Термомеханический электропривод

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (51) 4 Р 03 С 7/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3811789/25-06 (22) 02.11.84 (46) 07.05.86. Бюл. № 17 (» ) Киевский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт пищевой промышленности (72) В.Я.Борисенко; С.Е.Вакуленко, А.Г.Мазуренко, H.Н.Орлов и N.Т.Романенко

-(53) 621.486(088.8) (56) Патент GAIA ¹ 3634863, кл. 336-206, опублик. 1971.

Авторское свидетельство СССР

¹ 356416. кл. F 03 G 6/06, 1972. (54)(57) 1. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий электропроводный рабочий элемент, выполненный на основе материала с эффектом термомеханической памяти формы, подключен- ный к источнику питания через ключевой элемент, и блок управления последним, о т л и ч а ю щ.и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия, уменьшения габаритов и массы путем увеличения потребляемого тока при заданном напряжении источника питания без введения промежуточных трансформаторных источников питания, рабочий элемент выполнен в виде последовательно механически соединенных между собой идентичных участков стержня или проволоки, каждый из которых электрически параллельно подключен к источнику питания.

12294

2. Электропривод по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что блок управления ключевым элементом содержит два формирователя импульсов, J-Ктриггер, последовательно соединенные первый элемент И, счетчик и дешифратор, а также генератор импульсов, второй и третий элементы И, элемент задержки, Т-триггер, формирователь синхроимпульсов, причем вход пуска блока управления через один из формирователей импульсов связан с 3-входом 3-К-триггера, К-вход которого связан с Т-входом Т-триггера, а также с выходами дешифратора и другого формирователя импульсов, вход которого подключен к входу остановки блока управления, выход J-К-триггера

19 подключен к первым входам первого и второгс элементов И, вторые входы с которых связаны с выходами формирователя синхроимпульсов и генератора импульсов соответственно, один из входов третьего элемента И подключен через элемент задержки к выходу генератора импульсов, синхровход которого связан с выходом формирователя синхроимпульсов, а другой вход третьего элемента И соединен с выходом

Т-триггера, выходы второго и третьего элементов И соединены между собой и подключены к выходу блока управления, синхровход формирователя синхроимпульсов подключен к источнику питания — сети переменного тока.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для преобразования тепловой энергии, получаемой при разогреве проводника электрическим током, в механическую энергию с проявлением эффекта термомеханической памяти формы рабочего элемента, и может быть использовано для привода запорной трубопроводной арматуры, масляных и воздушных электрических выключателей, разъединителей, а также других аппаратов, где имеются жесткие ограничения по весу, габаритам и времени срабатывания, при наличии достаточно мощных источников питания.

Цель изобретения — повышение быст— родействия, уменьшение габаритов и массы путем увеличения потребляемого тока при заданном напряжении источника питания без введения промежуточных трансформаторных источников питания.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого электропривода; на фиг. 2 — график зависимости относительной деформации рабочего элемента от температуры при проявлении эффекта термомеханической памяти формы; на фиг. 3 — график зависимости напряжения и тока питания рабочего элемента, а также температуры последнего от времени; на фиг „4 — блок управления ключевым элементом электропривода (логическая схема).

Термомеханический электропривод

5 содержит электроприводный рабочий элемент 1, выполненный на основе материала с эффектом термомеханической памяти формы, например из нитинола (сплав ТН-1) или алюминиевой бронзы (сплав Си-А1-Ni). Рабочий элемент 1 подключен к источнику 2 питания (к электрической сети) через ключевой элемент 3 в виде полупроводниковых ключей. Для управления ключевым элементом 3 предлагаемый электропривод содержит также блок 4 управления. Ðàбочий элемент 1 выполнен в виде последовательно механически соединенных между собой идентичных участков 5

20 стержня или проволоки. Каждый из участков 5 электрически параллельно подключен к источнику 2 питания при помощи соединительных проводов 6 и 7.

Один конец рабочего элемента 1 механически связан с неподвижной опорой 8, а другой конец — с звеном 9 нагрузки (таким звеном 9 может быть клапан, задвижка, контактная группа реле т..д.).

