АКТЮАТОР
ACTUATOR

Изобретение относится к области механики, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы и может найти применение в автомобильной промышленности, машиностроении, робототехнике, микромеханике, медицине.
Известен аналог предлагаемого технического решения - торсион, то есть упругий элемент, работающий на кручение [1], предназначенный для временного запасания энергии механических колебаний и их гашения (виброизоляции). Упругими свойствами в торсионе обладает, обычно, стальной стержень, который с одного конца жестко закреплен на основании, например на раме автомобиля, а на другой его стороне установлен рычаг, который закреплен на амортизируемом объекте, например на кузове автомобиля.
Недостатком аналога является невысокая эффективность, которая заключается в том, что жесткость упругого элемента определяется свойствами стержня и не может контролироваться в процессе работы, а также в том, что виброизоляция упругого элемента невелика, так как стержень работает в пределах закона Гука и энергия вибрации слабо поглощается упругим элементом, кроме того, функциональные возможности ограничены и устройство не может использоваться для осуществления управляемого вращательного движения.
Аналогом предлагаемого устройства является также актюатор, содержащий элементы с эффектом памяти формы в виде пружин с каналом для подачи теплового агента. Поочередная подача в пружины теплового и охлаждающего агента приводит к псевдопластической деформации (сжатию/растяжению) пружин в результате мартенситного перехода в материале с эффектом памяти формы и к производству механической работы [2]. К недостаткам аналога можно отнести его малую эффективность, связанную с тем, что без подачи противодействующего давления, пружины с эффектом памяти формы не могут изменять свою форму, так как без специальной тренировки обладают лишь «односторонним эффектом памяти формы».
Прототипом предлагаемого технического решения является актюатор [3]. Устройство включает упругий элемент и элемент с эффектом памяти формы преимущественно двумерной конфигурации, прочно механически соединенные друг с другом, причем элемент с эффектом памяти формы предварительно, непосредственно перед соединением с упругим элементом псевдопластически деформирован на растяжение или сжатие.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую эффективность, которая заключается в том, что он может производить только изгибные деформации, что сужает функциональные возможности устройства и систем на его основе.
Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности упругого элемента и расширении его функциональных возможностей и повышении технологичности за счет снижения габаритов устройства, в том числе до субмикронного масштаба размеров устройства, в увеличении достигаемой контролируемой деформации, увеличении достигаемого контролируемого тепловым или магнитным воздействием управляемого напряжения кручения, в расширении функциональных возможностей за счет достижения контролируемых свойств демпфирования, то есть возможности регулирования торсионной жесткости, в достижении возможности управления торсионной жесткостью элемента при помощи теплового воздействия или внешнего магнитного поля, повышении технологичности и экономичности за счет достижения возможности изготовления больших количеств изделий в едином технологическом цикле.
Поставленные цели достигаются тем, что в известном устройстве упругий элемент и элемент с эффектом памяти формы выполнены в форме коаксиально цилиндрических тел, жестко соединенных по образующей цилиндров, причем элемент с эффектом памяти формы выполнен с предварительной, до соединения, псевдопластической деформацией кручения.
Поставленные цели достигаются также тем, что в коаксиальных цилиндрических телах сформирован по крайней мере один канал для ввода жидкого или газообразного теплоагента, управляющего мартенситным переходом.
Поставленные цели достигается также тем, что актюатор выполнен из гибких материалов в конфигурации гибкого вала.
Поставленные цели достигается также тем, что элемент с эффектом памяти формы выполнен в форме нити, а упругий слой нанесен на нее методом осаждения из газовой или жидкой фазы.
Поставленные цели достигаются также тем, что на внешней поверхности актюатора имеется система электродов для нагрева элемента электрическим током.
Поставленные цели достигаются также тем, что рабочее тело с эффектом памяти формы выполнено из сплава NiTi.
2+X-Y
1-X
Y
Поставленные цели достигаются также тем, что в качестве материала с эффектом с памятью формы рабочего тела выбран ферромагнитный сплав NiMnFeGa, 0<X<0,2, 0<Y<0,2, а в качестве агента воздействия, управляющего мартенситным переходом в материале с эффектом памяти формы, выбран источник магнитного поля.
Поставленные цели достигаются также тем, что актюатор выполнен в виде витой пружины, свернутой по оси цилиндрических элементов с эффектом памяти формы и упругого элемента.
Поставленные цели достигаются также тем, что актюатор выполнен из множества параллельно соединенных пружинных элементов, каждый из которых имеет собственную температуру мартенситного превращения.
