Способ работы мартенситного двигателя

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1686221 А 1 1)5 Р 036 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТОРСКОМУ СВИ ЛЬСТВУ 293 ЬЭ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Ленинградский кораблестроительный институт(56) Авторское свидетельство СССР В 1343098, кл. Г 03 6 7/06, 1986.Авторское свидетельство СССР М 1533423, кл. Г 03 6 7/06, 1987.(54) СПОСОБ РАБОТЫ МАРТЕНСИТНОГО ДВ И ГАТЕЛ Я(57) Изобретение позволяет повысить надежность, снизить энергопотребление и повысить технологичность мартенситных двигателей, применяемых, например, в электрических контакторах или гидроакустических излучателях, При реализации способа нагревают термочувствителъный элемент (ТЧЭ) двигателя, обладающий свойством термомеханической памяти, через диапазон температур обратного мартенситного поевращения его материала с удержанием ТЧЭ в неподвижном состоянии до достижения значения его энтальпии, равного или большего его энтальпии в аустенитном состоянии при заданной величине рабочего усилия, и сразу после начала перемещения ТЧЭ его нагрев прекращают. На чертеже пунктирной линией 31 показана зависимость деформации д ТЧЭ от времени г без удержания ТЧЭ в неподвижном состоянии, а линией 33 - при реализации рабочего цикла в соответствии с изобретением, согласно которому отрезок 34 времени холостого нагрева ТЧЭ, удерживая последний, подбирают равным полному времени перемещения ТЧЭ без его удержания.при предварительных испытаниях двигателя, Одинаковая интенсивность нагрева ТЧЭ при предварительных испытаниях и при работе обеспечивается поддержанием одинаковой силь 1 тока 1 электронагрева ТЧЭ. Таким образом, обеспечивается минимальный нагрев ТЧЭ, достаточный для его резкого и полного последующего адиабатного формовосстановления, 1 з.п. ф-лы, 5 ил,Изобре 1 ение относится к машиностроеци 1 о и приборосгроению, а именно к спо собам работы мартенситных двигателей с термочувствитеньными элементами из материала, прая впяошего:- ффект термомеханической памяти формы, и может быть использовано для оптимизации рабочего цикла мартенситных двигателей например. электрических контакторов или гидроакустических излучателей,Цель изобретения - повышение надежности и снижение энергопотребления, а также повышение технологичности.На фиг.1 представлен мартенситный двигатель, продольный разрез; на фиг,2 - диаграмма рабочего цикла мартенситногс двигателя с проволочным термочувствительным элементом из никелида титана диаметром 0,5 мм в координатах оп осигельное удлинение я элемент - напряжения гх в элементе; на фиг,З - зависимость перемещения д звена нагрузки мартенситного двигателя и силы токанагрева его термочувствительного элемента от времени т нагрева без удержания звена нагрузки в нецодвижном состоянии; на фиг.4 зависимость перемещения д звена нагрузки мартенситного двигателя и силы тока нагрева его термочувствительного элемента от времени т нагрева при удержании звена нагрузки в неподвижном состоянии до момента достижения значения знтальпии элемента, меньшего его энтальпии в ауста. нитном состоянии; на фиг,5 - зависимость перемещения д звена нагрузки мартенситнаго дг.игателя и силы гока 1 нагрева его термо увствительного элемента от времени т нагрева при удержании звена нагрузки в неподвижном состоянии до момен га достижения значения энтальпии элемента, равного его энтальции в аустенитном состоя нии,Мартенситный двигатель фиг.1) содержит корпус 1, термочувствительный элемент 2, концы которого закреплены на токоподводящих клеммах 3, токоизолированных от корпуса 1, крышку 4 корпуса 1, шток 5, возвратную пружину 6. На штоке 5 выполнены упоры в виде канавки 7 и проточки 8. С канавкой 7 взаимодействует стопор в виде подпружиненных роликов 9, В крышке 4 установлена втулка 10 с ввинченной в нее гайкой 11. Ролики 9 размещены в отверстиях втулки 10, В гайке 11 закреплен ьыключатель 12. На корцусе 1 установлены токоизолированные от последнего ролики 13. Для