36 Блок 4 управления ключевым элементом 3 содержит два формирователя 10 и ll импульсов, 3 — К-триггер 12, последовательно соединенные первый эле—

419 з 1229 мент И 13, счетчик 14 и дешифратор 15, а также генератор 16 импульсов, второй 17 и третий 18 элементы И, элемент 19 задержки, Т-триггер 20 и формирователь 21 синхроимпульсов. Вход пуска блока 4 управления через один из формирователей 10 синхроимпульсов связан с J-входом J-К-триггера 12, К-вход которого связан с Т-входом

Т-триггера 20, а также с выходом де- 1О шифратора 15 и другого формирователя 11 импульсов, вход которого под.ключен к входу остановки блока 4 управления. Выход J-К-триггера 12 подключен к первым входам первого 13 и второго 17 элементов И, вторые входы которых связаны с выходами формирователя 21 синхроимпульсов и генератора 16 импульсов соответственно.

Один из входов третьего элемента И 18 20 подключен через элемент 19 задержки к выходу генератора 16 импульсов, синхровход которого связан с выходом формирователя 21 синхроимпульсов, а другой вход третьего элемента И 18 25 соединен с выходом Т-триггера. Выходы второго 17 и третьего 18 элементов И соединены между собой и подключены к выходу блока 4 управления.

Синхровход формирователей 21 синхроимпульсов подключен к источнику 2 питания — сети переменного ока.

Предлагаемый привод с рабочим элементом 1 из материала с эффектом, термомеханической памяти формы рабо- 35 тает следующим образом. Изменение параметров процесса при работе привода показано на фиг. 2 и 3, где использованы следующие обо- 40 значения:

U — электрическое напряжение на каждом участке 5 рабочего элемента 1; — сила тока в рабочем элементе 1 45 время;

Т вЂ” время первоначального нагрева нд "p рабочего элемента 1 до температуры А при включении привода; 50

Т „„ — время охлаждения рабочего элемента 1 до температуры М„; — момент первоначального включе1 ния напряжения на рабочем элементе 1; 55 — момент отключения напряжения

2 на рабочем элементе 1 после его нагрева до температуры А, Т вЂ” время нахождения рабочего элеВМЛ СОСТ мента 1 во включенном состоянии после его охлаждения до температуры Mö, 8 — температура рабочего элемента 1; начальная температура рабочего элемента l;

А„ — температура начала перехода материала рабочего элемента 1 в высокотемпературную модификацию;

А„ — температура окончания перехо да материала рабочего элемента 1 в высокотемпературную модификацию;

M„ — температура начала перехода материала рабочего элемента 1 в низкотемпературную модификацию;

И„ — температура окончания перехода материала рабочего элемента 1 в низкотемпературную модификацию;

E — относительная деформация материала рабочего элемента X.

Для проявления эффекта термомеханической памяти формы рабочий элемент 1 предварительно нагревают для перехода в высокотемпературную модификацию, в этом состоянии ему прида ют форму, при которой он имеет укороченную длину. Затеи сплав охлаждается ниже критической температуры и переходит в другую — низкотемпературную модификацию. Это превращение напоминает термоупругое мартенситное превращение.

Если рабочий элемент из сплава в низкотемпературной модификации подвергнуть пластической деформации растяжения (допускаемая относительная деформация E до 6 — 87) и потом нагреть его, переводя в высокотемпературную модификацию, то за счет обратного мартенситного превращения он принимает свою первоначальную укороченную форму, которая была ему задана при первой деформации в состоянии высокотемпературной модификации. Температуры Ан, А„, И „ и М„ носят также название температур начала и конца обратного и прямого мартенситных превращений.

Усилие, генерируемое материалом с эффектом термомеханической памяти формы при обратном мартенситном превращении, может достигать величины

3 12294 до 60 кГ/мм . Поскольку деформация такого материала может быть значительной (6-8X), значительной может быть и работа, выполняемая таким материалом.

Для обеспечения заданного времени срабатывания предлагаемого привода нагрев его рабочего элемента 1 осуществляют импульсом тока, после чего рабочий элемент 1 отключают от сети 10 во избежание его перегорания. В заданный момент времени блок 4 управления ключевым элементом вырабатываеъ сигнал на включение ключевого элемента 3 (фиг. 1) и в течение времени

Tggpp необходимого пля нагрева материала рабочего элемента 1 до температуры А„, по рабочему элементу 1 протекает кратковременный импульс тока (фиг. 3).