Новым в предложенном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что рабочее тело выполняется в форме нити, проволоки или трубки из сплава с эффектом памяти формы до соединения с упругим телом, предварительно натренерованных на достижение псевдопластической (возвратимой) деформации кручения. В результате упругий элемент сочетает способность к эффективному демпфированию энергии упругих вращательных колебании (виброизолирующий торсион) и это может обеспечить ему применение в машиностроении, автомобильной промышленности и т.д., а также в качестве актюатора с вращательной степенью свободы, отличающегося малыми габаритами и способностью к обратимому вращательному движению несмотря на то, что использует «односторонний эффект памяти формы» рабочего тела, и таким образом, он сможет найти применение при создании устройств робототехники, микромеханики, а возможно, и наномеханики. Кроме того, актюатор, выполненный в конфигурации пружины, может иметь сильную управляемую внешним полем обратимую линейную деформацию, поскольку витая пружина растягивается (сжимается) при скручивании образующего ее цилиндрического элемента. Актюатор, выполненный в виде набора пружин, может выполнять функцию виброизоляции или исполнительного элемента в широком температурном диапазоне, который перекрывается интервалами мартенситного превращения сплавов, использованных при изготовлении отдельных пружин.
В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема, поясняющая устройство предлагаемого упругого элемента, включающего коаксиально расположенные упругое тело и рабочее тело, выполненное из материала с эффектом памяти формы.
На фиг.2 представлена фотография макета актюатора по Примеру 1.
На фиг.3 представлена схема макета актюатора по Примеру 1.
На фиг.4 показана схема, демонстрирующая работу упругого элемента, управляемого электрическим током.
На фиг.5 показана схема упругого элемента в конфигурации гибкого вала.
На фиг.6 показана схема упругого элемента в конфигурации витой пружины.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что два коаксиальных цилиндрических тела - упругое и с эффектом памяти формы соединены жестко в единый композитный торсионный элемент, причем, поскольку рабочее тело предварительно (до соединения с упругим) натренировано на достижение псевдопластической деформации кручения, суммарная композитная конструкция элемента может запасать очень большую упругую энергию и создавать внутренний момент, способный оказывать воздействие на внешние тела и скручивать коаксиальные рабочие тела. Функционально такая схема эффективно сочетает возможности мотора и демпфера. Рабочий элемент находится при рабочей температуре по крайней мере частично в пседопластическом состоянии и очень сильно поглощает энергию упругих колебаний, а изменяя температуру элемента выше или ниже температуры мартенситного перехода рабочего тела, можно не просто сделать такой элемент по желанию жестким или мягким, но и генерировать вращательное колебательное движение. То есть, упругий элемент может осуществлять функции привода вращательных колебательных движений, то есть актюатора.
Возможность выполнения элемента миниатюрным (вплоть до субмикронных размеров) обеспечивается отсутствием в приводе двигателя и трансмиссии, а также способностью наноструктурированных сплавов с эффектом памяти формы к контролируемому изменению формы до размеров рабочего тела порядка десятков нанометров. В случае микро-, субмикро- и, возможно, нанометрового масштаба такое устройство можно выполнить в едином технологическом цикле, когда на предварительно натренированную до достижения псевдопластической деформации кручения нить (проволочку) рабочего тела электролитическим или другим способом наносится упругий прочный слой, обеспечивающий выполнение функций механического вращательного привода или контролируемого демпфера.
Витая пружина, как известно, переводит крутильную деформацию в продольное перемещение торца. Таким образом предлагаемый актюатор, свитый в пружину может также эффективно преобразовывать внешнее воздействие, вызывающее мартенситный переход в элементе с эффектом памяти формы, в продольное сжатие - растяжение.
Соединенные параллельно пружинные элементы приобретают новое качество. Они складывают силовое воздействие, увеличивая рабочий диапазон усилий, развиваемых актюатором, способствуют повышению быстродействия при данном усилии, так как время срабатывания актюатора увеличивается для элементом с памятью формы при увеличении размера из-за роста времени тепловой релаксации - охлаждения и нагрева при поглощении/выделении скрытой теплоты мартенситного перехода. И кроме того, выполнение пружинных актюаторов из разных сплавов позволяет расширить температурный диапазон работ всего устройства до объединения температурных интервалов мартенситных переходов сплавов, примененных в различных пружинах.
