Способ работы мартенситного двигателя

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) Ш) 5 ГОЗ с 7/06 БРЕТЕНИ ПИСАНИ К АВТОРСКОМ ТЕЛЬСТВУ троительный во СССР1986. СССР 1986,ТЕНСИТНОГО ДВИ" ляет повысить телей, работающих маций твердых ементов (ТЭ) при анической памяти, ано для оптимизаичных иартенсит(54) СПОСОБ РАБОТГАТЕЛЯ(57) ИзобретениеКПД мартенситныхза счет тепловыхтермочувствительпроявлении их теи может быть испции циклов работ позе двиг дефо ых э моме льзоЭЮ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельсМ 1333824, кл, Р 03 С 7/0Авторское свидетельствГ 1484982, кл. Р 03 С 7/О ных двигателей исполнительных механизмов, насосов, компрессоров и другихмеханических систем. При реализацииспособа предварительно проводят предварительные испытания двигателя с присоединенной к нему нагрузкой, изменяяподводимую к ТЭ мощность и и определяяуровень мощности, соответствующий резонансу системы двигатель-нагрузка, а приработе двигателя мэщность и устанавливают на этот уровень. Резонансныйпик 3 КПДопределяется при предварительных испытаниях по уровню мощностип, при котором время 2 формовосстановления ТЭ кратно периоду собственныхколебаний системы двигатель - нагрузка.Резонансный пик 4 КПД определяется при епредварительных испытаниях по уровнюмощности п, соответствующему минимальной теплоте в формовосстановления СТЭ. 5 ил.Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам работы тепловых двигателей, работающих за счет тепловых деформаций твердых термочувствительных элементов при проявлении их термомеханической памяти, и может быть использовано при оптимизации циклов работы различных мартенситных двигателей исполнительных механизмов, насосов, компрессоров и других меха" нических систем.Целью изобретения является повышение КПД.На Фиг. 1 представлена схема мар 10 15 тенситного двигателя в различных Фазах нагрева его термочувствительного элемента; на фиг. 2 - диаграмма рабочего цикла термочувствительного элементаиз никелида титана;.на Фиг. 3 - зависимость времени с" формовосстановления, теплоты с Формовосстановлениятермочувствительного элемента с большой тепловой инерционностью и КПДмартенситного двигателя от подводимойк нему мощности и; на Фиг.- осцилограммы перемещения звена нагрузкимартенситного двигателя при различной пения термочувствительного элемента и КПДмартенситного двигателя от подводимой к нему мощности при реализации предлагаемого способа,Иартенситный двигательсодержит термочувствительный элемент 1 и закрепленное на его нижнем конце звено 35 нагрузки в виде груза 2 (Фиг. 1). Приосуществлении периодических термоциклов нагрева и охлаждения элемента 1проявляется эффект обратимой термомеханической памяти и реализуется егорабочий цикл в соответствии с диаг-40 раммой, представленной на фиг. 2, Приотсутствии нагрузки на элемент 1 его Формоизменение происходит в диапазоне Я, относительных деформаций Я . Поднагрузкой формоизменение происходитмежду пограничными линиями А и И, соответствующими аустенитному и мартенситному состояниям материала элемента 1. Например, если нагрузка создает 50 в элементе 1 постоянные по величиненапряжения, то при термоциклированииего Формоизменение происходит междуточками В и С. Упругий недовозвратдеформацийв аустенитном состоянии исчезает сразу при разгрузке злемента 1. Реализация неупругой деформаподводимой мощности п,; на фиг. 5 -зависимость теплоты ц Формовосстановции Гк приводит к совершению постоянной по величине для данных условий механической работы.са = , (1) где а - удельная механическая работана единицу массы элемента 1;0 - напряжения, создаваемые нагрузкой в элементе 1;- плотность материала элемента 1.На Формовосстановление расходуется тепловая энергия, равная теплоте г 1 Форйовосстановления, которая определяется разностью энтальпий материала элемента 1 в аустенитном и мартенситном состояниях. При этом КПЛопределяется соотношением(2)Прт.е. теоретически является величиной, постоянной для данного элемента 1 и данных условий, так как Гн и Ч являются свойствами материала злемейта 1. Теплоотдача с поверхности элемента 1 вносит коррективы в. эту теоретическую модель, Влияние теплоотдачи становится заметным при использовании элементов 1 с малой тепловой инерционностью (в виде тонкой проволоки, ленты, Фольги), которые ввиду высоких частотных характеристик находят широкое применение в технике. Это влияние обусловливает различную температуру нагрева элемента 1 в зависимости от подводимой к нему мощности п; Элемент 1 нагревается до некоторой установив" шейся температуры Т. при которой под-. водимая на его нагрев мощность ирав" на мощности теплоотдачи с поверхности элемента 1, При этом, если установившаяся температура Т ниже температуры Аб начала обратного превращения при данной нагрузке, то Формовосстановления элемента 1 вообще не происходит (положение левого элемента 1 на фиг.1) бсли установившаяся температура Т лежит внутри диапазона температур А, Л обратного превращения под наб бгрузкой, то и Формовосстановление будет. лищь частичным (положение среднего элемента 1 на Фиг. 1), При уста" новившейся температуре Т элемента 1 выше температуры йокончания обратного превращения при данной нагрузке, происходит полное формовосстановление элемента 1 с сокращением его длины на величину о = с1,О, где 1, - ис5 156 ходная длина элемента 1 (положение правого элемента 1 на фиг. 1). При более высоких уровнях подводимой мощности и времяформовосстановления определяют из выражениял Ь 1ь еет (3)ппгде ВЬ = Ч - разность энтальпий в аустенитном и мартенситном состоянии материала элемента 1, т.