Механическая мышца

Изобретение относится к пневмогидравлическим двигателям поступательного движения. В механической мышце согласуют режимы и условия работы материала эластичной оболочки и нитей продольного армирования. В механической мышце формируют два пограничных слоя с различным функциональным назначением. Пограничные слои формируются за счет выполнения продольного армирования эластичной оболочки тремя независимыми группами нитей с различными физико-механическими свойствами и различной геометрией укладки слоев. Технический результат – повышение надежности. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к управляемым приводам и предназначено для преобразования внутренней энергии энергоносителя в механическое движение технических объектов с изменяющимися инерционными параметрами.

Известен исполнительный механизм осевого сжатия, содержащий заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием. ЕР 0146261 А1, (KUKOLI MIRKO), 26.05.85.

Недостатком данного устройства является отсутствие поперечного армирования в виде гибких нерастяжимых нитей.

Известна механическая мышца, содержащая заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием в поперечном направлении, параллельно ориентированными в этом направлении элементами. SU 1622659 А1, (ВНИИ МЕТИЗНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ), 23. 01.91.

Недостатком данного устройства является отсутствие армирования в продольном и поперечном направлениях в виде гибких нерастяжимых нитей.

Известен привод MAS на основе “Fluidic muscle MAS” австрийского концерна FESTO. “Fluidic muscle” содержит эластичную оболочку, армированную внутри ромбической сеткой, (информация см. Приложение 1,2 и информация на http:// www.festo.com/flluidic muscle). К недостаткам известного устройства относится малый рабочий ход, большие знакопеременные деформации материала оболочки в ячейках ромбической сети с образованием зон нулевых деформаций, малый интервал рабочих температур.

Наиболее близким к предлагаемому преобразователю является механическая мышца. RU 2137950, 6 F 15 B 11/10, авторы Водяник Г.М., Водяник А.Г., Цибизов А.Н. от 16.07.98. Бюл. №7).

Известная механическая мышца содержит присоединительные элементы и заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием в поперечном и продольном направлении, параллельно ориентированными гибкими нерастяжимыми нитями. Армирование оболочки в продольном направлении выполнено с шагом, обеспечивающим поперечное деформирование оболочки без потери герметичности. Армирование оболочки в поперечном направлении выполнено с шагом, выбранным из условия обеспечения максимального укорочения оболочки при одновременном снижении поперечного размера, расхода энергоносителя и повышения быстродействия.

К недостаткам известного устройства относится недостаточная согласованность в работе материала эластичной оболочки и нитей продольного армирования механической мышцы.

Задачей изобретения является согласование режимов и условий работы материала эластичной оболочки и нитей продольного армирования механической мышцы.

Поставленная задача достигается за счет формирования двух пограничных слоев с различным функциональным назначением в механической мышце, содержащей присоединительные элементы и заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием в поперечном и продольном направлении, параллельно ориентированными гибкими нерастяжимыми нитями, причем армирование оболочки в продольном направлении выполнено с шагом, обеспечивающим поперечное деформирование оболочки без потери герметичности, а армирование оболочки в поперечном направлении выполнено с шагом, выбранным из условия обеспечения максимального укорочения оболочки при одновременном снижении поперечного размера, расхода энергоносителя и повышения быстродействия.

При этом продольное армирование оболочки выполнено тремя или более (кратными им) независимыми группами гибких непрерывных нитей с различными коэффициентами продольной и поперечной деформации, независимо закрепленными на адаптерах механической мышцы.

При этом нити первой и второй групп растяжимы, объемны и заполнены эластичным материалом. Каждая нить первой группы переплетена со всеми нитями второй группы, а каждая нить второй группы переплетена со всеми нитями первой группы, с сохранением взаимной подвижности нитей в угловом и линейном направлении относительно друг друга, а также с сохранением угловой подвижности нитей относительно поверхности оболочки.

При этом нити первой и второй групп формируют объемно деформируемую оболочку, внутренняя поверхность которой совместно с внешней поверхностью эластичной оболочки образует первый пограничный слой, толщина которого выбирается из условия деформирования материала эластичной оболочки без образования зон нулевой деформации.

При этом укладка нитей первой и второй групп выполнена с шагом, обеспечивающим совместность деформации материалов эластичной и объемно деформируемой оболочек в продольном и поперечном направлении в пределах первого пограничного слоя, причем величина угла начального перекрещивания нитей первой, второй группы и величина превышения длины нитей первой, второй группы над длиной эластичной оболочки в свободном состоянии выбирается из условия ограничения величины поперечной деформации материала эластичной оболочки независимо от расстояния между нитями продольного армирования (длиной секции).

