УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Полезная модель относится к компонентам тепловых машин, а именно к мартенситным преобразователям тепловой энергии в механическую. Данные машины содержат рабочие тела из сплава с эффектом памяти формы. Это могут быть мартенситные двигатели или мартенситные приводы различного назначения. Крепление рабочего тела является неотъемлемой частью этих механизмов. Полезная модель может быть использована так же для крепления образцов при механических испытаниях сплавов с эффектом памяти формы.
Известно устройство для крепления рабочего тела с эффектом памяти формы в мартенситном двигателе пресса [1], в котором рабочее тело соединено с поводком резьбой. Поводок является деталью, предназначенной для передачи усилия от одной части механизма к другой его части. В данном случае поводок передает усилие от трансмиссии двигателя на рабочее тело через его крепление, поэтому он принадлежит равно как трансмиссии, так и устройству для крепления рабочего тела (пример трансмиссии мартенситного и мартенситного двигателя см. [2]). Недостатком такой конструкции крепления является высокая стоимость рабочего тела, так как изделия из сплавов с эффектом памяти формы трудны в механической обработке, а сам сплав является дорогим материалом.
Известно устройство для крепления рабочего тела с эффектом памяти формы в мартенситном преобразователе тепловой энергии в механическую энергию [3], содержащие поводки, оснащенные зажимами в виде конической пары. Губки зажима имеет конические отверстия, а рабочие тела имеют на концах конические встречные утолщения. Недостатком такой конструкции крепления является высокая стоимость рабочего тела, так как изделия из сплавов с эффектом памяти формы трудны в механической и термомеханической обработке, а сам сплав является дорогим материалом. Формирование конических утолщений требует больших затрат. Это - резание, ковка либо сварка. Последняя операция может снизить прочность рабочего тела.
Известно устройство для крепления рабочего тела с эффектом памяти формы в виде испытательного образца из проволоки или полосы в машине Lloyd 30k Plus [4], выбранное в качестве прототипа. Известное устройство содержит поводки, зажимы и рабочее тело из сплава с эффектом памяти формы, притом на каждом поводке установлен один зажим, в котором закреплено рабочее тело.
Недостатком такой конструкции крепления является зависимость стоимости и габарита рабочего тела от величины допустимого максимального рабочего усилия, развиваемого им. Рабочее тело удерживается в зажимах силой трения. Стоимость рабочего тела, равно как и его длинна или длина линии контакта рабочего тела с зажимом растет прямо пропорционально величине допустимого максимального усилия, действующего между поводками.
Заявляемая полезная модель свободна от указанных недостатков.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение стоимости и габарита рабочего тела при любых нагрузках за счет применения прокатных сортаментов, например: проволока, полоса, лист.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве на каждом поводке установлен дополнительный зажим, при этом часть рабочего тела, расположенная между зажимами одного поводка, изогнута, а форма изгиба зафиксирована зажимами.
Таким образом, рабочее тело удерживается в зажимах не только силой трения, но и нормальными напряжениями, действующими со стороны изогнутой части тела, расположенной между зажимами и зафиксированной ими, что позволяет уменьшать длину рабочего тела и ширину зажимов.
Сущность положительной модели отражена на фиг.1÷2.
На фиг.1 приведена общая схема устройства.
На фиг.2 отражена конструкция устройства, на которой получено подтверждение эффективности технической реализации полезной модели на примере крепления образца из сплава с эффектом памяти формы пори механических испытаниях.
Устройство (см. фиг.1) содержит поводок 1, зажимы 2 и 3 и рабочее тело 4. Само устройство размешено в мартенситном преобразователе энергии 5. Между зажимами 2 и 3 расположен изогнутый и заневоленый участок рабочего тела, а между зажимами 3 находится рабочая зона тела.
