
ст
кр
ст
кр
Процесс деформирования активного элемента из сплава с памятью производят в мартенситном состоянии путем последовательного приложения продольной силой Р от нулевого значения путем ее последовательного ступенчатого приращения равными долями на величину Р до момента достижения АЭ уровня потери устойчивости, что соответствует значению величины продольной силы Р, равной критической Р - соответствующей моменту потери АЭ устойчивости. Величина приращения Рустанавливается кратной значению диапазона [0 - Р].
кр
ст
ст
После достижения момента потери устойчивости и, соответственно, значения силы Р=Р дальнейшее приращении силы Р осуществляют для достижения требуемого установленного уровня деформации также последовательно ступенчатыми приращениями, но уже на малую величину ΔР, существенно меньшую, чем при ее последовательном ступенчатом приращения равными долями на величину P до момента достижения АЭ уровня потери устойчивости, т.е. ΔР<<Р.
Энергозатраты, которые будут необходимы для достижения неоходимого конечного, требуемого, заданного или установленного для деформируемого АЭ из применяемого сплава с памятью уровня деформации, при этом будут уже в разы меньше, чем в состоянии до потери устойчивости, а следовательно, и размеры поперечного сечения элемента (и, соответственно, его масса и габариты) существенно меньше, так как, соответственно, возникающие напряжения в АЭ, которые необходимо преодолеть, после потери им устойчивости будут незначительны.
Это обусловлено тем, что при обычном изгибе сила прикладывается в направлении, перпендикулярном оси стержня, а в предлагаемом способе - вдоль оси, что расширяет возможности применения активного элемента.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен активный элемент в виде стержня (АЭ), работающего на сжатие - одноосное напряженное состояние.
На фиг.2 показан тот же активный элемент в виде стержня, деформированный до потери устойчивости и далее после потери устойчивости - напряженное состояние изгиба.
При реализации способа управления деформированием и восстановлением активных элементов (АЭ) из сплавов с памятью, используемых в качестве исполнительных механизмов различных технических устройств, осуществляют операции в следующей последовательности:
- деформирование активных элементов (АЭ) в мартенситном состоянии;
- нагревание АЭ до аустенитного состояния;
- охлаждение до мартенситного состояния.
Активные элементы в мартенситном состоянии деформируют до состояния потери устойчивости, при этом величину деформации выбирают такой, чтобы при последующем нагревании АЭ обеспечивалось бы полное восстановление их исходного состояния.
ст
кр
ст
кр
Процесс управления деформированием осуществляют следующим образом. Нагружение производят в мартенситном состоянии путем последовательного приложения продольной силой Р от нулевого значения путем ее последовательного ступенчатого приращения равными долями на величину Р до момента достижения АЭ уровня потери устойчивости, что соответствует значению величины продольной силой Р, равной критической Р - соответствующей моменту потери АЭ устойчивости. Величина приращения Р устанавливается кратной значению диапазона [0 - Р]. Для предварительной оценки предела устойчивости используют зависимость (2).
кр
ст
ст.
N
кр
и
и
После достижения момента потери устойчивости и, соответственно, значения силы Р=Р дальнейшее приращении силы Р осуществляют для достижения требуемого установленного уровня деформации также последовательно ступенчатыми приращениями, но уже на малую величину ΔР, существенно меньшую, чем при ее последовательном ступенчатом приращения равными долями на величину Р до момента достижения АЭ уровня потери устойчивости, т.е. ΔР<<РПри этом в обоих случаях осуществляют контроль за величиной линейного перемещения ΔL и ΔS. Контроль величины перемещения устанавливают по данным зависимости (7) - (до потери устойчивости) и зависимости (6) - (после потери устойчивости), а допустимая величина деформации ε определяется из паспорных свойств применяемого сплава с памятью.
Для защемленного стержня, выполненного, например, из сплава системы никель-титан величину критической силы, определяющей потерю устойчивости, устанавливают по зависимости:
где Е(q) - модуль упругости; q - процентное содержание термомартенсита.
Для шарнирно закрепленного стержня (фиг.1) величину критической силы, определяющей потерю устойчивости, устанавливают по зависимости:
[Мовчан А.А., Сильченко Л.Г. Устойчивость стержня, претерпевающего прямое или обратное мартенситное превращение под действием сжимающих напряжений // Прикладная механика и техническая физика. 2003. т.44, №3 - с.169-178].
