CC BY
45
УДК 621.98.044.7:621.757.002
МНОГОЗВЕННЫЕ СИЛОПРИВОДЫ ИЗ МАТЕРИАЛА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
© 2017 В.А. Глущенков, В.К. Алехина
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Статья поступила в редакцию 30.05.2017
В статье рассмотрены конструкции многозвенных силоприводов и их применение в технике. Получена зависимость скорости нарастания нагрузки от скорости нагрева, деформационно-силовые характеристики многозвенных силоприводов. Определены основные преимущества таких силоприводов.
Ключевые слова: память формы, нитинол, силопривод, деформирующие оборудование, твердомер.
ПОСТАНОВКА ВОПРОСА
В последние годы в отечественной и зарубежной технике занимают определенную нишу материалы с памятью формы [1-3]. Они используются в качестве силовых приводов в конструкциях различных устройств, деформирующем и испытательном оборудовании и приборах [4-5]. Существующие силоприводы в них состоят, как правило, из стержневых силовых элементов, диаметрами 4-10 мм из сплава ТН-1. Для срабатывания силопривода стержень нагревают до температуры порядка 100 градусов. Характеристики таких силовых элементов определяются деформационно-силовыми диаграммами сплава и временем их срабатывания, т.е. временем нагрева и охлаждения стержня, временем развития напряжений и разгрузки. Кроме того, методика наведения памяти формы требует, при этом, использования оборудования с идентичным требуемым усилием.
Стержневые конструкции силового элемента имеют следующие недостатки, главные из которых:
• ограничение по величине развиваемых усилий (снижение эффекта памяти формы из-за неравномерности нагрева по сечению);
• сложность и длительность нагрева и охлаждения, а, следовательно, малая производительность;
• использование для формирования «памяти» оборудования с соответствующим довольно большим усилием.
Вот почему, задача создания новых конструкций силоприводов из материала с памятью формы, лишенных перечисленных выше недостатков, является актуальной.
Владимир Глущенков, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории прогрессивных технологических процессов пласти-чес-кого деформирования. E-mail: imp@ssau.ru Валентина Алехина, младший научный сотрудник лаборатории прогрессивных технологических процессов пластического деформирования. E-mail: vgl@ssau.ru
ПРЕДЛАГАЕМОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
Предложена новая конструкция многозвенного силопривода, состоящего из нескольких термически тонких силовых элементов [6]. На рис. 1 дан чертеж одного из таких силоприво-дов. В корпусе 2 размещено несколько «тонких» силовых элементов 4, например, проволок диаметром 1мм. Идея такого технического решения в суммировании усилий, развиваемых каждым силовым элементом, в усилие сило-привода в целом.
;—А
Воздух
1
Рис. 1. Многозвенный силопривод с окружным расположением силовых элементов: 1- штуцер, 2 - корпус, 3 - пластина, 4 - силовые элементы
Проведенные эксперименты подтвердили факт суммирования усилий, создаваемых каждой проволокой, в единую силовую характеристику силопривода. Так, усилие, развиваемое каждой проволокой в 40 кН, создает общее усилие многозвенного (три проволоки) силоприво-да в 120 кН.
Преимущества созданного силопривода: облегчается и ускоряется процесс подвода и съема тепла с каждого элемента
• достигается равномерность нагрева каждого силового элемента
• открылась возможность создания сило-приводов со значительно большими усилиями, чем развиваемыми при использовании стержневых конструкций
• упростилась методика наведения памяти формы при использовании стандартного оборудования незначительных усилий
Наилучшим решением, например, для нагрева проволоки явился метод электронагрева непосредственным пропусканием тока через проволоку. При токе в 30 ампер температура в 100 градусов достигалась уже через 3,1 секунды.
Оставался не решенным вопрос производительности создаваемого многозвенного силопривода из материала с памятью формы и, следовательно, оборудования, устройств, приборов, где в качестве силоприводов использовались материалы с памятью формы. Для решения поставленного вопроса создан стенд, схема которого приведена на рисунке 2. Он позволяет экспериментально исследовать связь скорости нагрева и скорости развития напряжений при реализации «памяти формы».
На рис. 3 в качестве примера приведены полученные на стенде кривые изменения температуры нагрева (Т) и развития усилий (Р). Из графиков видна зависимость развиваемых усилий от скорости нагрева, при различных значениях тока J.
Результаты обработки полученных зависимостей (рис. 3) сведены в табл. 1.
Приведенные данные позволяют сделать вывод о влиянии скорости нагрева на скорость развития силоприводом усилий (рис. 4) и, в конечном счете, на производительность деформирующего и испытательного оборудования.
Кроме того, стенд, благодаря имеющейся возможности ограничения (зазор Д1) перемещения силового элемента от 0 до 14 мм (рис. 2), позволяет получить деформационно - силовые характеристики силопривода. На рис. 5 приведены усилия, развиваемые силовым элементом при различной величине перемещения Д1
В табл. 2 приведены полученные значения усилий при соответствующих перемещениях (Д1).
Полученные характеристики многозвенных силоприводов дали возможность сформулировать технические задания на создание, например, деформирующего оборудования - пресса (рис. 6), испытательного прибора - твердомера (рис. 7) Конструкции пресса и твердомера защищены патентами России [7-8].
