Разработка методики проектирования зажимных устройств станочных приспособлений с применением материалов с памятью формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Арслан Хазем
Арслан Хазем
кандидат наук
2025
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 113
Оглавление диссертации кандидат наук Арслан Хазем
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ В СИЛОВЫХ
ПРИВОДАХ
1. 1 Зажимные устройства в станочных приспособлениях
1.2 Свойства СПФ: История и применение СПФ в инженерии и технологиях
1.3 Характеристики сплава с памятью формы
1.3.1 Эффект памяти формы и псевдоупругость
1.3.2 История развития СПФ
1.4 Применение СПФ в силовых приводах
1.4.1 Преимущества конструкции СПФ
1.4.2 Проблемы проектирования и применения СПФ
1.5 Основные конструкции линейных приводов на основе СПФ
1.6 Предложенные конструкции зажимных устройств на основе СПФ
1.7 Описание изобретения термомеханического силового привода
1.7.1 Электромеханический силовой элемент с пружиной сжатия
1.7.2 Этапы создания и работы зажимного элемента
1.7.3 Схема зажимного элемента с пневматическим сильфоном
1.7.4 Этапы создания и работы упругого сильфонного элемента
1.8 Выводы по главе
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ С МПФ
2.1 Предложенные типы электромеханических зажимных устройств с применением МПФ
2.2 Методика определения параметров
2.2.1 Определение параметров зажимного элемента при использовании винтовых пружин
2.2.2 Выводы
2.2.3 Определение параметров зажимного элемента при использовании
тарельчатых пружин
2.2.4 Выводы
2.2.5 Методика определения конструктивных параметров зажимных устройств с применением пневматических сильфонных упругих элементов
2.2.6 Выводы
2.2.7 Определение усилия возникающих в элементах МПФ
2.2.8 Выводы
2.3 Определение времени срабатывания электромеханических зажимных устройств с применением МПФ
2.3.1 Расчет времени нагрева элемента из МПФ
2.3.2 Расчет времени остывания элемента из МПФ
2.3.3 Выводы
2.4 Экспериментальное подтверждение
2.4.1 Этапы создания экспериментального термомеханического зажимного устройства
2.4.2 Этапы проведения экспериментального подтверждении
2.4.3 Выводы
2.5 Выводы по главе
ГЛАВА 3 ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ С МПФ
3.1 Цель оптимизации
3.2 Алгоритм оптимизации конструктивных параметров зажимного элемента с применением МПФ
3.2.1 Оптимизация конструкций зажимных элементов с винтовыми пружинами сжатия
3.2.2 Оптимизация конструкций зажимных элементов с тарельчатыми пружинами
3.2.3 Оптимизация конструкций зажимных элементов с пневматическим сильфоном
3.3 Выводы по главе
ГЛАВА 4 ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЖИМНЫХ
УСТРОЙСТВ С МПФ В СТАНОЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЯХ
4.1 Примеры конструкций электромеханических зажимных устройств с применением МПФ
4.1.1 Автоматизированные машинные тиски
4.1.2 Автоматизированный прихват
4.1.3 Автоматизированный цанговый патрон
4.1.4 Автоматизированная цанговая оправка
4.1.5 Автоматизированная гидропластная оправка
4.1.6 Автоматизированный модуль крепления паллет
4.1.7 Электромеханическое устройство закрепления инструмента в шпинделе станка
4.2 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕБ
ВВЕДЕНИЕ
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Изменение напряжений и деформаций в цилиндрических пружинах из сплава tini в термоциклах под нагрузкой2017 год, кандидат наук Полугрудова Людмила Степановна
Исследование и разработка методов расчета и проектирования конструкций на основе сплавов с памятью систем и устройств радиотехники и связи2000 год, кандидат технических наук Резников, Дмитрий Александрович
Разработка методики расчета и проектирования упругих элементов, выполненных из сплавов с эффектом памяти формы2020 год, кандидат наук Ганыш Святослав Мирославович
Автоматизация проектирования элементарных и комбинированных силовых механизмов станочных приспособлений в условиях применения интегрированных САПР2006 год, кандидат технических наук Зотина, Ольга Витальевна
Механика материалов с эффектом памяти формы: Теоретические и прикладные исследования2000 год, доктор технических наук Разов, Александр Игоревич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования зажимных устройств станочных приспособлений с применением материалов с памятью формы»
Актуальность темы исследования
В настоящее время внедрение систем числового программного управления ЧПУ значительно увеличило производительность станочного оборудования, однако установка, снятие и закрепление заготовок остаются сложными задачами, особенно в условиях мелкосерийного и единичного производства.
Автоматизация закрепления заготовок осуществляется с использованием пневматических или гидравлических устройств, что требует дополнительных установок и оборудования. Часто такие устройства характеризуются неприемлемыми габаритами. В этом контексте перспективным представляется создание устройств, способных преобразовывать электрическую энергию непосредственно в механическое усилие или управляемых электрической энергией.
Имеется потенциал для разработки зажимных устройств с использованием элементов из металлов с памятью формы, которые отличаются компактными размерами и способны развивать достаточные усилия. Актуальность данной работы обусловлена потребностью в автоматизации закрепления заготовок на современном металлообрабатывающем оборудовании.
Степень разработанности темы
В настоящее время существует определенный объем литературы ипатентов, посвященных применению зажимных устройств в различных областях инженерии, однако специфика использования материалов с памятью формы для создания таких устройств еще не до конца исследована.
Существующие исследования предоставляют разнообразные аспекты применения зажимных устройств, однако глубокий анализ их применимости с использованием инновационных материалов является необходимым. Таким образом, данная работа направлена на систематизацию и расширение знаний в данной области, предлагая методику проектирования, которая может стать значимым вкладом в развитие инженерной практики.
Сплав с памятью формы (СПФ) представляют собой группу металлических сплавов, способных возвращаться к своей первоначальной форме при процессе запоминания между двумя фазами преобразования, зависящими от температуры или магнитного поля. Это явление известно, как эффект памяти формы (ЭПФ) [14].
На основе эффекта памяти формы были созданы, разработаны ручные механизированные инструменты для разделительных операций и монтажных работ в открытом космосе [4, 5].
Эффект памяти формы представляет собой восстановление формы ранее деформированного конструктивного элемента при температуре фазового превращения. Пластическая деформация в пределах 6-8% может быть восстановлена, создавая напряжения порядка 600-700 МПа при пределе текучести свыше 80 МПа. Эти деформации и усилия используются при создании силовых электромеханических исполнительных механизмов [2, 6].
Приводы из СПФ становятся жизнеспособной альтернативой пневматическим и гидравлическим системам благодаря своему легкому весу и высокой плотности энергии. Как твердотельные устройства, они обладают простотой, меньшим количеством деталей и легче обслуживаются [ 1, 7-9].
В работах [10, 11] исследованы конструктивные особенности реверсивного силового привода с эффектом памяти формы на примере привода для станочных приспособлений механической обработки деталей летательных аппаратов в 2007 году. Этот привод отличается компактностью, отсутствием высоконагруженных пневматических и гидравлических магистралей, что снижает энергоемкость и улучшает экологические свойства технологического оснащения.
Существует множество устройств, основанных на эффекте памяти формы, которые благодаря компактности и простоте управления успешно применяются в различных областях, например, в узлах расчековки космических аппаратов [10].
Большинство таких приводов строится на комбинации витых пружин из упругого материала (например, стали) и пружин из материала с памятью формы, соединенных последовательно или параллельно [12-17].
На текущий момент широкий спектр таких устройств представлен в виде патентов в МПК F03G7/06. Известны устройства, в которых стержневые элементы из материала с памятью формы расположены параллельно с упругими пружинными элементами, а деформация сжатия пружинных элементов осуществляется нагревом стержневых элементов, как, например, описано в патенте WO 2019/043599 A1. Такие устройства характеризуются увеличенными габаритами и инерционностью срабатывания, вызванными большой массой нагреваемых элементов [18].
