Привод линейных перемещений

Область техники: электротехника, в качестве дистанционного управляющего элемента для включения (отключения) различного типа электротехнических устройств, а также в качестве привода различных механизмов, преобразующих тепловую энергию в механическую работу (домкрат, пресс, насос, компрессор, мартенситный двигатель). Сущность изобретения: привод линейных перемещений, содержащий корпус, силовые элементы конической формы, выполненные из материала, обладающего термомеханической памятью формы, шток, на противоположных концах которого закреплены силовые элементы, средство нагрева и охлаждения силовых элементов, которые выполнены с предварительной деформацией в противоположные стороны относительно друг друга, согласно изобретению силовые элементы предварительно продеформированы в низкотемпературном мартенситном состоянии и выполнены в виде пакета тарельчатых пружин, средство нагрева представляет собой герметичные камеры, образованные перегородкой в корпусе, с возможностью попеременного сообщения их с теплоагентами различных температур. Технический результат: заключается в повышении надежности конструкции, простоте изготовления, не требует для своего изготовления специальных сплавов с обратимой памятью формы, в многократном и реверсивном перемещении штока, в универсальности, т.к. позволяет получать силовые элементы с требуемыми перемещениями и усилиями. 2 ЗПФ. 3 илл.

Изобретение относится к элементам приводных механизмов и может быть использовано в электротехнике в качестве дистанционного управляющего элемента для включения (отключения) различного типа электротехнических устройств, а также в качестве привода различных механизмов преобразующих тепловую энергию в механическую работу (домкрат, пресс, насос, компрессор, мартенситный двигатель).

Известны приводы, силовые элементы которых выполнены в виде сильфона (патент РФ 2161835 С1 от 24.01.2000 МПК Н01Н 61/06. «Электротермический силовой элемент» опубл. 10.01.2001 г.). Электротермический силовой элемент содержит основание, на котором установлен рабочий элемент из материала с обратимой термической памятью формы, выполненный в виде тонкостенного сильфона, внутри которого на основании крепится нагревательный элемент трубчатого типа с прямоходовым подвижным штоком внутри него.

Данный электротермический силовой элемент имеет следующие недостатки:

- создает невысокие тяговые усилия;

- сложен в изготовлении;

- для изготовления силового элемента необходимо использовать дорогостоящий материал с обратимой термической памятью формы.,

Известен также термоэлектровыключатель (авторское свидетельство СССР 675473 МПК Н01Н 37/50 от 25.07.1979 г. опубликован 25.07.79 г. бюл. 27) содержащий цилиндрический корпус, шток из изоляционного материала, две соосно установленные пружины выполненные из материала с эффектом памяти формы. Пружины при нагреве поочередно разжимаются и передвигают шток то в одну, то в другую сторону.

Термоэлектротермический выключатель имеет следующие недостатки:

- для получения больших тяговых усилий, рабочий элемент, выполненный в виде пружины, должен иметь большие геометрические размеры. Это ограничивает его использование в различных выключателях.

- изготовление рабочего элемента термоэлектровыключателя в виде пружины, выполненной из материала с памятью формы является трудоемким процессом.

Прототипом предлагаемого привода является привод линейных перемещений (патент РФ 2015413 от 20.05.91 МПК F03G 7/06. «Привод линейных перемещений» опубл. 30.06.1994 г.), силовые элементы которого выполнены в виде двух кольцевых диафрагм из материала с термомеханической памятью формы, периферийные части которых закреплены в корпусе, снабженном проточками для них, а внутренние - закреплены на передающем элементе, который выполнен в виде штока с выступами для диафрагм. Одна диафрагма изготовлена предварительно деформированной в одну сторону, а другая - в противоположную. У каждой диафрагмы с одной стороны установлены электронагревательные элементы, а с противоположной - охлаждающие элементы, выполненные в виде трубок с хладагентом.

Данный привод имеет ряд недостатков:

- диафрагмы привода могут перемещать шток только в одном направлении, т.е. привод предназначен для одноразового срабатывания. Для повторного действия диафрагм их нужно вновь подвергнуть деформации.

- зоны изменения геометрии диафрагм имеют малый радиус, поэтому при деформировании там будут возникать деформации >8%, что приведет к подавлению эффекта памяти формы. Следовательно, уменьшится восстанавливаемая деформация диафрагм.

- в силу значительной толщины применяемых диафрагм в них при знакопеременном режиме работы возникнут усталостные трещины, снижающие надежность привода.

- предварительная деформация диафрагм в нагретом (аустенитном) состоянии не дает возможности получить максимальную величину восстанавливаемой деформации (величину эффекта памяти формы).

Задачей предлагаемого изобретения является создание более универсального привода позволяющего:

- создать более простую и, следовательно, более надежную конструкцию;

- производить многократное реверсивное перемещение штока. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего

изобретения:

- привод имеет простую и надежную конструкцию и не требует для своего изготовления специальных сплавов с обратимой памятью формы;

- привод позволяет производить многократное и реверсивное перемещение штока;

- привод, является более универсальным и позволяет получать силовые элементы термомеханических приводов с требуемыми перемещениями и усилиями.