ВЫВОДЫ
1. Предложены новые конструкции силопри-водов из материалов с памятью формы - многозвенные, состоящие из нескольких термически тонких элементов, соединенных параллельно.
2. Исследованы (определены) технические характеристики предлагаемых силоприводов: деформационно-силовые и эксплуатационные. Впервые установлена связь скорости нагрева силовых элементов со скоростью развития ими усилий при реализации эффекта памяти формы.
3. Определены основные преимущества многозвенных силоприводов:
возможность создания силоприводов со значительными усилиями.
• не требуется использование мощного испытательно-силового оборудования, для создания памяти, так как её наведение - осуществляется для каждого силового элемента отдельно.
• обеспечивается равномерность нагрева и охлаждения элемента.
Рис. 2. Схема устройства для испытания проволочных силовых элементов: 1 - основание, 2,3,4 - опоры, 5 - держатель, 6 - переходник, 7 - шток, 8 - пружина, 9 - пальцы, 10 - лапка, 11,15 - гайка, 12 - переходники, 13 - силовой элемент, 14 - датчик усилия
в)
Рис. 3. Кривые изменения Т и Р при различной величине пропускаемого тока I:
а - 1-15А; б - I - 20А в; - 1-30А
Таблица. 1. Экспериментальные данные значения зависимостей
Ток I (ампер) Длительность нагрева до 100°С (сек) х Скорость изменения температур Т (°С/ сек) Скорость нарастания нагрузки Р (Н/сек)
15 10,5 7,6 70,1
20 3,9 10,3 235,4
30 3,1 25,8 459,9
Рис. 4. Диаграмма зависимости скорости нарастания нагрузки от скорости нагрева
а) При перемещении ДI =0 мм
б) При перемещении ДI =1,5 мм
1ДСгоу
в) При перемещении Д( =3 мм
Рис. 5. Деформационно - силовые характеристики силового элемента при различных перемещения:
а - 0 мм; б - 1,5 мм; в - 3 мм
Таблица 2. Усилие, развиваемое образцом при различных перемещениях (Al)
Al, мм P,H
0 599,77
1,5 377,34
3 51,78
Рис. 6. Пресс с многозвенным силоприводом из материала с памятью формы: 1- балка, 2 - силопривод, 3 - подставка, 4 - гайка, 5 - шток, 6 - деформирующий инструмент, 7 - основание, 8 - изолятор
Рис. 7. Твердомер с многозвенным силоприводом из материала с памятью формы: 1 - давильник, 2 - силопривод, 3 - храповой механизм, 4 - кронштейн, 5 - стойка, 6 - образец, 7 - пята, 8 - ось, 9 - винт, 10 - индентор, 11 - пружина, 12 - шток, 13 - палец
• упрощается техника подвода и съема теп- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ла (нагрев-охлаждение силопривода) с каждого
тонкого силового элемента. 1. Тихонов А.С. Применение эффекта памяти формы
• сокращение производственного цикла ра- в современном машиностроении. Москва: Маши-боты силопривода. ностроение, 1981. 76 с.
2. Белоусов В.П., Дукин Е.П., Фавстов Ю.К. Исполнительный механизм многократного действия с возвратно-поступательным движением. // Материалы с эффектом памяти и их применение: материалы семинара. Новгород. 1989.
3. Фавстов Ю.К., Кушкин В.А., Ермаков В.М. Эффект памяти формы в сплавах на основе никелида титана // Актуальные проблемы прочности. Пластичность материалов и конструкций: Тезисы докл. Тарту, 1985. С. 124
4. Глущенков В.А., Феоктистов В. С. Пресс с силопри-водом из сплава с памятью формы // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. №4 С.21-22.
5. Actuator from a material with the high-temperature
shape memory effect and examples of its application in engineering / V. Alekhina, V. Glushchenkov, R. Yusupov, U. Egorov // Key Engineering Materials. 2016. No.V. 684. P. 523-529
6. Глущенков В.А., Юсупов Р.Ю., Алехина В.К., Егоров Ю.А. Электротермический силовой привод: патент РФ №163932
7. Глущенков В.А., Феоктистов В.С., Самсонов В.Г., Усольцев М.И., Баранов Ю.И., Барвинок В.А. Термический пресс-штамп. Патент РФ №1224179
8. Глущенков В.А., Юсупов Р.Ю., Алехина В.К. Устройство для испытания материалов на твердость в условиях космического пространства: патент РФ №157417.
MULTI-LINK ACTUATORS FROM A SHAPE MEMORY MATERIAL AND THEIR CHARACTERISTICS
© 2017 V.A. Glushchenkov, V.K. Alyokhina
Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov
The article deals with the design of multi-link actuators and their application in engineering. The dependence of the rate of load increase on the heating rate, deformation-power characteristics of multilink actuators is obtained. The main advantages of such power drives are determined. Keywords: shape memory, nitinol, power drive, deforming equipment, hardness tester.
Vladimir Glushchenkov, Doctor of Technics, Professor, Leading Research Fellow at the Laboratory of Progressive Technological Processes of Plastic Deformation. E-mail: imp@ssau.ru
Valentina Alyokhina, Associate Research Fellow at the Laboratory of Progressive Technological Processes of Plastic Deformation. E-mail: vgl@ssau.ru