Существующие и предложенные конструкции зажимных элементов и электромеханических приводов с применением материалов с памятью формы (МПФ) отличаются разнообразием конструкций, различной степенью реализованности и эффективности применения. В то же время отсутствует методика их проектирования и остается открытым вопрос о возможности и эффективности применения таких устройств в станочных приспособлениях.
Объектомисследования являются зажимные устройства станочных приспособлений с применением элементов из материалов с памятью формы.
Предметомисследования является методика проектирования и оптимизации конструкции таких зажимных устройств.
Цель исследования
Цель исследования заключается в создании методики определения конструктивных параметров автоматизированных зажимных элементов станочных приспособлений с использованием МПФ и оптимизации их конструкций для различных условий применения.
Задачи исследования
Основными задачами исследования, поставленными в работе, являются:
1. Разработка конструкции электромеханических зажимных устройств с применением МПФ и расчетное обоснование их конструкции.
2. Проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения расчетных параметров зажимных устройств, включающих элементы из МПФ.
3. Обоснование рациональной конструкции зажимных элементов, анализ и выявление их параметров для повышения эффективности закрепления заготовок.
4. Разработка методики оптимизации зажимных элементов с использованием МПФ, направленной на совершенствование технологии и повышение её эффективности.
Научная новизна
Научная новизна данного исследования заключается в создании методики определения и оптимизации конструктивных параметров, предложенных принципиально новых электромеханических зажимных элементов станочных приспособлений с использованием МПФ.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость исследования проявляется в создании методики проектирования и оптимизации электромеханических силовых приводов станочных приспособлений с применением материалов с памятью формы. Методика основана на законах механики, деформации твердого тела и установленных экспериментально явлениях деформации МПФ при термическом воздействии.
Практическая значимость полученных результатов выражается в их потенциальном применении в станочных приспособлениях и разнообразных малогабаритных электромеханических зажимных устройствах. Предложенные устройства позволяют удаленно управлять закреплением и раскреплением заготовок в условиях автоматизированного производства.
Методология и методы исследования
При создании методики определения конструктивных параметров предлагаемых зажимных элементов проводились теоретические расчеты основных типов элементов, отличающихся вариациями упругого элемента такими как винтовые пружины, тарельчатые пружины или пневматические сильфоны.
Оптимизация параметров зажимных элементов осуществлялась компьютерным моделированием в среде МА^АВ.
Экспериментальные исследования проводились с применением лабораторного оборудования и стандартных средств измерения линейных размеров, электрических и температурных параметров.
Положения, выносимые на защиту
1. Разработка новых конструкций зажимных устройств, основанная на применении МПФ, а также их расчетное обоснование, представляют собой сущностные элементы исследования, соответствующие требованиям, сформулированным в пунктах 5 и 8 паспорта специальности;
2. Экспериментальное подтверждение рассчитанных параметров зажимных устройств, включенное в рамки работы, соответствует требованиям, изложенным в пункте 8 паспорта специальности;
3. Обоснование рациональной конструкции зажимных элементов, являющееся неотъемлемой частью исследования, соответствует требованиям пункта 9 паспорта специальности;
4. Создание методики расчета и оптимизации зажимных элементов, основанной на использовании материалов с памятью формы, согласуется с критериями, установленными в пунктах 5 и 8 паспорта специальности.
Степень достоверности и апробацию результатов
Достоверность научных выводов подкрепляется согласованностью результатов экспериментальных исследований с расчетными данными предложенной методики определения и оптимизации конструктивных параметров зажимных устройств. Результаты научной деятельности были представлены на научно-технических конференциях и конкурсе в период с 2019 по 2023 г.:
1. MMESE. Современное машиностроение: Наука и образование. 10-я международная научно-практическая конференция (Санкт-Петербург, 2021 г.);
2. ИИМ. Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные идеи в машиностроении» (Санкт -Петербург, 2022 г.);
3. MMESE. Современное машиностроение: Наука и образование. 11 -я международная научно-практическая конференция (Санкт-Петербург, 2022 г.);
4. BIG PhD. Конкурс «BestIntemationalGrantforPhD» - грантовая программа поддержки лучших проектов иностранных аспирантур (Санкт -Петербург, 2022 г.);
5. MMESE. Современное машиностроение: Наука и образование. 12-я международная научно-практическая конференция (Санкт-Петербург, 2023 г.).
Результаты работы могут быть использованы на большинстве машиностроительных предприятий и в учебном процессе дисциплины Проектирование станочных приспособлений в ФГБОУ ВО «СПбПУ».
Публикации
Научные выводы данной исследовательской деятельности были подвергнуты апробации через их опубликование в рецензируемых научных журналах и представление на научно -технических конференциях в период с 2019 по 2023 год. Общее число научных публикаций, посвященных теме диссертационной работы, составляет 8 статей, в том числе 4 опубликованы в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ), 2 в базе данных Scopus и 2 в журналах, включенных в перечень ВАК. Публикации служат основой для оценки полноты изложения результатов исследования в соответствующих научных изданиях. Получено 2 патента (Приложение Б).
Получен патент РФ № 2775658. Термомеханический силовой привод. / Коротких М.Т., Арслан Х. Кл. МПК: F03G 7/06. Патент выдан 06.07.2022 г.
Получен патент РФ № 2796035. Термомеханический силовой привод. / Коротких М.Т., Арслан Х. Кл. МПК: F03G 7/06. Патент выдан 16.05.2023 г.
ГЛАВА 1 ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ В СИЛОВЫХ
ПРИВОДАХ
1.1 Зажимные устройства в станочных приспособлениях
Технологическая оснастка в рамках машиностроения представляет собой комплекс приспособлений, инструментов и механизмов, разработанных для закрепления, обработки и формирования заготовок в процессе механической обработки на станках. Эта составляющая является существенной частью производственного процесса, обеспечивая правильное и надежное осуществление операций [19-24].
Приводы технологической оснастки обладают разнообразием, зависящим от конкретных требований производственных процессов. Вот несколько типов приводов, применяемых в технологической оснастке [ 19]:
1. Гидравлические приводы: Применяются в прессах, зажимных устройствах и других механизмах.
2. Пневматические приводы: Используются для управления зажимными и фиксирующими устройствами, а также для движения определенных инструментов.
3. Электрические приводы: Включают различные виды электродвигателей, предназначенных для подачи энергии и управления механизмами технологической оснастки.
4. Электромагнитные приводы: Применяются в системах, где требуется точный и быстрый контроль перемещений или зажима.
5. Сервоприводы: Обеспечивают высокую точность и управляемостьдвижениями в различных операциях.
6. Механические приводы: Включают в себя разнообразные механизмы и устройства для передачи и преобразования энергии.
Выбор конкретного типа привода зажимного устройства определяется требованиями технологического процесса, а именно точностью, скоростью, силой и прочими параметрами.
При автоматизации производства с использованием станков с числовым программным управлением возникают сложности с установкой, снятием и закреплением заготовок в станочных приспособлениях. Зажимные устройства с пневматическими и гидравлическими приводами часто являются громоздкими или требуют дополнительных устройств, таких как гидростанции, а их автоматизация требует сложного дополнительного оборудования, включая усилители и электромагнитные клапаны и т. д.
В данной работе решается актуальная задача поиска простых и автоматизируемых приводов для закрепления заготовок. Приводы, основанные на СПФ, могут иметь небольшие габариты, легкий вес и достаточно высокие усилия, что делает их перспективными для замены силовых приводов, использующих гидравлические, пневматические и механические системы. Такие устройства легко автоматизировать, управлять ими можно электрическими сигналами, и они обычно требуют меньше деталей, что делает их более простыми в обслуживании и проверке [1; 7-9; 17].
В современном контексте широко применяются электромеханические приводы на основе СПФ различных устройств, включая зажимные механизмы [1]. Однако в станочных приспособлениях возникают особенные требования, которые могут делать использование этих приводов нецелесообразным. К проблемам относятся необходимость сохранения зажимного усилия при отключении питания, ограниченные габариты размещения и требования к устройствам с ограниченным перемещением рабочего органа при закреплении и раскреплении заготовок.