умецьдения осевого габарита двигателя при сохранении величины хода штока 5 термочувствитепьнцй элемент 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ю 5 выполнен в виде симметричных относитепь. но штока 5 петель, которыми охвачены ролики 13,На фиг,2.5 представлены следующие гочки и графики, характеризующие способы работы мартонситных двигателей. Линией 14 показан процесс деформации элемен 1 а 2 в аустенитном состоянии, а линией 15 - в мартенситном состоянии. Линиями 16 обозначены процессы деформации элемента 2 в промежуточных между аустенитным и мартенситным состояниях, каждое из которых соответствует определенному значению энтальпии элемента 2, указанному в верхней части диаграммы на фиг.2 цифрами (в Дж/кг), Линией 17 показаны напряжения, наводимые в элементе 2 пружиной 6, а линией 18 - внешней нагрузкой и силами трения, Линия 19 характеризует изохорный процесс увеличения напряжений о в элементе 2 при его нагреве и удержании звена нагрузки (не показано) з неподвижном состоянии. Точки 20-22 соответствуют страгиванию штока 5 при различных напряжениях гт, развиваемых элементом 2 в зависимости от энтальпии последнего. Линии 23-25 соответствуют адиабатным процессам работы элемента 2 при различных значениях его энтальппи, Точка 26 соответствует выравниванию усилий зле 1: та 2 и суммарного усилия внешней нагрузки и трения, Точка 27 соответствует остановке элемента 2 и его максимагьному пере вмещению по инерции после выравнивания в точке 26 развиваемого им усилия и суммарного усилия внешней нагрузки и трения, Точка 28 соответствует последующему выравниванию усилия элемента 2 и суммарного усилия внешней нагрузки и трения, Точки 29 и 30 соответствуют достижению аустенитного состояния элемента 2 при его последующем нагреве до различных значений его энтальпии. Линия 31 представляет собой график перемещения звена нагрузки во времени при нагреве элемента 2 без его удержания в неподвижном состоянии, линия 32 - то же с удержанием элемента 2 в неподвижноМ состоянии до значения его энтапьпии, меньшего его пнтальпии в аустенитном состоянии, а линия 33 - то же с удержанием элемента 2 в неподвижном состоянии до значения его энтапьпии, большего или равного его энтальпии в аустенитном состоянии. Отрезок Э 4 соответствует времени холостого нагрева элемента 2, отрезок 35 - времени его рабочего перемещения, отрезок ЗС - полному времени цикла, отрезок 37 - времени скоростного перемещения элемента 2, отрезок 38- времени инерционнойдвигателя. знПри предварительных испытаниях двигателя (фиг.З) удаляют ролики 9 и осущесте- ии паузы, э отрезок 39 - времени последующего медленного перемещения элемента 2. Линия 40 представляет собой график силы электрического тока разогрева элемента 2,При сборке двигателя ролики 9 удаляют и вращением гайки 11 добиваются такого положения выключателя 12, при котором шток 5 в крайнем положении, соответствующем деформации элемента 2 в мартенситном состоянии, воздействует на него. При этом нормально разомкнутый выключатель 12 замкнут. Однако с началом движения штока 5 выключатель 12 освобождается от его воздействия и размыкает цепь нагрева элемента 2. После выбора указанного положения гайку 11 фиксируют, например производят накернивание по резьбе или заливают ее эпоксидной смолой. После сборки двигателя его соединяют с звеном нагрузки и подкл)очают через выключатель 12 к внешему источнику электрического тока (не показан).