При работе устройства усилие и перемещение со стороны поводков 1, принадлежащих трансмиссии мартенситного преобразователя энергии 5, и данному устройству передается через зажимы 2 и 3 в рабочую зону тела 4, вызывая его деформацию. В зависимости от конструкции преобразователя это может быть растяжение, сжатие или кручения. Форма зажимающих поверхностей может быть плоской, призматической или отпрофилирована по контуру рабочего тела, например в виде цанг. Сечения рабочего тела 4, совпадающие с его рабочей зоной и крайними плоскостями зажимов 3 образуют границы рабочей зоны. Они являются источником концентрации напряжения. Острота концентрации зависит от усилия сжатия в зажиме. Величина удерживающего усилия на границе рабочей зоны определяется силой трения в паре рабочее тело - зажим и нормальными напряжениями, действующими со стороны изогнутой части тела, зафиксированной зажимами 2 и 3 каждого поводка. Фиксация может осуществляться плоскими зажимами 2 и 3 при прямолинейной прокладке тела, при этом форма изгиба должна быть зафиксирована, или иными словами заневолена, таким образом, что конфигурация изгиба останется неизменной при протаскивании рабочего тела по трассе прокладки под действием рабочего усилия. Это позволяет уменьшить ширину зажимов, не усиливая концентратор напряжений. Зажимы экранируют рабочую зону тела от неоднородности напряженного и деформированного состояния, обусловленного наличием существенных изгибных деформаций, присутствующих между ними. Поэтому предлагаемая конструкция зажимов нейтрализует влияние концентрации напряжений в зоне крепления на однородность деформированного и напряженного состояния рабочего тела или испытуемого образца в рабочей зоне. Этим обеспечивается размерная стабильность крепления при любых нагрузках вплоть до разрушающих нагрузок. Стабильность крепления обусловлена также существенным ограничением перемещений рабочего тела в зоне крепления. Перемещение рабочего тела в устройстве крепления возможно только вдоль трассы его прокладки. Для этого нужно развивать усилие, достаточное для того, чтобы преодолеть не только силы трение в зажимах, но и обеспечить постоянно присутствующее формоизменение концов рабочего тела, изогнутых между зажимами. Форма изгиба рабочего тела зафиксирована, так как она заневолена зажимами каждого поводка. Негативное влияние фазовой пластичности превращения на размерную стабильность крепления, связанную со снижением несущей способности крепления при охлаждении через интервал температур прямого мартенситного превращения аннулируется следующими свойствами полезной модели. Первое - необратимая пластическая деформация изгиба в устройстве существенно больше фазовой деформации пластичности прямого мартенситного превращения. Второе - условия теплообмена на изогнутом и заневоленном участке отличается от условий теплообмена в зажимах и в рабочей зоне. Третье - неоднородности напряженного состояния в зоне изгиба и зависимость температур старта и финиша мартенситных превращений от напряжения. Это исключает возможность того, что вся зона крепления рабочего тела будет охвачена одновременно прямым мартенситным превращением с однородной интенсивностью изменения фазового состава. Таким образом, величина усилия протаскивания рабочего тела по трассе прокладки остается неизменной. Данная конструкция крепления позволяет изготавливать рабочее тело из проволоки или полосы, при этом для формообразования зоны крепления силового элемента достаточно только гибочных операций, что резко снижает стоимость его изготовления.
Заявляемая полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского Государственного Университета.
В результате испытаний было подтверждено достижение указанного технического результата. Стабильность механических параметров устройства крепления оценивалась по результатам исследования на ползучесть и длительную прочность. Конструкция устройства крепления приведена на фиг.2. Поводки 1 подсоединяются к шарнирному подвесу устройства нагружения, на рисунке не показано. Между зажимами 2 и 3 размещается образец 4 изготовленный из проволоки ⌀0,5 мм из никелида титана. Длин рабочей части 60 мм. Он заневолен между двумя плоскими параллельными зажимами с призматическим профилем сжимающих поверхностей. Испытаие производилось в режиме растяжения. Эти испытания предъявляют наиболее жесткие требования к оборудованию. Максимальная растягивающая сила в серии экспериментов достигала величины 440 Н (напряжение 2030 МПа), разрушение происходило вдали от границ рабочей зоны образца. Это свидетельствует о высокой несущей способности устройства крепления и низком влиянии существующих концентраторов напряжения. Закономерности ползучести, предельные деформации до разрушения, фазовые деформации соответствовали данным полученным из других экспериментов. Это подтверждает, что недорогое и малогабаритное крепление обеспечивает высокую размерную стабильность функционирования рабочего тела в мартенситном преобразователе энергии.
Заявляемая полезная модель может быть широко использована не только в тепловых машинах, но и при экспериментальных исследованиях сплавов с эффектом памяти формы. Она позволяет многократно снижать затраты на отдельные эксперименты, и разрабатывать новые дешевые и продуктивные методики исследований.
Список использованной литературы
1. А.с. 878590 (СССР). МКИ В30В 15/34. Пресс И.Т.Гладышев. N 2850048/25-27; Заявлено ~ 13.12.79; Опубл. ~ 07.11.81, Бюл. N 41. - аналог
2. А.с. 1492833 (СССР) МКИ F03 7/06. Лихачев В.А., Мозгунов В.Ф. Трансмиссия мартенситного двигателя.
3. Пат. 2022718 (Gr. Britain - Великобритания) МКИ F03G 7/06. Continuously-rotatable motor powered by shape memory effect elements W.L.Pringle, P.A.Hochstein. N 7919364; Заявлено 04.06.79; Опубл. 19.12.79. HKH~FIS26. - аналог
4. Materials testing machine Lloyd 30k Plus. User manual. Part No: 01/3083, version 4.2. Lloyd Instruments LTD - прототип