1.2 Свойства СПФ: История и применение СПФ в инженерии и технологиях
Сплав с памятью формы (СПФ), также известный как "умный сплав", был впервые обнаружен Арне Оландером в 1932 году [25]. Термин "память формы" впервые введен Верноном в 1941 году [26] в контексте полимерного стоматологического материала. Значимость материалов с памятью формы (МПФ) стала осознаваться после обнаружения эффекта памяти формы (ЭПФ) в никель-
титановом (МТ^ сплаве Уильямом Бюлером и Фредериком Ваном в 1962 году [27, 28]. Этот сплав также получил известность под названием нитинол, образованного от МТ и Лаборатории морского вооружения.
С тех пор интерес к применению СПФ в инженерных и технических областях растет, включая потребительские товары, промышленные приложенияв различных конструкциях, автомобильную и аэрокосмическую индустрии, мини-приводы, микроэлектромеханические системы, робототехнику, биомедицину и даже в области моды [29-37].
Хотя СПФ, основанные на железе и меди, такие как Fe-Mn-Si, ^^п-М и ^^-М, являются доступными коммерческими вариантами, их применение ограничено из-за нестабильности, практической сложности применения (например, хрупкости) [38] и недостаточных термомеханических характеристик [39]. Каждый из этих материалов, несмотря на ограничения, обладает своими уникальными преимуществами, которые могут быть оптимальными для конкретных требований или приложений.
1.3 Характеристики сплава с памятью формы
СПФ представляют собой металлические сплавы, способные возвращаться к своей первоначальной форме или размеру в процессе запоминания между двумя фазами преобразования, зависящими от температуры или магнитного поля. Это термическое явление известно, как ЭПФ. Применение этих материалов весьма разнообразно: под воздействием внешних сил они могут легко деформироваться, а при повышении температуры выше определенного уровня, либо под воздействием внешнего или внутреннего тепла, они восстанавливают свою первоначальную форму. Также магнитное поле может использоваться в случае сплавов с магнитной памятью формы.
1.3.1 Эффект памяти формы и псевдоупругость
На практике СПФ могут существовать в двух различных фазах с тремя уникальными кристаллическими структурами, такими как двойникованный
мартенсит, раздвоенный мартенсит и аустенит, а также испытывать шесть возможных превращений [40, 41] (Рисунок 1.1). Структура аустенита остается стабильной при высоких температурах, в то время как структура мартенсита становится стабильной при более низких температурах. Процесс перехода СПФ из мартенситной фазы в аустенитную начинается при нагреве. Температура начала аустенитного превращения (As) обозначает момент начала этого перехода, в то время как конечная температура аустенитного превращения (А1} указывает на завершение этого процесса. При превышении температуры As, СПФ, предварительно деформированный в мартенситном состоянии, начинает трансформироваться в аустенитную структуру, восстанавливая свою первоначальную форму.
Рисунок 1.1 - Фазы и кристаллические структуры СПФ [40-42]
Это преобразование возможно даже при высоких приложенных нагрузках, что приводит к высокой плотности энергии срабатывания [42]. В процессе охлаждения структура начинает возвращаться в мартенсит при температуре начала превращениямартенсита (Ms) и завершается, когда температура достигает
конечной температуры превращения мартенсита (М1} [27] (Рисунок 1.2). Самая высокая температура, при которой структура становится мартенситом и больше не может быть вызвана (температура Md), означает, что выше этой температуры сплав с памятью формы необратимо деформируется, подобно обычному металлическому материалу [43].
140 т-
О -1---1-■-
0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00%
Растяжение, %
Рисунок 1.2 - Фазовое превращение сплава N111 [46]
Некоторые физические и механические свойства СПФ различаются между аустенитной и мартенситной фазами, включая модуль Юнга, удельное электрическое сопротивление, теплопроводность и коэффициент теплового расширения [41, 44, 45]. Аустенитная структура обладает более высокой твердостью и модулем Юнга по сравнению с мартенситной структурой; последняя более мягкая и поддается легкой деформации под воздействием внешних сил [41] (см. Таблицу 1.1).
При степени деформации ниже предела текучести мартенсита (приблизительно 8,5% для сплавов МТ и 4-5% для сплавов на основе меди [46,]), СПФ подвергается псевдопластической деформации с возможностью ее восстановления. При переходе в аустенитное состояние. Большинство
практических применений обычно ограничивают уровень деформации до, например, 4% или менее для сплавов N1X1 [39, 46].
Таблица 1.1 - Физические свойства коммерческого сплава NiTi [47].
Свойство Символ Единицы Значение
Мартенсит Аустенит
Устойчивость к коррозии - - Аналогично серии 300 из нержавеющей стали или титанового сплава -
Плотность Р кг/м3 6450-6500
Удельное электрическое сопротивление PR 76-80 82-100
Удельная теплоемкость С Дж/кг.К 836.8 836.8
Теплопроводность К Вт/м.К 8,6-10 18
Коэффициент теплового расширения а м/м.К-1 6,6 х 10-6 11 х 10-6
Предел прочности на растяжение G МПа 895 (полностью отожженный) / 1900 (закаленный)
Модуль Юнга Е ГПа 28-41 75-83
Предел текучести GY МПа 70-140 195-690
Коэффициент Пуассона V - 0,33 -
Магнитная восприимчивость X моль-1 2,5 3,8
1.3.2 История развития СПФ
В 1932 году Оландер (Ölander), шведский физик, впервые обнаружил твердофазное превращение в СПФ [25]. Он выявил, что сплавы золота с кадмием (Au-Cd) могут пластически деформироваться при охлаждении и восстанавливать исходную конфигурацию при нагревании. В 1938 году Гренингер и Мурадян (Greninger and Mooradian) [48] первыми описали эффект памяти формы для сплавов меди с цинком (Cu-Zn) и сплавов меди с оловом (Cu-Sn).
Фундаментальное явление ЭПФ, обусловленное термоупругим поведением мартенситной фазы, было подробно исследовано Курдюмовым и Хандросом (Kurdjumov and Khandros) [49] в 1949 году, а также Чангом и Ридом (Chang and
Read) [50] в 1951 году. В этот период также были наблюдены эффекты памяти формы в сплавах In-Tl и Cu-Al-Ni. Несмотря на интерес со стороны исследователей и изобретателей, практичное и промышленное применение оставалось ограниченным из-за высокой стоимости материалов, сложностей в производстве и недостаточных механических свойств.
Несмотря на то, что сплав NiTi был открыт Уильямом Бюлером в 1959 году, перспективы коммерциализации применения СПФ стали более ясными только после обнаружения ЭПФ в сплаве NiTi Уильямом Бюлером и Фредериком Ваном в 1962 году. Нитиноловые сплавы оказались более экономичными в производстве, легче в обработке и безопасными, а также обладают превосходными механическими свойствами по сравнению с другими доступными на тот момент СПФ. Первым коммерческим успехом стал термоусадочный трубный соединитель CryoFit™, представленный в 1969 году для реактивного истребителя F -14, разработанный Grumman Aerospace Corporation, и внедренный Джорджем Б. Андреасеном в 1971 году.
С начала 1980-х годов сплавы NiTi нашли широкое применение в коммерческих областях, отвечая растущему спросу на более легкие и компактные приводы.
1.4 Применение СПФ в силовых приводах
На текущий момент было выдано более 10000 патентов в США и свыше 20000 патентов по всему миру на СПФ и их применения. Однако реализация жизнеспособных продуктов, основанных на этой обширной интеллектуальной собственности, до сих пор ограничена. Эта ограниченность в первую очередь объясняется недостаточным пониманием учеными и инженерами как технических ограничений, с которыми сталкиваются СПФ, так и методов надежного применения этих сплавов для обеспечения требуемой долговечности, и стабильности [51-53].