При реализации предлагаемого способа двигатель рабо гает следующим образом,Термочувствительный элемент 2, обладающий свойством термомеханической памяти формы, нагревают через диапазон обратного мартенситного превращения его материала пропусканием через него электрического тока при замкнутом выключателе 12, При этом элемент 2 и связанное с ним звено нагрузки удерживают в неподвижном состоянии стопорными роликами 9, взаимодействующими с канавкой 7 штока 5, для накопления энергии элемента 2 и увеличения развиваемого им усилия до заданной величины, необходимой для его резкого срабатывания. Элемент 2 удерживают до момента достижения значения его энтальпии, равного или большего его энтальпии в аустенитном состоянии при заданной величине рабочего усилия. После достижения в процессе нагрева элемента 2 заданной величины его рабочего усилия происходит отстопоривание роликов 9, которые выходят из канавки 7 штока 5, и последний, начиная перемещаться, приводит в движение звено нагрузки и размыкает выключатель 12, прекращая тем самым нагрев элемента 2, При этом время достиженияя значения знтальпии элемента 2, соответствующего его аустенитному состоянию, определяют полным временем перемещения звена нагрузки без удержания элемента 2 (отрезок Зб времени на фиг.З), замеренным при предварительных испытаниях двигателя с той же интенсивностью нагрева, что и при работе ляют холостой нагрев элемента 2 в )г. лф)п:е отрезка 34 гоемени до температуры на,апа обратного мартенситного превращения при нагрузке, соот ветствукщей пинии 18 Ц)иг 2). После этого происходит перемещение штока 5 в течение отрезка 35 времени рабочего перел 1 ещения. На фиг.2 цикл двигателя при его предварительных испытаниях характеризуется повышением реактивного усилия от линии 17 до линии 18 и движением по линии 18 до точки 29. Отрезок 36 полного времени цикла соответствует повышению энтальпии элемента 2 до уровня, соответствуюгцего его аустенитному состоянию при данном нагружении и определяется уровнем подводимой удельной мощности. В дальнейшем устанавливают подпружиненные стопорйые ролики 9.Рассмотрим случай, когда поджатия роликов 9 недостаточно для быстрого перел 1 ещения штока 5 во всем диапазоне перемещения за счет уменьшения деформации, при снижении уровня нагрузки и одинаковом теплосодержании (фиг,4),При установке поджатых роликов 9 с началом нагрева в диапазоне температур обратного мартенситного превращения начинается изохорный процесс генерирования реактивых усилий вдоль линии 19 (фиг,2 и 4), Предположим, в точке 20 произошло о) стопоривание штока 5 и началось его движение. В начальный момент движения усилие в элементе 2 соответствовало точке 20, Однако пружина 6, силы трения и внешняя нагрузка наводили в элементе 2 значительно более низкий уровень усилий сопротивления (линия 18), Выравнивание усилий происходит за счет возврата деформации (вдоль линии 23 от точки 20 до точки 26), после че) о шток 5 по инерции продол 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 жает движение еще некоторое время (пиния 23 от точки 26 до точки 27) и останавливается (точка 27). Дальнейшее развитие цикла определяется тем, осуществляется ли подвод тепла к элементу 2 или нет.Если теплоподвода нет, перемещение штока 5 заканчивается э точке 27. Если теплоподвод есть (энтальпия элемента 2 продолжает повышаться), шток 5 стоит неподвижно в течение отрезка 38 времени инерционной паузы, и знтальпия элемента 2 повышается до уровня, соответствующею выравниванию внешних усилий с усилиями в элементе 2, т.е, до точки 28. После этого движение штока 5 продолжается по линии 31 (фиг.З) с медленной скоростью, Нетруднб видеть, что такой режим работы нельзя приать удовлетворительным,Кроме того, из приведенных рассуждей видно, что для успешной реализации30 3: 40 45 50 55 изохорно-адиабатного цикла необходимо, чт бы энтальпия элем нта 2 в момент отстоРоривани 5 штока,. была равна точк 1 21) или больше (точка 22) энтальгии элемента 2 в аустенитном состоянии при данном нагружении (соо 1 вечственно. о ки 29 и 30). Одн- ко из фиГ,З Видно, что каждГ 5 энтзльпия сообщается элементу 2 за отрезок 36 времени полноГО цикла, Если рВГулироВку двиГателя осуществлять таким образом, чтобы отрезок 34 фиг.5) времени до отстопоривания роликов 9 был больше или равен отрезку 36 времени полного цикла фиг.З) без роликов 9, то адиабатное выоавнивание Внешних усилий В элементе 2 приведет к полному возврату деформации линии 24 от точки 21 до точки 29 и линии 25 от точки 22 до точки 30, фиг,2 и 5,.Дальнейшее повыше.