CC BY
72
УДК 669.018.2
ТЕРМОЗАПОРНЫЙ КЛАПАН С АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ИЗ СПЛАВА TiNi С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
М.А.Хусаинов, О.В.Летенков, А.С.Баталов
Политехнический институт НовГУ, Mikhail.Khusainov@novsu.ru
Дается описание термозапорного клапана нового поколения, в котором запорный орган в виде сферического сегмента изготовлен из сплава TiNi с эффектом памяти формы. Это обстоятельство позволило обеспечить мгновенное срабатывание запорного органа при заданной температуре вследствие взрывного характера памяти формы.
Ключевые слова: термозапорный сферический сегмент, взрывной характер памяти формы
The description of the shut-off thermo-valve of a new generation is presented. The valve has the spherical segment of TiNi shape memory alloy as a shutting-off device. The fact supplies a snap action of the shutting-off device at the set temperature due to the shape memory explosive behavior.
Keywords: thermal shut-off spherical segment, the shape memory explosive behavior
Сплавы с эффектом памяти формы (SMA) нашли широкое применение в технике и медицине [1,2].
Наибольший интерес из известных материалов представляют высокопрочные и коррозионостойкие сплавы на основе никелида титана (TiNi). В сущности, эффект памяти формы проявляется в интервале фазового превращения мартенсит — аустенит. Заданная деформация в низкотемпературной фазе (мартенсита) восстанавливается при нагревании до аустенитного состояния. В данном термозапорном клапане используется активный элемент с памятью формы в виде сферического сегмента (рис.1), выполняющий роль запорного органа. Здесь используется обнаруженное нами явление взрывного восстановления формы сферического сегмента [3] при заданной температуре. На рис.2 представлен термозапорный клапан с запорным органом в виде сферического сегмента и его конструкция (рис.3).
h
а) Ь)
Рис.1. Общий вид (а) и геометрические параметры (Ь) сферического сегмента
Клапан состоит из корпуса 1 с входным 11 и выходным 9 патрубками, седла 12, запорного органа 2. В верхней части клапана находится шток 6, маховичок 7 с указателем поворота 8 по шкале круглого диска 5, уплотнительных манжетов 4, золотника 3 и пружины сжатия 10.
Начальное положение
Рис.3. Термозапорный клапан в разрезе. 1. Корпус. 2. Запорный элемент. 3. Золотник-пуансон. 4. Манжеты. 5. Диск с угловой сеткой. 6. Шток. 7. Маховичок. 8. Указатель поворота. 9. Выходной патрубок. 10. Пружина сжатия. 11. Входной патрубок. 12. Седло. 13. Уплотнительная прокладка
Запорный орган 5 изготовлен из сплава с эффектом памяти формы в виде сферического сегмента. Во время работы клапана запорный орган постоянно контактирует с рабочей средой (жидкостью или газом). В данной конструкции клапана запорный орган (сферический сегмент) является термочувствительным и термосиловым элементом. В процессе нагрева рабочей среды до заданной температуры в материале сферического сегмента развиваются реактивные напряжения, которые достигают максимального значения при температуре, близкой к А/- (температура окончания обратного мартенситного превращения). В результате сферический сегмент теряет устойчивость
и мгновенно (с хлопком) прощелкивает к исходной форме, закрывая проходное отверстие клапана.
Поскольку запорным органом является сферический сегмент с эффектом памяти формы, срабатывание клапана может выполняться только в интервале фазового перехода мартенсит — аустенит. Для этого запорный орган необходимо сдеформировать (прогнуть) в мартенситном состоянии зеркально исходной форме. Это начальное (необходимое) условие, чтобы затем совершить работу при нагреве сегмента скачком вследствие перехода мартенсита в аустенит. Высокая скорость возврата формы обеспечивается геометрической формой запорного органа (сферического сегмента).
Вход
Прогиб е мартенсите, зеркально исходной (заданной) форме
_|___________
і І і
ҐГГП
в
Положение "закрыто" С
Рис.4. Порядок положений запорного органа в клапане
Все положения запорного органа в созданном клапане показаны на рис.4 (начальное положение см. на рис.3). Поворотом маховичка 7 шток 6 с резьбовым окончанием получает вращательное движение, способствуя золотнику шестигранной формы со сферическим наконечником перемещаться вдоль оси клапана до контакта с поверхностью запорного органа 2 (сегмента с памятью формы). При дальнейшем перемещении золотника происходит прогиб сферического сегмента на величину 4 = (/м + /А) - h зеркально исходной форме, где /м — стрела подъема сегмента в мартенсите, /А — в аустените, h — толщина пластинки. Седло 12 формирует геометрически правильную сферическую форму сегмента (рис.4а). Проход жидкости или другой среды через клапан закрыт. Чтобы открыть проход через клапан, необходимо вращением маховичка (в обратную сторону) переместить золотник-пуансон в осевом направлении для создания зазора (г = 2/3 1п) между куполом сегмента и впадиной седла (см. рис.4в). В таком положении клапан открыт. Транспортируемая (рабочая) среда из патрубка 11 поступает в патрубок 9 и дальше в магистраль.