Рассмотрим физические принципы работы предлагаемого технического решения и сравним достигаемый эффект с известными аналогами. В основе работы предлагаемого технического решения лежат явления псевдопластической деформации и памяти формы. Композитный упругий элемент состоит из рабочего тела 1 из материала с эффектом памяти формы и упругого тела 2 (например, металла или эластичного полимера) (см. фиг.1). Сплав с эффектом памяти формы предварительно тренируют до достижения возвратимой деформации кручения. Физическое объяснение состояния "возвратимой деформации" можно объяснить следующим образом [4-6]. Под действием достаточно сильного внешнего механического напряжения температура структурного (мартенситного) перехода аустенит - мартенсит материала рабочего тела повышается. В напряженном образце, при охлаждении из аустенитного состояния через точку фазового перехода, происходит генерация мартенсита. Она начнется в первую очередь в областях максимального напряжения. Будут генерироваться главным образом соответственно ориентированные варианты мартенсита (растянутые или сжатые по осям растяжения или сжатия). Таким образом «возвратимая деформация» - это состояние образца, в котором макроскопическое изменение его формы и/или размера достигнуто в мартенситном состоянии за счет генерации мартенситных вариантов с соответствующими ориентациями кристаллографических осей.
При последующем нагреве материал с эффектом памяти формы переходит в аустенитное состояние и возвращается к прежней форме и размеру. В нашем случае это приведет к крутильной деформации композитного элемента. Обычно односторонний эффект памяти формы приводит к однократному восстановлению, несмотря на периодический нагрев, за что и получил свое название. Предложенный упругий элемент (как и прототип), выполненный из композита, при повторном охлаждении после нагрева восстановит свою форму. Он сохранит способность к периодическому кручению при периодическом термоциклировании через мартенситный переход несмотря на то, что использует односторонний эффект памяти формы рабочего тела. Это объясняется упругими свойствами второго - упругого тела композита. Если композит охладить ниже температуры мартенситного перехода, то упругое тело, возвращаясь в ненапряженное состояние, деформирует элемент с памятью формы и снова натренирует его до достижения состояния возвратимой деформации.
Преимущества по сравнению с прототипом [3] обусловлены тем, что цилиндрическая коаксиальная конфигурация приводит к крутильным деформациям элемента и к большей технологичности при создании амортизирующих элементов и приводов. По сравнению с аналогом [2] контролируемые деформации достигаются при применении одной пружины, а не двух, причем используется «односторонняя память» формы сплава.
Известны также аналоги, работающие с применением аксиально расположенных тел с так называемым «двусторонним эффектом памяти формы» [7]. Двусторонний эффект памяти формы заключается в том, что если образец сплава с термоупругим мартеситным переходом подвергнуть предварительно специальной процедуре тренировки путем сильной многократной деформации в процессе термоциклирования через температуру перехода, то он приобретет способность к периодической деформации при периодическом воздействии тепловым полем. Физическое объяснение двустороннего эффекта памяти формы заключается в том, что в процессе тренировки в сплаве появляются дефекты, например дислокации, создающие внутреннее поле напряжений, которые деформируют сплав при мартенситном переходе. Количественно максимально достижимые возвратимые деформации, например, в сплаве NiTi при одностороннем эффекте памяти формы составляют 10-30%, а двустороннем - по крайней мере на порядок слабее (0,3%-3%) [4-6].
Проведем приближенные количественные оценки деформации устройства, основываясь на книге [5, с.90]. Пусть длина рабочего тела в форме кругового цилиндра равна l, диаметр равен d, тогда относительная деформация рабочего тела при скручивании равна:
Ресурс псевдопластической деформации материала с эффектом памяти формы ограничен. Например, у сплава NiTi ε<5-10%. Таким образом имеем:
Полный оборот обратимой деформации скручивания возможен при отношении l/d порядка 10. Для материала упругого тела предпочтительно выбрать материал с максимальным пределом обратимой деформации. В качестве него можно выбрать либо металл с высокой прочностью либо пластмассу - эластомер. Подбирая толщину слоя упругого тела можно создавать композитные торсионные элементы с различными значениями обратимого кручения, приближающиеся к (2) (но всегда меньше, чем (2)), поскольку упругое тело оказывает сопротивление восстановлению формы рабочего тела.
Наиболее удобным и технологичным способом тренировки ленты или пленки с памятью формы на одностороннюю память формы является скручивание при охлаждении. При необходимости эту операцию можно проводить с бесконечной проволокой или нитью в непрерывном процессе. Упругий слой можно также наносить гальваническим методом на проволоку с эффектом памяти формы в непрерывном процессе.