При нагрузках ниже критической силы, вызывающей потерю устойчивости, деформация стержня в мартенситном состоянии, обеспечивающая полное восстановление его исходного состояния, определяется из уравнения:
N кp
N
ΔL=Lε (фиг.2),
N
N
где ε - относительная деформация, L - длина стержня (для никелида-титана ε равно 0,06).
кр
При потере устойчивости, когда P>P, стержень теряет свою прямолинейную форму и к продольной деформации добавляется деформация изгиба (фиг.2). Это происходит за счет потенциальной энергии, которая накапливается в стержне до момента потери им устойчивости.
Принимая, что форма изогнутого стержня представляет собой дугу окружности радиусом ρ (фиг.2), длину дуги определяют по формуле:
L=2ρφ (3)
где 2φ - угол сектора окружности с длиной дуги, равной L.
С учетом гипотезы плоских сечений получаем:
u
u
Так как ΔL=εL, то:
u
Отсюда можно определить угол φ при заданной величине деформации εи высоте сечения h.
Следовательно, удлинение стержня, обусловленное изгибом, определяется соотношением:
u
ΔS=L-S=L-2ρsinφ,
где S - расстояние между торцами изогнутого стержня,
Тогда, учитывая (3), получим величину перемещения:
u
N
кр
По полученным зависимостям также, очевидно, можно определить величину дополнительного рабочего хода - (ΔS-ΔL), получаемого в результате деформации, обусловленного потерей устойчивости.
u
В таблице приведены результаты расчета при принятой величине деформации ε=0,06 (для никелида титана) и относительной длине стержня L/h, равной 10 и 20.
L/h
tgφ
φ
sinφ
sinφ/φ
ΔS<sub>u</sub>/L
Град.
Рад.
10
0,6
31
0,541
0,515
0,952
0,048
20
1,2
50,2
0,876
0,786
0,876
0,123
Для сплава, в частности системы никель-титан, механическая характеристика определяется выражением:
m(q)
σ=E(q)ε, (7)
где в мартенситной фазе (q=1), соответственно E(1)=330 МПа и m(1)- 1/8, а в аустенитной фазе (q=0) Е(0)=1800 МПа и m(1)=1/3. Из (7) следует, что в аустенитной фазе напряжение и, следовательно, критическая сила примерно в три раза больше, чем в мартенситной фазе. Поэтому при нагреве происходит полное восстановление активного элемента и производится полезная работа.
Кроме того, при обычном способе изгиба стержня силу прикладывают перпендикулярно его оси, а рассматриваемом способе - вдоль оси, что существенно расширяет возможности применения активного элемента, упрощает конструкцию и уменьшает габариты при прочих равных условиях к функциональным выходным характеристикам и параметрам.
кр
сх
Процесс дальнейшего изменения величины перемещения (деформации) активного элемента после достижения уровня при критической силе Р происходит при приращении продольной силы Р на малую величину ΔР, т.е. ΔР<<Р, существенно меньшую, чем для достижения такого же уровня перемещения (деформации), как и в процессе достижения АЭ уровня потери устойчивости.
Следовательно, энергозатраты для достижения конечного уровня деформации будут в разы меньше, чем в состоянии без потери устойчивости, а размеры поперечного сечения элемента (и, соответственно, его масса и габариты) также будут существенно меньше.
Кроме того, под действием продольной (а не поперечной) силы возникает изгибная форма деформации, что расширяет технические возможности применения активного элемента.
Использование предлагаемого способа позволяет существенно снизить энергозатраты на деформирование АЭ за счет того, что деформация активного элемента из сплава с памятью в мартенситной фазе после достижения уровня, равного критической силе, происходит при приращении силы P на малую величину ΔP, существенно меньшую, чем для достижения этого же уровня деформации в докритическом состоянии, т.е. без потери устойчивости. Этого позволяет значительно повысить уровень энергоотдачи и существенно уменьшить размеры поперечного сечения АЭ и, соответственно, его массу и габариты, повысить уровень функциональных выходных параметров активных элементов, применяемых в технических устройствах, и расширить технические и технологические возможности их использования, снизить уровень их энерго- и материалоемкости.