Ие лодж;тия роликов 9 приведет к пому, что огстопоривание штока 5 будет происходигь при более Высоких усилиях(гаприм о,точка 22, фи. 3).Отрезок 34 времени холостого нагрева фиг,5) увеличится, За счет этогсь увеличится энтальпия элемента 2 в начальный момент движения. Перемещение штока 5 будет происходить при более высоком уровне усилий со стороны элемеГта 2 (линия 25 от точки 22 до точки 30, фиг,2), что вызовет уменьшение времени рабочего перемещения, Однако энергопотребление в этом случае уВл 1 ИГ- ся. Ероме того, повыцение уровня н;Грузки в,элементе 2 стимулирует развитВ пластических деформации, что снизит надежнос ь двигателя,Получение положительного эффекпапредлагаемого способа подтверждено экспериментальной проверкой,При времени полного .,икла без роликов9 0,2 - 0,4 с, посла установки роликов 9 и регулировки двигателя получено перемещение звена нагрузки за время 0,01-0,03 с, т В, на полтора поряцка быстрее. Энергопотребление при этом не зависело от источника энергии.Использование предлагаемого изобретения по сравненио с известым позволит получить положительный эффект, которьй будет складываться из следующих факторов: снизится уровень потребляемой энергии, причем этот уровень не будет зависеть от источника ЭВВрГии, а будет полностью определяться настройкой двигателя; повысится надежность двигателя за счет исключения возможности перегрева элемента 2, за счет исключения возможности недовозврата деформации при адиабатном формовос тановлении едоеозврат означает неправильную регулбровку) и за счет уменьшения уровня нагрузки при протекании цик ла до минимально возмокно.о уровня; по. Высится технологичность способа работы двигателя за счст упрощсния определения Времени достижьния аустенитного состояния элемента 2 по полому времени его перемещения при нагреве без удержания о неподвижном состоянии,Преимуществами предлагаемого способа являюся также стабильность величины энергопотребления и независимость показателей надежности, энергопотребления и до. от мощности источника тока,В некоторых областях техники использоваие изобретения дает дополнительный эффект, Например, в ряде автономных технических объектов (портативные магнитофоы, транспортные средства., другие самоходные машины и авто 1 аты) нужны приводы с высокой скоростью срабатывания, В обычных мартенсиных двигателях очень трудно получить быстродействие менее 0,15 с даже с источником энергии большой мощности. Предлагаемый способ обеспечивает на порядок более высокую скорость срабатывания мартенситных двигателей при использовании сравнительно маломощного источника электроэнергии. сЬоомула и ,обретения 1, Способ рабо ы Катенситного двигателя путем нагрева пермочувствительного элемента, обладаощего свойством термомеханической памяти, через диапазон температур обратного мартенситного преврацСн 15 его материала с удержанием элемента В неподвижном состоянии для накогления э;ергии эле 1 ента и увеличения развиваемого им усилия до заданной величины, необходимой для его резкого срабатывания, с последующим освобождением элемента и перемещением кинематически связанного с ним звена нагрузки, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и снижения энергопотребления, элемент удержи гают до момента достижения значения его знтальпии, равного или большего его энтальпии в аустенитном состоянии при заданной величине рабочего усилия, и сразу после начала перемещения элемента его нагрев прекращают.2. Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельо повышения технологичности, время достижения значения энтальпии элемента, соответствующего его аустенитному состоянию, определяют полным вре. менем перемещения звена нагрузки без удержания элемента при той же интенсивности нагрева, что и при работе двигателя.1686221 МПй о/ ФО 8 5Составитель Л.ТугареТехред М.Моргентал ктор Е.Папп Корректор О,Кравцова ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Про аз 3587 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушкая наб., 4/5