Магнитоиндуцированный эффект памяти формы, который наблюдается в ферромагнитных сплавх Гейслера с памятью формы (таких как Ni-Mn-Ga, Co-Ni-Ga, Ni-Fe-Ga, Ni-Mn-In, Ni-Mn-Sn), также можно применить в предлагаемом техническом решении [8, 9]. Этот эффект объясняется влиянием магнитного поля на границу мартенсит - аустенит в ферромагнитном образце сплава, который находится в промежуточном состоянии в области гистерезиса мартенситного перехода. Намагниченность насыщения мартенсита в сплавах Гейслера, как правило, отличается от аустенита, и в результате, в достаточно сильном магнитном поле, температура мартенситного перехода изменяется, а границы мартенсит - аустенит сдвигаются в сторону увеличения объема более магнитной фазы (например, мартенсита в случае сплава Ni-Mn-Gs), причем независимо от ориентации поля. Актюатор по предлагаемому техническому решению с использованием ферромагнитного материала с памятью формы будет изменять свою форму под действием магнитного поля при постоянной температуре, выбранной вблизи температуры мартенситного перехода, например, в случае сплава Ni-Mn-Ga - несколько выше, чем температура мартенситного перехода.
К положительным свойствам, присущим предлагаемой конструкции актюатора, можно отнести высокое быстродействие. Оно обусловлено тем, что быстродействие актюатора на основе эффекта памяти формы ограничено, главным образом, временем теплообмена с окружающей средой. Это время будет минимально (а быстродействие - максимально), если элемент выполнен в форме тонкой нити или проволоки, которая дополнительно может омываться с помощью принудительной конвекции, например продуванием газа или жидкости. Можно предусмотреть также возможность не только охлаждения актюатора, но и нагрева его потоком нагретого газа или жидкости.
Большие перемещения и высокое быстродействие, присущие предлагаемому актюатору, можно сочетать с большими преодолеваемыми усилиями, если объединить множество актюаторов параллельно. Для этого можно в конструкцию актюатора включить платформы с пазами, фиксирующими торцы множества актюаторов. Нагрузка может осуществляться на одну из платформ. Объем между платформами, частично заполненный пружинными композитными актюаторами, можно продувать потоком газа или жидкости или газа с температурой, отвечающей началу или концу мартенситного перехода.
Для управления актюатором удобно применить электрический подогрев (Фиг.5). Для этого либо сам металлический актюатор необходимо подключить с двух сторон к источнику электрического напряжения, либо нанести на его поверхность изолирующий слой и систему электродов, которую подключить к источнику электрического напряжения. Джоулево тепло, выделяющееся при протекании тока, должно превышать энергию, необходимую для нагрева актюатора до температуры мартенситного перехода и перевода его в высокотемпературное аустенитное состояние. Температура окружающей среды должна быть ниже, чем температура перехода мартенсит - аустенит. Принудительная конвекция окружающего газа или жидкости позволит повысить быстродействие актюатора.
Пружинная конфигурация актюатора (Фиг.6) позволяет перевести крутильную деформацию актюатора в продольное перемещение пружины и сделать более технологичным его применение в схемах, где от актюатора требуется перемещение на большое расстояние и в схемах, когда он применяется для целей виброизоляции. Мартенситный переход - это уникальное механическое явление, при котором перемещение от силы зависит гистетезисным образом. Это приводит к сильному поглощению энергии механических колебаний, и таким образом рабочий элемент нагревается. Для эффективной работы в схемах виброизоляции необходимо предусмотреть отвод избыточного тепла и термостабилизацию актюатора. Кроме того, принудительное повышение температуры актюатора выше температуры перехода приводит к резкому снижению поглощаемой энергии и повышению жесткости. В такой схеме можно получить виброизолирующий элемент, например рессору с управляемой жесткостью. Такие элементы могут найти применение, например, в автомобильной технике. Если, например, внедорожник имеет жесткие рессоры, то он сможет надежно преодолевать пересеченную местность с большой скоростью. Если он движется по шоссе, то с мягкими рессорами сможет обеспечь комфорт пассажирам. Переключение жесткости рессор с помощью подогрева позволит получить высокое качество подвески автотранспортных средств.
Объединив в параллельной конфигурации на одной платформе два и более типа пружин с разными сплавами с эффектом памяти формы с разными температурами мартенситного перехода, можно добиться расширения температурного диапазона до суммарного диапазона примененных сплавов без снижения быстродействия.
Технический эффект от применения предлагаемого решения заключается, таким образом, в повышении эффективности упругого элемента и расширении его функциональных возможностей, и повышении технологичности за счет снижения габаритов устройства, в том числе до субмикронного масштаба размеров устройства, в увеличении достигаемой контролируемой деформации, увеличении достигаемого контролируемого тепловым или магнитным воздействием управляемого напряжения кручения, в расширении функциональных возможностей за счет достижения контролируемых свойств демпфирования, то есть возможности регулирования торсионной жесткости, в достижении возможности управления торсионной жесткостью элемента при помощи теплового воздействия или внешнего магнитного поля, повышении технологичности и экономичности за счет достижения возможности изготовления больших количеств изделий в едином технологическом цикле.