Технический результат достигается тем, что: привод линейных перемещений, содержащий корпус, силовые элементы конической формы, выполненные из материала, обладающего термомеханической памятью формы, шток, на противоположных концах которого закреплены силовые элементы, средство нагрева и охлаждения силовых элементов, которые выполнены с предварительной деформацией в противоположные стороны относительно друг друга, согласно изобретению силовые элементы предварительно продеформированы в низкотемпературном мартенситном состоянии и выполнены в виде пакета тарельчатых пружин, средство нагрева представляет собой герметичные камеры, образованные перегородкой в корпусе, с возможностью попеременного сообщения их с теплоагентами различных температур. Силовые элементы могут быть выполнены в виде пакета тарельчатых пружин, при этом конические кольца размещают одно в другом или в виде комбинированного пакета тарельчатых пружин.

Выполняя силовые элементы в виде набора тарельчатых пружин, конические кольца которых размещены одно в одном, получают большие усилия. Выполняя силовые элементы в виде комбинированного набора тарельчатых пружин, получают универсальный привод, позволяющий получать необходимые перемещения и усилия.

Предварительное деформирование силовых элементов в низкотемпературном мартенситном состоянии дает возможность получить большую величину восстанавливаемой деформации (например, для никелида титана, наиболее применяемого в настоящее время материала с термомеханической памятью, максимальное значение этой деформации составляет 8%).

Выполнение средства нагрева в виде герметичных камер позволяет ускорить процессы нагревания или охлаждения соответствующих силовых элементов, значительно упрощает конструктивное исполнение нагревателя элементов и тем самым привод в целом. Возможность герметичных камер попеременно сообщаться теплоагентами различных температур позволяет многократно реверсивно перемещать шток, тем самым дает возможность многоразово использовать привод.

На фиг.1 изображены виды конструкций силовых элементов с применением тарельчатых пружин где: а) силовой элемент в виде пакета тарельчатых пружин, конические кольца которого размещены одно в другом; б) силовой элемент в виде комбинированного пакета тарельчатых пружин.

На фиг.2 приведен заявляемый привод линейных перемещений. Предлагаемый привод содержит корпус 1 с перегородкой 2. К корпусу подведены трубопроводы 3 и 4 для подачи в камеры А и Б теплоагентов с различными температурами. Внутри корпуса установлен шток 5, опирающийся выступами на тарельчатые пружины 6 верхней и нижней камер корпуса. Тарельчатые пружины нижней камеры Б перед установкой деформируют (сжимают) при температуре существования низкотемпературной мартенситной фазы. При одновременной подаче в камеру А теплоагента с низкой температурой, а в камеру Б с высокой температурой материал верхних тарельчатых пружин охлаждается и переходит в мартенситное состояние, а нижних в аустенитное состояние. Прочностные свойства материалов с памятью формы в мартенситном состоянии ниже, чем в аустенитном. При нагревании нижние пружины восстанавливают свою форму и давят на шток, который в свою очередь давит на верхние пружины, вследствие чего, они деформируются и шток перемещается вверх. При последующей подаче в камеру А теплоагента с высокой температурой, а в камеру Б теплоагента с низкой температурой шток будет перемещаться вниз. При периодической смене теплоагентов в камерах А и Б шток может перемещаться то в одну, то в другую сторону, т.е. происходит многократное реверсивное перемещение штока.

Использование предлагаемого привода позволит развивать значительные усилия и обеспечивать большие перемещения при размерах меньших, чем силовые приводы диафрагменного типа.

Например, для тарельчатой пружины, изготовленной из никелида титана марки ТН1 (химический состав: 54%Ni, 46%Ti (весовые проценты)) при внешнем диаметре 25 мм, а внутреннем 15 мм, толщине 1,2 мм, высоте 4,1 мм, при наведенной деформации 40% было достигнуто при 90°С реактивное усилие равное 1500 Н.

1. Привод линейных перемещений, содержащий корпус, силовые элементы конической формы, выполненные из материала, обладающего термомеханической памятью формы, шток, на противоположных концах которого закреплены силовые элементы, средство нагрева и охлаждения силовых элементов, которые выполнены с предварительной деформацией в противоположные стороны относительно друг друга, отличающийся тем, что силовые элементы предварительно продеформированы в низкотемпературном мартенситном состоянии и выполнены в виде пакета тарельчатых пружин, средство нагрева представляет собой герметичные камеры, образованные перегородкой в корпусе, с возможностью попеременного сообщения их с теплоагентами различных температур.

2. Привод линейных перемещений по п.1, отличающийся тем, что силовые элементы в виде пакета тарельчатых пружин, конические кольца которых размещены одно в другом.

3. Привод линейных перемещений по п.1, отличающийся тем, что силовые элементы выполнены в виде комбинированного пакета тарельчатых пружин.