1.4.1 Преимущества конструкции СПФ
Недавние исследования подтверждают, что приводы на основе СПФ предоставляют значительные возможности для замены традиционных приводов, таких как пневматические, гидравлические и электромеханические [33, 54]. Эти приводы обладают уникальными характеристиками и способностью реагировать непосредственно на воздействия окружающей среды [81], что способствует созданию более совершенных и экономичных приводов при существенном уменьшении механической сложности и размеров [29, 55].
Этот сплав МТ способен поднимать грузы в 100 раз превышающие его собственный вес [56]. Кроме того, МТ СПФ обладает биосовместимостью [37, 57] и высокой износостойкостью [58]. Его трибологические свойства значительно превосходят характеристики многих известных материалов, таких как стали, сплавы на основе М и стеллит [59]. Эти свойства делают МТ СПФ привлекательным материалом для различных промышленных применений, "умных" структур и "интеллектуальных" систем [60, 61].
СПФ также способны реализовать силовые приводы под воздействием различных видов деформации. Это позволяет создавать компоненты привода, способные расширяться, изгибаться, скручиваться, как по отдельности, так и в комбинации. Такие компоненты могут принимать различные конфигурации и формы, включая винтовые пружины, торсионные пружины, прямые проволоки, консольные полосы и торсионные трубы [31]. Следовательно, СПФ предоставляют инновационный метод решения разнообразных инженерных задач и, фактически, могут являться единственным жизнеспособным техническим вариантом для сложных приложений, благодаря своим свойствам и уникальным преимуществам.
1.4.2 Проблемы проектирования и применения СПФ
В разработке технического использования СПФ актуальны следующие проблемы. Одной из них является низкая частота срабатывания и относительно
малые перемещения, связанные с допустимой псевдопластической деформацией (4...6%).
Одной из основных проблем, с которой сталкиваются приводы на основе МПФ, является ограниченная рабочая частота и узкая полоса пропускания. Эти материалы, обладают высокой теплоемкостью и плотностью, что затрудняет передачу тепла к активному элементу и его последующему охлаждению. В нескольких исследованиях отмечается, что быстрый нагрев приводов на основе СПФ достигается с помощью различных методов, таких как нагрев пропусканием через элемент электрического тока[62-64].
Однако без эффективного контроля теплового процесса возможно перегревание и повреждение привода. Более того, серьезной проблемой является медленный процесс охлаждения, когда механизмы теплопроводности и теплоотдачи ограничивают скорость отвода тепла. Время отклика привода также зависит от его размера и формы, причем приводы с более высоким отношением площади поверхности к объему материала СПФ срабатывают быстрее.
Разработаны стратегии для улучшения контроля нагрева [3 9, 65] и ускорения охлаждения, включая активные и пассивные методы, такие как принудительное воздушное охлаждение [66-68], жидкостное охлаждение [66, 69], термоэлектрические модули и тепловые насосы [70], радиаторы [64, 66] и применение материалов с высокой теплопроводностью [55, 71].
Более высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты с использованием охлаждения жидкой средой, однако это требует специальной герметичной конструкции. Для улучшения охлаждения вокруг элемента из МПФ достаточно небольшой циркуляции воздуха, что существенно улучшает охлаждение по сравнению с естественной конвекцией. Тем не менее, некоторые исследования показали, что увеличение потока воздуха имеет ограниченное воздействие на эффективность охлаждения и сопровождается недостатками, такими как увеличение потребления энергии и шум [54]. В результате активное охлаждение не всегда является целесообразным из-за его негативного влияния на стоимость, вес, объем и сложность управления [42, 65]. В качестве альтернативы
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Нечетко-логические модели, алгоритмы контроля и диагностики автоматизированных зажимных устройств2013 год, кандидат наук Акульшин, Григорий Юрьевич
Влияние химического состава и структуры никелида титана на характеристики работоспособности термомеханических актуаторов2018 год, кандидат наук Бурнаев, Александр Владимирович
Исследование и разработка метода расчета активных элементов энергетических установок на основе сплавов с памятью для ФАР2014 год, кандидат наук Зенин, Владислав Александрович
Совершенствование конструкций деформирующего оборудования на основе силоприводов из материала с эффектом памяти формы2021 год, кандидат наук Алехина Валентина Константиновна
Моделирование функционально-механического поведения пористого сплава с памятью формы на основе аппроксимации его структуры как балочной конструкции2020 год, кандидат наук Япарова Елизавета Николаевна
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Арслан Хазем, 2025 год
СО / /
30 /У
20 Г
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
I. М
с
Рисунок 2.8 - Зависимость температуры элементов из МПФ от времени нагрева с разными температурами перегрева: а) при температуре перегрева Тк=90°С; б) при температуре перегрева Тк=95°С; с) при температуре перегрева Тк=100°С
2.3.2 Расчет времени остывания элемента из МПФ
Особое значение имеет время закрепления объекта, которое будет определяться временем остывания элементов из МПФ. Это время будет зависеть от площади поверхности элемента и условий теплоотдачи с его поверхности в окружающую среду, которые могут регулироваться в широких пределах, меняясь
от условий свободной конвекции до принудительного охлаждения элемента за счет обдува воздухом или охлаждения в жидкой среде [95, 96].
Время же последующего закрепления объекта будет определяться остыванием элемента из МПФ ниже температуры фазового превращения.
1. Если охлаждение будет происходить за счет естественной конвекции воздуха вокруг МПФ:
г = С,хм(тк-ткр)
закр ахрх(тср-т0с) ( . )
где Сх - массовая теплоемкость МПФ; М - суммарная масса элемента МПФ; Тк - температура перегрева МПФ выше температуры фазового перехода Тк ~ 90...100 °С[2, 5]; Ткр - критическая температура фазового перехода МПФТкр ~ 70 °С[2, 5], обеспечивающая надежность срабатывания привода; а -коэффициент теплоотдачи; Б - площадь поверхности элемента МПФ; Тср -средняя температура нагретого элемента МПФ; Тос - температура окружающей среды Тос = 20 °С.
Коэффициент теплоотдачиа учитывает особенность охлаждения элементов МПФ:
• при свободной конвекцииа = 10 Вт/м2. К;
• при охлаждении обдувом:
а = 22,7 Вт/м2. Ксо скоростью воздушного потока 3,35 м/с; а = 34,1 Вт/м2. Ксо скоростью воздушного потока 6,7 м/с.
• при условии нахождения элемента МПФ в жидкой среде: а = 1000 Вт/м2. К.
2. Масса элемента МПФ рассчитается по формуле 2.86.
3. При изготовлении элементов МПФ из проволоки, площадь поверхности элементов:
^МПФ = п^МПФ Х ЬМПФ Х пМПФ Х К1 (2.94)
где К1 - коэффициент, учитывающий участки МПФ, огибающей фланцы на 10%, К1 = 1,1.
А при параллельном соединении элемента из МПФ в виде тонкой пленки (фольги), площадь поверхности элементов из МПФ:
Рмпф = пВф X ЬМПФ (2-95)
В данном случае площадь охлаждаемой поверхности фольговой оболочки принимается только за площадь ее наружной поверхности, так как условия охлаждения внутри оболочки могут существенно отличаться.
Таким образом время закрепления может быть уменьшено как конструктивно, за счет применения элементов с большей площадью поверхности, более тонкой проволоки из нитинола при увеличении количества ее витков, так и за счет искусственного охлаждения, путем обдува элементов воздухом или помещения зажимного элемента в жидкую среду.
В Таблице2.13 указано расчетное время закрепления объекта при различных условиях охлаждения элементов из МПФ.