Пример 1. В качестве примера реализации актюатора и способа его изготовления опишем эксперимент, который иллюстрируется фиг.2-3. Коаксиальные рабочие элементы выполнены из круглого прутка сплава ТН-10 (никелид титана для медицинских применений) с эффектом памяти формы диаметром 4 мм и длиной 20 мм, коаксиально вставленного в стальную трубку внутреннего диаметра 4,1 мм, а внешнего 5 мм. Перед соединением пруток скручивают при охлаждении во льду на 4 оборота псевдопластически. Затем на торцах оба аксиальных элемента жестко закрепляются втулками с винтами диметром 4 мм, сжимающими пазы на прутке из (фиг.3). При циклическом нагреве в термостате от 0 до 40°С композитный актюатор демонстрирует обратимое скручивание на угол 10 градусов.
Пример 2. Актюатор по Примеру 1, причем в качестве элемента с эффектом памяти формы применена трубка с внутренним диаметром 2 а внешним - 4, через отверстие во внутренней трубке прокачивается жидкость с температурой 5-40°С.
Пример 3. Актюатор по Примеру 1, причем на поверхность актюатора перпендикулярно его оси приклеена изолированная нихромовая проволочка. При приложении к проволочке напряжения от внешнего источника по ней течет ток и выделяется Джоулево тепло, которое нагревает актюатор вблизи проволочки.
Пример 4. Актюатор по Примеру 1, в котором элемент с эффектом памяти формы выполнен из сплава Ni-Ti.
2.14
0,81
0,05
Пример 5. Актюатор по Примеру 1, в котором элемент с эффектом памяти формы выполнен из сплава NiMnGaFe.
Пример 6. Актюатор выполнен гальваническим осаждением никеля толщиной 40 мкм на никелид-титановую приволоку (сплав ТН-20) толщиной 80 мкм. Осаждение произведено по стандартной технологии [10]. Скручивание произведено на 100 оборотов при длине проволоки - 10 см. В цикле нагрев - охлаждение током 80 мА обратимое кручение на 10 оборотов.
Пример 7. Актюатор, выполнен из прутка сплава ТН-20 диам. 1,5 мм, длиной 20 см, заключенного в титановую трубку внутреннего диам. 1,5 мм и внешнего - 2 мм, свернут в витую пружину диаметров 20 мм. При псевдопластической деформации прутка с эффектом памяти формы 10 оборотов - линейная деформация пружины составляет 30 мм при изменении температуры 20-40°С.
Пример 8. Актюатор выполнен из 2-х пружинных элементов, причем один изготовлен из сплава ТН-10, а другой - из сплава ТН-20. Суммарное изменение длины составляет 30 мм при изменении температуры 0-40°С.
Пример 9. Актюатор выполнен из 40 псевдопластически скрученных в канатик проволочек сплава ТН-10 толщиной 0.1 мм и длиной 1 м и покрыт слоем эластомера - термопластичного полиуретана (ТПУ) марки Elastollan толщиной 4 мм. Полученный гибкий вал скручивается обратимо при повышении температуры от 10°С до 36°С на 20 оборотов и может служить макетом, демонстрирующим возможности предлагаемого актюатора в качестве медицинского катетера.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.Сухоруков. Торсион. ИНТЕРНЕТ публикация, (http://auto.open.by/note/podves/torsion.htm).
2. Татевосян Р.А. Тепловой двигатель. А.с. СССР №1134776, МКИ 4, F03G 7/06. Опубл. 15.01.85. БИ №2.
3. Гречишкин P.M. и др. Актюатор, система актюаторов и способ его изготовления. Патент РФ 23058754. МПК Н01Н 61/04. Опубл. 10.09.2007. БИ №25.
4. В.Н.Журавлев, В. Г.Пушин. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. Екатеринбург, 2000.
5. В.Э.Гюнтер и др. Медицинские материалы и имплантанты с памятью формы. Томск, 1998.
6. А.Г.Хунджуа. Введение в структурную физику сплавов с эффектом памяти формы. МГУ, 1991.
7. В.И.Волосяной, Г.И.Иванов, И.Г.Иванов. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую. А.с.№1094985. Опубл. 30.05.84. Бюл. №20.
8. A.A.Cherechukin et al. Phys. Lett. A291, 175 (2001).
9. А.Н.Васильев и др. Способ управления формой исполнительного элемента. Патент РФ №2221076. Опубл. 10.01.2004. БИ №1.