е. по гиперболической зависимости. По мере увеличения подводимой мощности и и времяформовосстановления элемента 1, теплота Ч формовосстановления и КПДизменяются в соответствии с графика" ми, представленными на фиг. 3. На первом участке Т ( Иформовосстанов 6ления не происходит и КПД .равен нулю. Иа втором участке КПД резко увеличивается за счет роста величины формоизменения и за счет уменьшения тепло- отдачи. На третьем участке происходит рост КПД за счет уменьшения теплоотдачи при уменьшении времени формовосстановления (соответственно времени теплоотдачи) и на четвертом участке КПД выходит на стационарный фоновый уровень, которьй обусловлен свойствами материала элемента 1 и величиной нагрузки. Приведенные результаты получены на мертенситном двигателе с элементом 1 из фольги никелида титана, легированного 173 меди, при напряжении 104 ИПа. Точки в диапазоне п= 75-105 кВт/кг опущены, поскольку они находятся в обнаруженной резонансной области. Приведенные на фиг. 3 зависимости совпадают с теоретическими. С повышением тепловой инерционности элемента 1 указанные на фиг. 3 особенности становятся менее заметны. Например, для проволоки диаметром,0,5 мм третий участок заканчивается при и= 35 кВт/кг, а при диаметре 1,0 мм - при п = 9 кВт/кг. / В процессе испытаний мартенситного двигателя обнаружено, что при повышении подводимой.мощности в начинаются резонансные явления. На фиг. 4 показаны осцилограммы перемещения груза 2 при различной подводимой. мощности и . С йовышением подводимой мощности пв после формовосстановления элемента 1 и его перехода в аустенитное состоя" ние система элемент 1 - груз 2 прихо" дит в автоколебательный режим с периодом Т. При этом, если подводимую мощность пп установить на уроеен, соответствующий пвЬ(4)т,то скорость формовосстановления будетсоответствовать собственной частотесистемы с элементомв аустенитномсостоянии, наступит механическии резо нанс и перемецение 3 резко возрастает, При этом уровень потребляемойэнергии и не изменится, т.е. повысится КПД, Таким образом, удалосьполучить величину перемещения, в 2-3раза превышающую Фоновый уровень. Приэтом повышение КПД соответствует ре"зонансному пику 3 на Фиг. 5Это явление использовано в предлагаемом способе работы мартенситного 20 двигателя, в котором перемещение нагрузки осуществляют термочувствительным элементом 1 в процессе проявлениятермомеханической памяти последнегопри его нагреве после предварительной 25 деФормации.При Осуществлении предлагаемогоспособа дополнительно проводят предварительные испытания двигателя с присоединенной к нему нагрузкой, изменяя З 0 подводимую к элементу 1 мощность пди определяя уровень мощности и, соответствующий резонансу системы двигатель-нагрузка, а при работе двигателямощность устанавливают на этот уровень, В одном из вариантов осуществления предлагаемого способа при предварительных испытаниях определяют периодТА собственных колебаний системы дви"гатель - нагрузка при аустенитном 40 состоянии элемента 1 и время с ФОрлмовосстановления элемента 1 в зависимости от подводимой к нему мощностии. В дальнейшем устанавливаемую при.работе двигателя моцность и, соот ветствующую резонансу, определяют поуровню мощности п, при котором времяЙ, формовосстановления элемента 1кратно периоду Т собственных колебаний системы двигатель - нагрузка. Та кой способ может быть использован дляработы мартенситных двигателей, поднимающих грузы или служащих приводами насосов,Кроме того, испытания показали, чтопри сравнительно низких уровнях подводимой моцности и = 33-90 кВт/кг наблюдается резкое повышение КПД двигателя (резонансный пик 4 на фиг. 5)за счет снижения теплоты д формовос-.7 15 б становления элемента 1 линия 5 на Фиг. 5). Одним из возможных механиз" мов, обусловливающих данное резонансное явление, может быть совпадение скорости движения межФазной границы при проявлении термомеханической памяти материала элемента 1 со скорос.тью колебаний зерен кристаллов этого материала. В эксперименте с проволочным элементом 1 из никелида титана диаметром 0,3 мм получено максимальное значение КПД 123 (при Фоновом уровне 1,8 Ц, соответствующее пику 1 на Фиг. 5. Кроме повышения КПД в данном варианте реализации предлагаемого способа резко уменьшается время Ф Формовосстановления элемента 1. Это явление использовано в другом варианте осуществления спосбба, в котором при предварительных испытаниях определяют теплоту Формовосстановления термочувствительного элемента 1 в зависимости от подводимой к нему мощности н, а устанавливаемую при работе двигателя мощность п, соответствующую резонансу, определяют по 0785уровню мощности и , при котором теплота в формовосстановления элемен 9та 1 минимальна, Такой .способ работы может быть использован для любых мартенситных двигателей.Повышение КПД при использованиипредлагаемого способа работы обеспечит расширение области применения мартенситных двигателей,Формула изобретенияСпособ работы мартенситного двигателя путем предварительного деФормирования, нагрева термочувствительного элемента и перемещения нагрузкиэлементом в процессе рабочего ходапри проявлении термомеханическойпамяти, о т л и ч а ю щ и й с ятем что с целью повышения КПД, мощность нагрева выбирают из условиякратности времени рабочего хода пе риоду собственных колебаний системыдвигатель - нагрузка или частей этойсистемы.1560785 оставитель Л арев актор Ю. Середа Техред Л.Сердюков орректор Т. Ма НТ СССР изводственно-издательский омбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101 аказ 9 б 3 Тираж 357 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям и113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5