При повышении температуры рабочей среды до критического значения, близкого к А/ (температура окончания обратного мартенситного превращения), развивающиеся в материале запорного органа реактивные напряжения достигают максимального значения, при котором сферический сегмент проявляет взрывной характер памяти формы, скачком прижимаясь своими краями к уплотнительной прокладке 13 (рис.4с). Клапан в таком положении закрыт.
Диаграмма деформирования запорного органа в мартенситном состоянии с отогревом до аустенит-ного с ударом и генерацией реактивных усилий построена по опытным данным, выполненным на созданном нами термозапорном клапане (рис.5).
Рис.5. Диаграмма прогиба сегмента в мартенсите (ОАВСй), зеркально исходной форме, с отогревом до аустенитного состояния
Отрезок ПК' — восстанавливаемая часть прогиба до препятствия (седла) при нагреве. Достигнув температуры 49°С (область точки Ы), сегмент теряет устойчивость и скачком (подобно взрыву) восстанавливает исходную форму, ударяясь краями о препятствие Е (уплотнительную прокладку 13) (рис.4с). Золотник удерживает сегмент в таком положении, препятствуя полному возврату формы сегмента. Повышение температуры вызывает развитие реактивных напряжений в материале сегмента, обеспечивающих высокую плотность закрытия клапана.
Более подробную информацию о механическом поведении сферических сегментов можно получить в работах [4-6].
К силовым характеристикам клапана следует отнести силу удара (Руд), реактивные усилия (Рг) и импульс силы (РД/), учитывающий массу сферического сегмента.
РД/ = да^2§Но7, где т — масса сегмента (0,00065 кг); g — ускорение (9,8 м/с2), сообщаемое этой массе; Нотс — высота отскока сегмента от нагретой поверхности (3,2 м); Д/ — время действия силы Р. РД/ = 5,1 гс/с.
Исследования работы клапана проводились с использованием сферического сегмента со следующими размерами: ё = 16,8 мм, к = 0,45 мм, /А = 1,74 мм, /м = 1,92 мм, т = 0,65 г.
Выводы
Клапан был установлен в водопроводной сети с давлением 4 атм. Подогрев воды до температуры 49°С всегда вызывал хлопок, свидетельствующий о срабатывании клапана на закрытие проходного отверстия. Повышение температуры нагрева воды до 60°С обеспечивало полный запрет протеканию воды через клапан.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №11-08-98800-Р, Север-а.
1. Беляев С.П., Волков А.Е. и др. Материалы с эффектом
памяти формы: Справочное издание / Под ред.
В.А.Лихачёва. СПб, 1998. С.99-268.
2. Журавлёв В.Н., Пушин В.Т. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 151 с.
3. Хусаинов М.А., Летенков О.В., Пазгалов А.В., Беляков
B.Н. Исследование устойчивости мембран из никелида титана // Сб. докл. XXX Межресп. семинара «Актуальные проблемы прочности». Новгород, 16-19 мая 1994. Новгород, 1994. Ч.2. С.152-158.
4. Хусаинов М. А. Явление эффекта осесимметричного выпучивания круглых пластин // ЖТФ. 1997. Т.67. №6.
C. 118-126.
5. Хусаинов М. А. Сплавы никелида титана с памятью формы // Структура, фазовые превращения и свойства. Ч.1 / Под ред. В.Г.Пушина. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. С.226-242.
6. Хусаинов М.А., Бондарев А.Б., Попов С.А., Андреев В.А., Чухонкин М.В. Силовые характеристики сферических сегментов из сплавов Ti-Ni с памятью формы // Вестник ТГУ. Сер.: Естеств. и техн. науки. 2010. Т.15. Вып.3. С.1260-1264.
Bibliography (Translitirated)
1. Beljaev S.P., Volkov A.E. i dr. Materialy s ehffektom pamjati 4
formy: Spravochnoe izdanie / Pod red. V.A.Likhachjova.
SPb, 1998. S.99-268. 5.
2. Zhuravljov V.N., Pushin V.T. Splavy s termomekhani-
cheskojj pamjat'ju i ikh primenenie v medicine. Ekaterinburg:
UrO RAN, 2000. 151 s. 6.
3. Khusainov M.A., Letenkov O.V., Pazgalov A.V., Belja-kov V.N. Issledovanie ustojjchivosti membran iz nikelida titana // Sb. dokl. XXX Mezhresp. seminara «Aktual'nye
problemy prochnosti». Novgorod, 16-19 maja 1994. Novgorod, 1994. Ch.2. S. 152-158.
Khusainov M.A. Javlenie ehffekta osesimmetrichnogo vypu-chivanija kruglykh plastin // ZhTF. 1997. T.67. №6. S.118-126. Khusainov M.A. Splavy nikelida titana s pamjat'ju formy // Struktura, fazovye prevrashhenija i svojjstva. Ch.1 / Pod red. V.G.Pushina. Ekaterinburg: UrO RAN, 2006. S.226-242. Khusainov M.A., Bondarev A.B., Popov S.A., Andreev V.A., Chukhonkin M.V. Silovye kharakteristiki sfericheskikh seg-mentov iz splavov Ti-Ni s pamjat'ju formy // Vestnik TGU. Ser.: Estestv. i tekhn. nauki. 2010. T.15. Vyp.3. S.1260-1264.