Таблица 2.13 - Расчетное время закрепления объектав зажимных устройствах с
механическим ограничителем их деформации
№ примеров Рзакр, [Н] 8мпф, [мм2] Ьмпф, [мм] ПМПФ Тк, [°С] Время остывания йакр, [с]
МПФ в виде проволок МПФ в виде фольги
а = 10 Вт/м2к а = 22,7 Вт/м2к а = 10 Вт/м2к а = 22,7 Вт/м2к
1 5000 8,93 40 10 90 27,01 11,90 6,03 2,66
2 5000 8,93 40 14 90 22,94 10,10 5,30 2,33
3 5000 8,93 40 18 90 20,32 8,95 4,69 2,07
4 5000 8,93 40 10 95 32,41 14,28 7,24 3,19
5 5000 8,93 40 14 95 27,52 12,12 6,36 2,80
6 5000 8,93 40 18 95 24,39 10,74 5,63 2,48
7 5000 8,93 40 10 100 37,40 16,47 8,35 3,68
8 5000 8,93 40 14 100 31,76 13,99 7,34 3,23
9 5000 8,93 40 18 100 28,14 12,40 6,50 2,86
На Рисунке 2.9 ниже представлена зависимость температуры от времени остывания с разными температурами перегрева при использовании нескольких количеств ветвей элемента из МПФ (пмпф=10, 14, 18) и фольги из МПФ (пмпф=1) при условиях свободной конвекции.
90 88 86 84 82 80 78 76 74 72 70
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
1эякр [с]
с
Рисунок 2.9 -Зависимость температуры элементов из МПФ от времени остывания с разными температурами перегрева при свободной конвекции: а) при температуре перегрева Тк=90°С; б) при температуре перегрева Тк=95°С; с) при температуре перегрева Тк=100°С, где пмпф=1 при использовании фольги из нескольких разных площадей поверхности элемента МПФ
На Рисунке 2.10 ниже представлена зависимость температуры от времени остывания с разными температурами перегрева при использовании нескольких количеств проволок элемента из МПФ (пмпф=10, 14, 18) и фольги из МПФ (пмпф=1) при применении обдува элемента воздухом.
Рисунок 2.10 - Зависимость температуры от времени остывания с разными температурами перегрева при применении охлаждения потоком воздуха: а) при температуре перегрева Тк=90°С; б) при температуре перегрева Тк=95°С; с) при температуре перегрева Тк=100°С, где пмпф=1 при использовании фольги из нескольких разных площадей поверхности элемента МПФ
2.3.3 Выводы
1. При выполнении фланцев элемента из МПФ, выполненных из изоляционного материала и электрического соединения ветвей элемента из МПФ последовательно время нагрева, обеспечивающего сжатие упругого элемента и освобождения заготовки, доходит до 1 секунд и может быть уменьшено за счет сокращения числа проволочных ветвей элемента.
2. Для уменьшения времени нагрева элемента из МПФ и сокращении времени на раскрепление заготовки целесообразно фланцы элемента выполнять металлическими при электрическом соединении ветвей элемента из МПФ параллельно,или сам элемент из МПФ изготавливать в виде фольги, при этом время нагрева и время освобождения заготовки может быть менее 1 секунды.
с
3. Применение большего количества ветвей элемента из МПФ при уменьшении сечения проволоки позволяет существенно сократить время на остывание элемента из МПФи закрепление объекта.
4. Применение элемента из МПФ в виде фольги можно существенно сократить время на срабатывания при закреплении объекта.
5. Скорость срабатывания элемента из МПФ при закреплении заготовки может быть значительно увеличена за счет применения обдува элемента воздухом.
2.4 Экспериментальное подтверждение
Представленные теоретические выводы по обоснованиям конструкции зажимных устройств с применением материалов с памятью формы проверялись на лабораторной модели. На Рисунке 2.11 показана модель термомеханического зажимного устройства, в котором винтовая пружина сжатия 1 находится между фланцами 2 из изоляционного материала (капролон) вокруг которых намотана катушка из проволоки 3 из МПФ (нитинол), причем намотка осуществлена при сжатой пружине [100, 101].
Рисунок 2.11 - Модель термомеханического зажимного устройства Термомеханическое зажимное устройство: а) Схема зажимного устройства; б)
1 V-» V-» /Л
фото зажимного устройства: 1 - силовой элемент из винтовой пружины сжатия, 2 - фланца! из изоляционного материала, 3 - проволоки из МПФ (нитинол)
2.4.1 Этапы создания экспериментального термомеханического зажимного
устройства
В процессе, пружину с длиной Lo сжимают до того момента, когда витки соприкасаются друг с другом, а затем, в сжатом состоянии, вдоль оси пружины устанавливают проволоку из нитинола между торцами пружины без предварительного натяжения с помощью винтов, закрепленных во фланцах. После этого снимают усилие сжатия пружины, и она распрямляется до длины Ll, растягивая проволоку на заданное значение в пределах 6-8%, не превышающее предельную пластическую деформацию, которая восстанавливается при фазовом переходе (см. Рисунок 1.6). Модель предполагает внешнее расположение проволоки (Подробнее о создании упругого элемента винтовой пружины сжатия см. главу 1).
2.4.2 Этапы проведения экспериментального подтверждении
Нагрев элементов из МПФ осуществлялся от источника тока напряжением 5В и фиксировался контролем температуры элемента из МПФ с помощьютермопары и по моменту срабатывания (см. Рисунок 2.12)[100, 101].
Рисунок 2.12 - Модель термомеханического зажимного устройства, подключена к
источнику напряжением 5В
При проведении экспериментов на макете зажимного элемента через проволоку из МПФ пропускался электрический ток, который нагревал проволоку до температуры фазового перехода, это приводило к сокращению длины проволоки и сжатию пружины, что используется при освобождении заготовки (Рисунок 2.13, а). А при отключении нагрева проволока остывает, и пружина возвращается в исходное положение, что используется для закрепления объекта (Рисунок 2.13, б).
а б
Рисунок 2.13 - Термомеханическое зажимное устройство: а - при нагреве элементов из МПФ, б - при остывании элементов из МПФ
Эксперименты проводились на нескольких винтовых пружинах сжатия при ограничении их деформации проволочными элементами из сплава нитинола. (см. Таблицу 2.14).
Таблица 2.14 - Параметры экспериментальных устройств
Вариан т ё, [мм ] Бна, [мм ] Ьо, [мм ] Ьп, [мм ] п Рп, [Н] Бн, [мм2 ] ён, [мм ] п Н Ьн, [мм] Время нагреваМПФгн , [с] Время остывани я МПФ Ы [с]
1 3 40 49 20 3 21 7 0,64 0,5 2 76,02 3,5 14
2 4 29 52 32 5 70 2 2,31 0,5 1 1 564,8 5,5 13
3 5 39,5 57,5 32 4, 5 79 5 0,99 0,5 4 267,5 4 3,2 14,5
4 5,5 42 52 33 3, 5 94 5 2,8 0,5 1 6 865,2 3,7 35,9
где d - диаметр проволоки пружины; Dна - наружный диаметр винтовой пружины; Lo - длина пружины в свободном состоянии; Ln - длина полностью загруженной пружины при Fn; п - количество рабочих витков пружины; Fn - сила, созданная полностью нагруженной пружиной при Ln; Sн - суммарная площадь поперечного сечения проволоки нитинола; dн - диаметр проволоки нитинола;пн-число ветвей проволоки нитинола; Lн - общая длина проволоки сплава с памятью формы.
2.4.3 Выводы
Из результатов экспериментального моделирования видно, что возможная сила закрепления изменяется со временем при охлаждении примерно пропорционально, а не скачкообразно, что связано с неравномерным охлаждением элементов как по длине, так и по поперечному сечению проволоки.
Таким образом было экспериментально подтверждена возможность создания зажимных электромеханических устройств с использованием элементов из МПФ при степени квазипластической деформации до 6%.
2.5 Выводы по главе 2
1. Расчет и выбор силового упругого элемента при заданной силе закрепления и рабочем ходе является многовариантной задачей.
2. Конструктивные параметры электромеханического устройства закрепления с применением МПФ могут обеспечить функциональные характеристики в широком диапазоне усилий и перемещений при габаритах меньших, чем применяемые пневматические устройства закрепления.
3. Время закрепления и раскрепления заготовки можно регулировать как за счет конструктивных параметров элементов из МПФ, так и за счет температуры их нагрева и устройств принудительного охлаждения.