Между тем нити третьей группы нерастяжимы, многократно изменяют знак угла укладки на противоположный относительно оси механической мышцы, но сохраняют непрерывность в месте их закрепления на адаптерах механической мышцы.

Угол укладки нитей третьей группы относительно оси механической мышцы выбирается из условий обеспечения требуемого усилия сокращения и требуемой формы закона сокращения механической мышцы, причем соотношение углов укладки нитей третьей группы между четным и нечетным слоем укладки выбирается из условия обеспечения требуемой величины и направления угла и момента закручивания механической мышцы при ее сокращении.

При этом внешняя поверхность деформируемой оболочки и нити продольного армирования образуют второй пограничный слой, толщина которого выбирается из условия изоляции нитей продольного армирования от внешней поверхности эластичной оболочки.

Твердость наружной и внутренней поверхности эластичной оболочки различна и выбирается из условий формирования требуемой толщины первого и второго пограничных слоев при заданной поперечной деформации эластичной оболочки и давлении рабочего тела.

Защитно-декоративный слой выполнен из непрерывных нитей, винтовым образом уложенных на поверхности мышцы. Шаг винтовой укладки нитей последующего слоя равен предыдущему, направление шага винтовой укладки нитей последующего слоя противоположно предыдущему. Нити слоев взаимно переплетены, но связаны между собой. При этом нити последующего слоя смещены относительно нитей предыдущего слоя, имеющего то же направление шага винтовой укладки, причем нити каждого слоя зафиксированы относительно адаптеров мышцы, отдельно от оболочки.

Адаптеры механической мышцы содержат две соосные поверхности для раздельного крепления оболочки и нитей армирования, причем поверхности разделены кольцевым приливом, высота которого относительно поверхности для крепления оболочки соответствует толщине эластичной оболочки.

Адаптеры механической мышцы либо их внешняя поверхность выполнены из электроизоляционного материала и содержат датчики давления рабочего тела и взаимного перемещения адаптеров.

Механическая мышца работает следующим образом. При увеличении внутренней энергии энергоносителя любым известным способом (за счет нагрева, химической реакции, увеличения количества и т.д.) эластичная оболочка начинает деформироваться. Возникающие усилия воспринимаются нитями продольного и поперечного армирования, что предполагает управляемое деформирование оболочки с образованием гофр. Образование гофр по длине механической мышцы обуславливает ее линейное укорочение (сокращение).

Поскольку нити первой и второй групп растяжимы, а каждая нить первой группы переплетена со всеми нитями второй группы, а каждая нить второй группы переплетена со всеми нитями первой группы, с сохранением взаимной подвижности нитей в угловом и линейном направлении относительно друг друга, с сохранением угловой подвижности нитей относительно поверхности оболочки, то нити первой и второй групп формируют объемно деформируемую оболочку, внутренняя поверхность которой и внешняя поверхность эластичной оболочки образуют первый пограничный слой.

При этом углы наклона нитей первой и второй групп к оси механической мышцы обеспечивают согласование направления вектора поперечной деформации материала эластичной оболочки и расположения нитей первой и второй групп при сокращении механической мышцы,

Совокупность величины угла начального перекрещивания нитей первой, второй групп и превышения длины нитей первой, второй групп относительно длины эластичной оболочки в свободном состоянии обеспечивает ограничение величины вектора поперечной деформации материала эластичной оболочки независимо от расстояния между нитями продольного армирования (длиной секции).

Совокупность угла наклона нитей первой и второй групп к оси механической мышцы, угла начального перекрещивания нитей первой, второй групп и превышения их длины над длиной эластичной оболочки в свободном состоянии, количество нитей групп обеспечивает деформирование материала эластичной оболочки без образования зон с нулевой деформацией как на поверхности, так и внутри материала эластичной оболочки.

Совокупность угла наклона нитей первой и второй групп к оси механической мышцы, угла начального перекрещивания нитей первой, второй групп и превышения их длины над длиной эластичной оболочки в свободном состоянии, количество нитей первой, второй группы, коэффициент продольной деформации нитей первой, второй группы их толщина и объемная плотность исключает относительное движение нитей первой и второй групп и внешней поверхности эластичной оболочки.

Для усиления эффективности работы слоев нити первой и второй групп выполнены объемными и пропитаны эластичным материалом. Причем нити первой и второй групп многократно изменяют знак угла укладки на противоположный, относительно оси механической мышцы, но сохраняют непрерывность в месте их закрепления на адаптерах механической мышцы.

Для формирования механизма съема энергии с эластичной оболочки нити третьей группы выполнены нерастяжимыми, непрерывными и обеспечивают продольное армирование эластичной оболочки за счет многократного изменения направления укладки в местах закрепления указанных нитей на адаптерах механической мышцы.

