CC BY
47
УДК 539.38
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ИЗ МАТЕРИАЛОВ С ЭПФ
© Ю.Н. Вьюненко
Ключевые слова: эффект памяти формы; кольцевые силовые пучковые элементы (КСПЭ).
Показана возможность подготовки силовых элементов из материалов с эффектом памяти формы к заданным деформационно-силовым режимам работы.
Технологические эксперименты на установке ШеР [1] при получении специального наката на трикотаж показали, что уровень развиваемых усилий варьируется в пределах от 400 до 700 Н. Для этого производственного процесса такой разброс силовых характеристик допустим. Но в новых технологических операциях может потребоваться генерация усилий с малыми отклонениями от заданного уровня. В решении этой проблемы можно использовать устройство «ЛИНД» (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема устройства ЛИНДа
Конструкция состоит из двух неподвижных пластин 1 и двух подвижных - 2. Пружина 3, играющая роль контртела, препятствующего работе металлических «мышц», размещена между пластинами 2. В зависимости от исследуемой проблемы перед экспериментом нижнюю подвижную пластину устанавливают в требуемое положение и фиксируют ее. При этом за счет пружины 3 и исследуемых силовых элементов 4 определяется положение верхней подвижной пластины. В соответствии с этим положением подбирается стопорный цилиндр 5, высота которого соответствует расстоянию между верхними подвижной и неподвижной пластинами. В процессе нагрева данной конструкции в термостате контролируется расстояние между подвижными пластинами. В кольцевых силовых пучковых элементах (КСПЭ) [2], предварительно при комнатной температуре продеформированных, с достижением температур обратного мартенситного превращения развивается эффект памяти формы. Металлические «мышцы» стараются вернуться к первоначальной форме. В результате этого изменяется положение верхней
подвижной пластины. Преодолевается сопротивление сжимаемой пружины. Таким образом, получаем информацию о взаимосвязи перемещения и развиваемого усилия, определяемого коэффициентом жесткости пружины и степенью ее сжатия.
Во время охлаждения КСПЭ в интервале температур прямого мартенситного превращения оказывается в состоянии сверхпластичности. Поэтому сжатая пружина за счет накопленной упругой энергии возвращает силовым элементам форму, приобретенную перед нагревом. При этом стопорный цилиндр защищает КСПЭ от наращивания деформации, т. к. пружина обладает не только накапливаемой за счет ЭПФ упругой энергии, но и энергией, задаваемой начальным сжатием упругой спирали перед нагревом.
С помощью «ЛИНДа» были исследованы две пары КСПЭ. Температура Ак материала силового элемента первой пары находится вблизи 35 °С, второго - около 70 °С. «Металлические мышцы» первой пары состояли из 5 витков проволоки диаметром 2 мм, а второй - из 4 витков диаметром 2,5 мм. Измеряли изменение расстояния между верхней подвижной и нижней неподвижной пластинами в процессе прогрева КСПЭ, который проводили в изотермических условиях, помещая «ЛИНД» в разогретый до 138 °С термостат.
На рис. 2 приведены кривые роста смещения верхней подвижной пластины со временем в зависимости от начальной силы противодействия деформационным процессам ЭПФ. Предварительно КСПЭ первой пары были продеформированы от диаметра 63 до 85 мм. Каждый из двух силовых элементов состоял из 5 витков проволоки диаметром 2 мм. При минимальной силе противодействия порядка 490 Н (кривая 1) и при 637 Н (кривая 2) деформационные процессы начинались через 1 и 1,5 мин., соответственно. Возрастание противодействующей силы до 784 Н продлило временную задержку деформационного процесса до двух минут, а при 931 Н данный временной интервал достиг 4 мин. Такое изменение времени старта ЭПФ вполне согласуется с результатами исследования сплава П№, приведенными в [3]. Так как для преодоления дополнительных сил сопротивления требуется некоторый перегрев материала. Эта задержка формовосстановительного эффекта может носить негативный характер в технологических процессах. Аналогичные результаты были получены для второй пары металлических мышц.
2023
Время, мин
Рис. 2. Изменение расстояния между подвижными пластинами от времени при постоянной форме КСПЭ
Степень формовосстановления влияет на уровень генерируемых напряжений. На рис. 3 показано, что с ростом смещений, обусловленных ЭПФ, снижается конечный уровень развиваемых усилий, т. е. в обеих парах КСПЭ формовосстановительный процесс является фактором, способствующим частичной релаксации реактивных напряжений.
Сила, Н
Рис. 3. Взаимозависимость деформационного эффекта и генерируемых усилий в результате развития ЭПФ в КСПЭ первой (1) и второй (2) пары
Учитывая результаты, приведенные на рис. 3, можно предположить, что для рассмотренного вида силовых элементов справедлива формула:
^ = ^ {¿о ~ ^ЭПФ ),
где d0 = d1-d - начальное смещение противоположных точек диаметра во время деформирования КСПЭ (рис. 4); dЭпф = d1-d2 - смещение, обусловленное эффектом памяти формы; ¥ - развиваемая сила; Ь - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала, геометрических размеров КСПЭ и, возможно, от степени и начальной деформации, т. е. d0.
Рис. 4. Стадии формоизменения силовых элементов
В технологических процессах работа силовых элементов может вызывать существенно большие перемещения. Если во время подготовки КСПЭ к работе в мартенситном состоянии деформации материала про-
волоки не превзойдут 4-6 %, то формовосста-
новление, в отсутствие препятствующих сил, достигнет 90-95 % от величины остаточного формоизменения. То есть вытянув кольцо вдоль диаметра от 63 до 85 мм (случай, рассмотренный выше), после срабатывания ЭПФ можно ожидать возвращения указанного параметра к величине ~65 мм (рис. 4). Однако в реальных условиях сложно избежать сопротивления формоизменению. Оно может меняться в условиях температурного воздействия, оказываемого на обрабатываемые материалы и изделия, как это происходит в устройстве ШеР (рис. 5).
Рис. 5. Устройство ШеР
В данном технологическом процессе с указанным формоизменением ЭПФ позволяет уменьшить расстояние между верхней подвижной и нижней неподвижной пластинами на 11-16 мм.
Полученные результаты показали, что исследовательские возможности устройства «ЛИНД» достаточно широки. Величина смещения в проведенных экспериментах варьируется от 0 до 7 мм, а усилия, генерируемые КСПЭ данных конструкций, могут достигать 650 Н и более. Соответствующий выбор конструкции КСПЭ и уровня его деформационной подготовки может обеспечить точный режим воздействия на обрабатываемые материалы, детали, узлы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вьюненко Ю.Н. Применение ЭПФ в производстве слоистых материалов // Перспективные материалы и технологии: сб. ст. между-нар. науч. симпозиума. Витебск, 2011. С. 182-184.
2. Вьюненко Ю.Н. Математическое моделирование деформационных процессов и опыт технологического применения ЭПФ // ФПСМ. 2010. № 3. С. 28-31.
3. Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Валиев Р.З. и др. Сплавы никелида титана с памятью формы. Ч. 1. Структура, фазовые превращения и свойства / под ред. В.Г. Путина. Екатеринбург: УрО РАН. 2006. 439 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Автор выражает благодарность ООО «Оптимикст Лтд» за техническое содействие в проведении экспериментов.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Vyunenko Y.N. MECHANICAL CHARACTERISTICS OF THE POWER ELEMENT OF MATERIALS WITH SME
The possibility of power components preparation from materials with shape memory for a given strain-power operating modes is shown.
Key words: shape memory effect; ring power beam elements (RPBE).
2024