4. Наибольшие усилия закрепления могут обеспечить упругие элементы с ограничителями их деформации, и конструкции таких зажимных элементов обеспечивают меньшие габариты по сравнению с зажимными устройствами с ограничением упругой деформации элементами из МПФ.
5. Наибольшие усилия могут быть обеспечены упругими элементами на основе пневматических сильфонов, заполненных газом под давлением по сравнению с зажимными устройствами в виде набора тарельчатых пружин или винтовых пружин.
6. Требуемый объем элементов из МПФ в зажимных устройствах с механическим ограничением деформации упругого элемента меньше, чем в устройствах с ограничением деформации элементами из МПФ.
7. Конструктивные параметры элементов из МПФ могут варьироваться в широких пределах при сохранении требуемых силовых характеристик.
8. Требуемые характеристики устройства могут быть получены при различном типе упругого элемента и различных параметрах устройства, что требует решения задачи многопараметрической оптимизации конструкции зажимного устройства.
ГЛАВА 3 ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ С МПФ
3.1 Цель оптимизации
Как было показано, конструктивные параметры зажимных устройств, обеспечивающих заданные параметры, могут изменяться в широких пределах. Использование таких устройств в станочных приспособлениях ставит задачу снижения их массогабаритных характеристик, что позволяет создавать наиболее эффективные конструкции. Поэтому оптимизация направлена на определение оптимальных значений параметров конструкции зажимных устройств, обеспечивая при этом минимальные габариты и максимальную эффективность в использовании материалов [102, 103].
Существует множество алгоритмов численного решения задач многопараметрической оптимизации. В данном случае был выбран метод перебора всех возможных вариантов конструкции с оценкой их параметров и отбора по заданным критериям [103-107].
3.2 Алгоритм оптимизации конструктивных параметров зажимного элемента
с применением МПФ
Оптимизация конструкции зажимных элементов может производится по минимизации объема min (V=S*L), минимизации длины элемента min (L) или минимизации площади поперечного сечения min (S) это определяется условиями использования, т.е. конструкцией проектируемого станочного приспособления. При такой оптимизации ограничениями в виде равенств являются заданное усилие закрепления и рабочий ход, обеспечивающий зазор при снятии заготовки. Ограничения в виде неравенств отражают допустимые напряжения и деформации в элементах конструкции.
Была предложена последовательность определения конструктивных параметров зажимных элементов.
На Рисунке 3.1 приведена блок-схема предлагаемого алгоритма, позволяющего оптимизировать конструкцию по габаритам.
Решение производилось в программной системе МАТЬАВ методом перебора вариантов и их сравнения по заданному критерию [102, 103].
т
Ввод исходных данных
_1_з__£
Начало циклов по неопределенным данным
Анализ циклов по неопределенным данным
I
Нет
Конец \_
ЦИКЛОВ
Сохранение лучшего варианта
т
Рисунок 3.1 - Блок-схема программы для оптимизации конструктивных
параметров зажимного элемента
Предложенные конструкции зажимных элементов можно свести к нескольким основным типам, отличающимся типом упругого элемента, в качестве которого может выступать винтовая пружина (Рисунок 2.1, б), набор тарельчатых
пружин (Рисунок 2.1, г) или сильфон, наполненный сжатым газом (Рисунок 2.1,
д).
При расчете конструктивных параметров предлагаемых зажимных устройств необходимо исходить из их назначения. Для использования такого привода в приспособлениях рационально иметь минимальные габариты при заданном усилии закрепления.
При этом ход пружины при зажиме и освобождении фиксируемого объекта может быть не большим и зависеть от колебаний размеров заготовок и достаточного зазора для удобства извлечения.
3.2.1 Оптимизация конструкций зажимных элементов с винтовыми
пружинами сжатия
При методике оптимизации винтовых пружин сжатия последовательность определения конструктивных параметров принята согласно ГОСТ 13765-86:
1. Задаются рабочее усилие зажимного элемента (сила закрепления) Рзакр и рабочий ход при освобождении заготовки азакр в начале программы оптимизации.
2. Задаются диапазоны изменения параметров пружины (ё, Э, п и L2), обеспечивающих усилие равное или превышающее заданного.
Далее производится расчет всех конструктивных параметров зажимного элемента, последовательно меняя параметры с заданным шагом. в соответствии с методикой, изложенной в главе 2. Учитываемыми ограничениями при этом являются допустимые напряжения кручения в материале пружины (см. формулу 2.28).
Определение объема пружины, её наружного диаметра и длины с минимальными габаритами является целевой функцией:
у = ,
"Винтовые пружины I 4 ) и2 (31)
Полученные параметры фиксируются и сравниваются между собой, при этом выбирается вариант с меньшими массогабаритными
характеристиками.Например, полученные результаты оптимизации представлены в Таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Характеристики термомеханических зажимных элементов с применением винтовых пружин и элементов из МПФ
Вариант азакр, [мм] Рзакр, [Н] Б, [мм] [мм] Ь2, [мм] п 1 Увинтовые, [ мм3]
1 2 2000 25,662 6,497 89,60 13,484 3,95 7,28.104
2 2 5000 40,576 10,272 89,60 8,528 3,95 18,19.104
3 2 10000 63,916 15,979 104,13 6,392 4 52,2.104
где азакр рабочий ход, Рзакр - сила закрепления заготовка; D - средний диаметр пружины; d - диаметр проволоки пружины; Ь2 - длина пружины с установленными и растянутыми элементами из МПФ; п - количество рабочих витков пружины; 1 - индекс пружины; Увинтовые пружины - объем винтовой пружины.
3.2.2 Оптимизация конструкций зажимных элементовс тарельчатыми
пружинами
При методике оптимизации тарельчатых пружин последовательность определения конструктивных параметров принята по ГОСТ 3057-90:
1. Задаются рабочее усилие зажимного элемента (сила закрепления) Рзакр и рабочий ход при освобождении заготовки азакр в начале программы оптимизации.
2. Задаются диапазоны изменения параметров пружины (Б1, Б2, Бз, 1:, Ь, п и Ь2), обеспечивающих усилие равное или превышающее заданного. Учитываемыми ограничениями при этом являются допустимые напряжения в материале пружины (см. формулу 2.50).
Определение объема тарельчатых пружин с минимальными габаритами:
^Тарельчатые пружины ( 4 ) ^2 (3.2)
Предварительно задается возможное изменение этих параметров в широком диапазоне и шаг изменения этих параметров при расчетном анализе. Каждый полученный вариант конструктивных параметров, рассчитанный по методике, приведенной в главе 2, сравнивается с предшествующим по массогабаритным характеристикам и выбирается имеющий минимальные габариты.Например, полученные результаты оптимизации представлены в Таблице 3.2.
Таблица 3.2 - Характеристики термомеханических зажимных элементов с применением тарельчатых пружин и элементов из МПФ
Вариант азакр, [мм] Рзакр, [Н] 01, [мм] 02, [мм] б3, [мм] 11, [мм] Ь, [мм] П1 Ь2, [мм] УТарельчатые, [мм3]
1 2 2000 22,5 13 0,5 1,25 0,5 100 127 5,05.104
2 2 5000 30,5 12 1 1,85 0,3 50 94,5 6,90.104
3 2 10000 33,5 12 1 2,5 0,4 50 127 11,19.104
где Dl - наружный диаметр пружины; D2 - внутренний диаметр пружины; Бз - максимальная деформация пружины; 11 - толщина пружины; Ь - ширина опорной плоскости; П1 - количество тарельчатых пружин; Ь2 - длина пружины с установленными и растянутыми элементами из МПФ;УТарельчатые пружины - объем тарельчатых пружин.
3.2.3 Оптимизация конструкций зажимных элементов с пневматическим
сильфоном
При методике оптимизации пневматического сильфона последовательность определения конструктивных параметров принята по ГОСТ 21482-76:
1. При проектировании зажимного элемента технологическими требованиями к его функционированию также являются развиваемое усилие Рзакр и рабочий ход азакр.
2. Неопределенными являютсяпараметрыОс и L2 (при заданном давлении газа внутри сильфона).