При этом угол укладки нитей третьей группы относительно оси механической мышцы обеспечивает величину сокращения и форму закона тянущего усилия механической мышцы.

Соотношение углов укладки нитей третьей группы между четным и нечетным слоями укладки обеспечивает величину и направление угла и момента закручивания механической мышцы при ее сокращении,

Переменная по толщине твердость материала эластичной оболочки позволяет улучшить работу пограничных слоев.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет существенно улучшить эксплуатационные показатели механических мышц за счет согласования режимов и условий работы материала эластичной оболочки и нитей продольного армирования механической мышцы.

1. Механическая мышца, содержащая присоединительные элементы и заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием в поперечном и продольном направлениях, параллельно ориентированными гибкими нерастяжимыми нитями, причем армирование оболочки в продольном направлении выполнено с шагом, обеспечивающим поперечное деформирование оболочки без потери герметичности, а армирование оболочки в поперечном направлении выполнено с шагом, выбранным из условия обеспечения максимального укорочения оболочки при одновременном снижении поперечного размера, расхода энергоносителя и повышения быстродействия, отличающаяся тем, что продольное армирование оболочки выполнено тремя или более (кратными им) независимыми группами гибких непрерывных нитей с различными коэффициентами продольной и поперечной деформации, независимо закрепленных на адаптерах механической мышцы, при этом нити первой и второй групп растяжимы, объемны и заполнены эластичным материалом, причем каждая нить первой группы переплетена со всеми нитями второй группы, а каждая нить второй группы переплетена со всеми нитями первой группы, с сохранением взаимной подвижности нитей в угловом и линейном направлениях относительно друг друга, а также с сохранением угловой подвижности нитей относительно поверхности оболочки, при этом нити первой и второй групп формируют объемно-деформируемую оболочку, внутренняя поверхность которой совместно с внешней поверхностью эластичной оболочки образует первый пограничный слой, толщина которого выбирается из условия деформирования материала эластичной оболочки без образования зон нулевой деформации, при этом укладка нитей первой и второй групп выполнена с шагом, обеспечивающим совместность деформации материалов эластичной и объемно-деформируемой оболочек в продольном и поперечном направлениях в пределах первого пограничного слоя, причем величина угла начального перекрещивания нитей первой и второй групп и величина превышения длин нитей первой, второй групп над длиной эластичной оболочки в свободном состоянии выбирается из условия ограничения величины поперечной деформации материала эластичной оболочки независимо от расстояния между нитями продольного армирования (длиной секции), при этом нити третьей группы нерастяжимы, многократно изменяют знак угла укладки на противоположный относительно оси механической мышцы, но сохраняют непрерывность в месте их закрепления на адаптерах механической мышцы, причем угол укладки нитей третьей группы относительно оси механической мышцы выбирается из условий обеспечения требуемого усилия сокращения и требуемой формы закона сокращения механической мышцы, причем соотношение углов укладки нитей третьей группы между четным и нечетным слоями укладки выбирается из условия обеспечения требуемой величины и направления угла и момента закручивания механической мышцы при ее сокращении, при этом внешняя поверхность деформируемой оболочки и нити продольного армирования образуют второй пограничный слой, толщина которого выбирается из условия изоляции нитей продольного армирования от внешней поверхности эластичной оболочки, при этом твердость наружной и внутренней поверхностей эластичной оболочки различна и выбирается из условий формирования требуемой толщины первого и второго пограничных слоев при заданной величине поперечной деформации эластичной оболочки и давлении рабочего тела.

2. Механическая мышца по п.1, отличающаяся тем, что защитно-декоративный слой выполнен из непрерывных нитей, винтовым образом уложенных на поверхности мышцы, причем шаг винтовой укладки нитей последующего слоя равен предыдущему, направление шага винтовой укладки нитей последующего слоя противоположно предыдущему, нити слоев взаимно переплетены, но связаны между собой, при этом нити последующего слоя смещены относительно нитей предыдущего слоя, имеющего то же направление шага винтовой укладки, причем нити каждого слоя зафиксированы относительно адаптеров мышцы отдельно от оболочки.

3. Механическая мышца по п.1, отличающаяся тем, что адаптеры механической мышцы содержат две соосные поверхности для раздельного крепления оболочки и нитей армирования, причем поверхности разделены кольцевым приливом, высота которого относительно поверхности для крепления оболочки соответствует толщине эластичной оболочки.

4. Механическая мышца по п.1, отличающаяся тем, что адаптеры механической мышцы либо их внешняя поверхность выполнены из электроизоляционного материала и содержат датчики давления рабочего тела и взаимного перемещения адаптеров.