2О

В нагретом состоянии проявляется эффект термомеханической памяти рабо-чего элемента 1, в результате чего он укорачивается, приводя в движение р звено 9 нагрузки. Если после этого просто отключить рабочий элемент 1 от электрической цепи, то он охладится, потеряет свои свойства и не сможет удерживать приводимое звено 9 нагрузки в требуемом положении. По- @ этому материал рабочего элемента 1 удерживают в нагретом состоянии, но уже не до температуры А (фиг. 2), а только до температуры И„. При этом материал рабочего элемента 1 все еще

35 находится в высокотемпературной модификации. Это обеспечивается за счет того, что рабочий элемент 1 периодически подключают к источнику 2 питания, и напряжение на рабочий элемент 1 подают в виде импульсов, сформированных из напряжения источника 2 питания. За счет воздействия более низкой температуры окружающей среды 8н < температура материала рабочего элемента 1 снижается от величины А до И,.

Действующее значение тока, протекающего по материалу рабочего элемента 1, обеспечивает стабильное поддер- . жание этой температуры.

Блок 4 управления ключевым элементом 3 работает следующим образом.

При подаче питания на блок 4 управления содержимое всех триггеров 12 и 20 обнуляется, и на их выходах под- держивается "Лог. 0". Предположим, что поступает сигнал на вход пуска формирователя 10 импульсов. Теперь на

19 б ,1-входе 3 -К-триггера 12 имеются

"Лог. 0" и "Лог. 1", следовательно он переходит в противоположное состояние,, и на его выходе появляется

" лог. 1", которая поступает на вход второго элемента И 17. На последний одновременно поступают импульсы, синхронизированные с сетевым напряжением от генератора импульсов 16. Ключевой элемент 3 (фиг. 1) срабатывает, и по рабочему элементу 1 протекает импульс тока. Ключевой элемент 3 (фиг. 1) находится в полностью включенном состоянии до тех пор, пока на выходе .1-К-триггера 12 находится "Лог.1".

Указанная Лог. 1" также поступает на один из входов первого элемента И 13, на другой вход которого поступают импульсы, синхронизированные с напряжением с выхода формирователя 21 синхроимпульсов. Дешифратор 15, спустя заданное в счетчике 14 время, вырабатывает "Лог. 1", идущую на

К-вход 3-К вЂ тригге 12 и Т-вход

Т-триггера 20. Поскольку на 3-входе триггера 12 сигнал от формирователя l0 импульсов уже закончился, триггер 12 переходит в противоположное состояние, на выходе его появляется

"Лог. 0", и сигналы управления полупроводниковыми ключами ключевого элемента 3 от генератора 16 импульсов через элемент И 17 уже не поступают.

Однако импульсы от генератора 16 (фиг. 4) поступают через элемент 19 задержки на первый вход третьего элемента И 18, на втором входе которого находится "Лог. 1", поступившая с Т-триггера 20. Теперь ключевой элемент 3 (фиг. 1) подключает оабочий элемент 1 к источнику 2 питания — питающей сети — периодически (фиг.3 )

При необходимости отключения привода подается сигнал остановки на соответствующий вход формирователя 11 импульсов. С выхода последнего сигнал кра.тковременно поступает íà J-Ктриггер 12 и Т-триггер 20. Поскольку на триггер 12 сигнал поступает на

К"вход, то состояние триггера 12 не изменится и на выходе его попрежнему будет "Лог. О". При поступелении сигнала на Т-вход триггера 20 (фиг.4) состояние его изменится на противоположное, на выходе его будет "Лог.0" и сигналы управления поступать на ключевой элемент 3 перестанут. Если же сигнал на отключение привода будет

Ж h4 А Ag Р, С

Фиг. 1

Составитель Л.Тугарев

Редактор И.Дербак Техред Г.Гербер Корректор М.Максимишинец

Заказ 2433/32 Тираж 447 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно †полиграфическ предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, dlyl

/ЩО1

Ьи а»аУ аслтмХ» em»

1229419 8 подан до появления сигнала на выходе дешифратора 15, то привод будет просто отключен.