Циклическая прочность сильфонов (ресурсная характеристика) зависит от условий эксплуатации: рабочего хода, рабочего давления, температуры, рабочей среды, вибрационных нагрузок и т. д., поэтому конструкция сильфона определяется по циклической прочности сильфона согласно по ГОСТ 21482 -76.
Металлические многослойные сильфоны изготавливаются из коррозионно -и жаростойкой нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т или 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-2014, рекомендуется диапазон характеристики изготавливаемых сильфонов: наружный диаметр от 16 до 190 мм; максимальное рабочее внутренне давление от 3 до 25 МПа.
Определение объема пневматического сильфона с минимальными габаритами:
^Сильфон = ^2 (3.3)
Предварительно определяются возможные изменения данных параметров в широком диапазоне, а также шаг изменения каждого параметра в процессе расчетного анализа. Каждый вариант конструктивных параметров, полученный в результате применения методики, описанной в главе 2, сопоставляется с предыдущим на основе массогабаритных характеристик, и выбирается тот, который обладает минимальными габаритами.Конструктивные характеристики таких зажимных элементов представлены в Таблице 3.3.
Таблица 3.3 - Характеристики термомеханических зажимных элементов с применением пневматических сильфонов и элементов из МПФ
Вариант азакр, [мм] Рзакр, [Н] Р, [МПа] Ос, [мм] Ь2, [мм] Усильс^о^ [мм3]
1 2 2000 16,2 15 90 4,42.104
2 2 5000 25 19,1 90 5,99.104
3 2 10000 25 27 90 9,68.104
где азакр - рабочий ход; Рзакр - сила закрепления заготовка;р - требуемое давление газа для заполнения сильфона^с - средний диаметр сильфона;Ь2 -длина сильфона с установленными и растянутыми элементами из МПФ; Усильфон -объем пневматического сильфона.
3.3 Выводы по главе 3
1. Предложенная методика оптимизации конструктивных параметров зажимных пружинных элементов станочных приспособлений с применением МПФ позволяет определить их минимально возможные габариты при заданных функциональных параметрах.
2. Разработанная программа оптимизации, основанная на методе последовательного перебора вариантов и реализованная в среде программирования МА^АВ, демонстрирует способность находить оптимальные параметры зажимных элементов с различными типами упругих элементов.
3. Наименьшими габаритными размерами могут обладать зажимные устройства с пневматическим сильфонным упругим элементом.
4. Применение тарельчатых пружин в зажимных элементах с применением МПФ имеет преимущества по габаритам по сравнению с применением винтовых пружин сжатия.
5. Проведенная оптимизация габаритных размеров зажимных элементов с применением материалов с памятью формы показала их сравнительно меньшие габаритные размеры по сравнению с пневматическими устройствами, что может обеспечить их практическое применение в условиях автоматизации технологического оснащения.
6. Полученные результаты открывают перспективы для дальнейшего совершенствования конструкции зажимных устройств. В частности, возможна их
дальнейшая конструктивная модернизация с целью дальнейшего сокращения массогабаритных характеристик.
ГЛАВА 4 ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ С МПФ В СТАНОЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЯХ
Разработанные конструкции электромеханического привода зажимных устройств могут найти широкое применение в машиностроительном производстве за счет их преимуществ, заключающихся в меньших габаритах, постоянстве усилия закрепления не зависящего от подвода энергии, возможности и простоты дистанционного управления, отсутствии жидкого или газообразного рабочего тела, воздействующего на оборудование и окружающую среду.
4.1 Примеры конструкций электромеханических зажимных устройств с
применением МПФ
4.1.1 Автоматизированные машинные тиски
Электромеханический модуль может использоваться в автоматизированных машинных тисках для закрепления заготовок (Рисунок 4.1). В таких тисках предварительная регулировка на размер закрепляемой заготовки А осуществляется подвижной губкой 1 с помощью винта 2 таким образом, чтобы обеспечить заданное усилие закрепления при сжатии пружин 3 электромеханического модуля, расположенного в подвижной губке 4.
При смене заготовки элемент из МПФ 5 нагревается пропусканием через него электрического тока, элемент сжимается, сжимая пружину, что приводит к освобождению заготовки и при установке следующей заготовки происходит ее закрепление при охлаждении элемента из МПФ. Такие тиски могут осуществлять закрепление заготовок различной длины, за счет предварительной регулировки[98].
4 5 3 1
Рисунок 4.1 - Машинные тиски с автоматизированным приводом: 1- подвижная губка, 2 - ходовой винт, 3 - упругий элемент, 4 - зажимная губка, 5 - элементы из
СПФ
4.1.2Автоматизированный прихват
Электромеханический привод на основе элемента из материала с памятью формы может быть использован для закрепления заготовок непосредственно на станке с помощью прихватов. Так при закреплении заготовки прихватом 1 (Рисунок 4.2). его плечо опирается на предложенный электромеханический привод, состоящий из набора жестких тарельчатых пружин 2, помещенных между двумя пластинами 3. соединенными тонкостенной оболочкой из материала с памятью формы 4.
Преимуществом такого закрепления заготовки является возможность ее освобождения при автоматизированном нагреве элемента из МПФ электрическим током, смене заготовки и последующего ее закрепления при быстром охлаждении тонкостенного элемента из МПФ[98].
Рисунок 4.2 - Закрепление заготовки автоматизированным прихватом: 1 -прихват, 2 - упругий элемент, 3 - фланец с токопроводом, 4 - элементы из СПФ
Применение данных электромеханических приводов позволяет разрабатывать различные приспособления как для закрепления инструментов, так и заготовок.
4.1.3 Автоматизированный цанговый патрон
Патрон цанговый инструментальный (Рисунок 4.3), в корпусе которого 1 установлена жесткая пружина 2, в коническом отверстии которой устанавливаются сменные цанги 3. В исходном состоянии пружина сжата и инструмент в цанге закреплен. При раскреплении инструмента на пружину воздействует элемент из материала с памятью формы 4, который при нагреве электрическим током, подводимым через токосъемник 5 укорачивается, сжимая пружину 2 и освобождая цангу [98].
Такой патрон по простоте управления может составить конкуренцию термозажимным патронам.
Рисунок 4.3 - Патрон цанговый автоматизированный: 1 - оправка (корпус), 2 -упругий элемент, 3 - цанга, 4 - элемент из СПФ, 5 - токосъемник
4.1.4 Автоматизированная цанговая оправка
Разжимная цанговая оправка (Рисунок 4.4) диаметром D состоит из корпуса 1, закрепляемого в шпинделе станка с установленной на нем цангой 2. Разжим цанги и закрепление заготовки осуществляется жесткой пружиной 3, действующей на конический штырь 4. Снятие и установка заготовки осуществляется при сжатии пружины 3 элементом 5, выполненным из материала с памятью формы при нагреве его электрическим током подаваемым через токосъемное кольцо 6. Пружина 7 служит для перемещения конического штыря 4 и раскрепления цанги.
Рисунок 4.4 - Автоматизированная цанговая оправка: 1 - корпус, 2 - цанга, 3 -сжатия пружины, 4 - штырь, 5 - элемент из МПФ, 6 - токосъемное кольцо, 7 -
пружина сжатия
Небольшой диапазон перемещений, обеспечиваемый предлагаемым приводом, позволяет использовать его в различных приспособлениях для создания гидростатического давления в гидропластных устройствах. При этом он может заменить, обычно используемый пневматический привод при значительных преимуществах в габаритах и мобильности.
4.1.5 Автоматизированная гидропластная оправка
В гидропластных оправках (Рисунок 4.5) пневматический или гидравлический привод, воздействующий на плунжер 1, создающий гидростатическое давление в среде гидропласта, можно заменить электромеханическим приводом, состоящим из пружины 2 и элемента из материала с памятью формы 3.
Усилие закрепления регулируется гайкой 4, а при раскреплении элемент из МПФ нагревается за счет подключения его к цепи электрического тока через токосьемник 5. При этом элемент сжимает пружину 2, что приводит к снятию гидростатического давления в среде гидропласта и упругому уменьшению диаметра посадочной втулки 6.
Рисунок 4.5 - Автоматизированная гидропластная оправка: 1 - плунжер, 2 -сжатия пружины, 3 - элемент из МПФ, 4 - гайка, 5 - токосъемник, 6 - посадочная
втулка
4.1.6 Автоматизированный модуль крепления паллет
В настоящее время в условиях гибкого автоматизированного производства заготовки перемещаются и обрабатываются закрепленными на специальных паллетах. А для закрепления самих паллет в процессе обработки заготовок на станках разработано множество систем различных фирм. Как пример можно представить систему VERO-S (Рисунок 4.6).
В основе системы находится модуль крепления, (Рисунок 4.6, а), который в различных комбинациях применяется для закрепления на станках паллет различных типов и размеров (Рисунок 4.6, б).
Закрепление осуществляется с помощью гидропривода, что требует дополнительного оборудования, снижает надежность и мобильность системы.
Используя электромеханическое устройство с применением МПФ можно предложить модуль крепления паллет, управляемый электрическим током (Рисунок 4.7).
Рисунок 4.7 - Автоматизированный модуль крепления паллет: 1 - корпус, 2 -подпружиненная клинья, 3 - пальцы, 4 - элемент из МПФ, 5 - сжатия пружины
В корпусе 1 может быть размещено 3 или более подпружиненных клиньев 2, которые могут притягивать паллету за закрепленные на ней пальцы 3.
Освобождение паллеты может осуществляться кратковременным нагревомэлементов из сплава с памятью формы 4, например, пропусканием через негоэлектрического тока. При этом элемент сжимается, сжимает пружину 5, что освобождает палец паллеты и позволяет ее снять вручную или манипулятором.
4.1.7 Электромеханическое устройство закрепления инструмента в шпинделе
станка
Кроме использования предложенного устройства закрепления в станочной оснастке существует определенная область применения таких силовых элементов в узлах станочного оборудования, там, где требуется постоянная сила крепления, не зависящая от внешних источников и снимаемая только на кратковременный промежуток времени.
Так распространенным узлом крепления инструмента на фрезерных и многоцелевых станках с ЧПУ является встраиваемый в шпиндель станка пружинный захват (Рисунок 4.8).
Рисунок 4.8 - Устройство закрепления инструмента в шпинделе станка: 1 -кулачки, 2 - шток, 3 - набор тарельчатых пружин
Захват наконечника инструментальной оправки осуществляется кулачками 1, которые выдвигаются вперед и раскрываются при движении штока 2 по направлению А при действии на него штока гидравлического привода. после установки в шпиндель инструментальной оправки гидравлический привод отключается и набор тарельчатых пружин 3 перемещает шток по направлению Б при этом кулачки 1 захватывают наконечник инструментальной оправки и затягивают до плотной посадки на коническую поверхность.
В процессе работы оправка удерживается под действием набора тарельчатых пружин. Такое устройство требует применения гидравлического привода, что значительно усложняет конструкцию шпинделя станка.
Использование электромеханического привода на основе МПФ позволяет значительно упростить механизм закрепления инструмента (Рисунок 4.9).
и А] и 1]
Рисунок 4.9 - Электромеханическое устройство закрепления инструмента в шпинделе станка на основе применения МПФ: 4 - вал шпинделя кольца, 5 -кольцо, 6 - элемент из СПФ, 7 - токосъемники
При установке в валу шпинделя кольца 4, неподвижно в нем закрепленного и кольца 5, установленного на штоке 2 и связанных элементами из материала с памятью формы 6 можно реализовать электромеханический привод, осуществляющий сжатие тарельчатых пружин при нагреве элементов. Для этого
они могут быть включены в электрическую цепь, а подвод тока к ним может осуществляться через специальные токосъемники 7, устанавливаемые на валу шпинделя.
Приведенные примеры показывают, что область применения предложенных устройств закрепления может быть очень многообразна.
4.2 Выводы по главе 4
1. Предложенные устройства закрепления с применением материалов с памятью формы могут найти широкое практическое применение в области технологии машиностроения, а именно в конструкциях станочных приспособлений и в конструкции станков.
2. Благодаря их компактным размерам и высокой силе закрепления, зажимные устройства, использующие МПФ, могут привести к снижению издержек на материалы и энергию.
3. Использование зажимных устройств с МПФ способствует увеличению производительности за счет сокращения времени, затрачиваемого на установку заготовок, и обеспечивает более быструю и надежную фиксацию, что приводит к повышению эффективности работы оборудования.
4. Применение зажимных устройств с МПФ в станочных приспособлениях демонстрирует их значительные преимущества в сфере промышленного производства. Они способствуют повышению эффективности, точности и надежности производственных процессов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе анализа литературных и патентных источников выявлено недостаточное количество информации о применении зажимных устройств станочных приспособлений с использованием материалов с памятью формы (МПФ). В результате этого автор предложил электромеханические приводы и провел серию экспериментальных исследований, решив тем самым значимую научно-техническую задачу — повышение эффективности закрепления заготовки во время обработки.
Эти приводы позволяют достичь расчетного усилия при закреплении заготовки и автоматически освобождают ее после завершения процесса обработки, обеспечивая стабильное расчетное усилие закрепления в условиях отсутствия подвода энергии.
Основные научные и практически ценные результаты данного исследования, представляемые впервые и защищаемые автором, включают в себя:
1. Разработанные электромеханические устройства закрепления, использующие МПФ, обладают функциональными характеристиками, охватывающими широкий диапазон усилий и перемещений при более компактных габаритах по сравнению с применяемыми пневматическими устройствами закрепления.
2. Предложенные устройства закрепления позволяют дистанционно в автоматическом режиме управлять процессом закрепления заготовок, а время закрепления и раскрепления заготовки может регулироваться как за счет конструктивных параметров элементов из МПФ, так и за счет температуры их нагрева и устройств принудительного охлаждения.
3. Предложена методика определения конструктивных параметров электромеханических зажимных устройств с различными типами применяемых упругих элементов.
4. Зажимные устройства с упругими элементами на основе пневматических сильфонов, заполненных газом под давлением, могут обеспечивать значительные
усилия закрепления при более компактных габаритах по сравнению с использованием винтовых или тарельчатых пружин.
5. Предложенная методика оптимизации конструктивных параметров зажимных элементов станочных приспособлений с применением МПФ позволяет выявить минимальные габариты данных элементов при заданных функциональных параметрах.
6. Разработанные зажимные устройства, использующие МПФ, обладающие компактными размерами и высокой силой закрепления, могут повысить степень автоматизации при обработке заготовок на станках с ЧПУ, оборудованных загрузочными манипуляционными устройствами.
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
1. Jani, J. M. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities / J. M. Jani, M. Leary, A. Subic, M. A. Gibson // Materials and Design. -2014. - № 56. - P. 1078-1113.
2. Кухарева, А. С. Решение краевых задач для цилиндра и пластины из сплава с памятью формы / А. С. Кухарева // MaterialsPhysicsandMechanics. - 2017.
- № 31. - С. 23-27.
3. Spaggiari, A. Design equations for binary shape memory actuators under arbitrary external forces / A. Spaggiari, I. Spinella, E. Dragoni // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. - 2012. - С. 682-694.
4. Бледнова, Ж. М. Роль сплавов с эффектом памяти формы в современном машиностроении: Научно-образовательный курс / Ж. М. Бледнова. -Краснодар, 2012. - 69 с.
5. 5. Казей, З. А. Упругие свойства сплавов TiNi с памятью формы с различной термообработкой / З. А. Казей, В. В. Снегирев // Физика твердого тела.
- 2019. - № 61 (7). - С. 1223-1228.
6. Тихонов, А. С. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении / А. С. Тихонов. - Москва: машиностроение, 1981. - 80 с.
7. Ma, J. High temperature shape memory alloys / J. Ma, I. Karaman, R. D. Noebe // International Materials Reviews. - 2010. - № 55 (5). - P. 257-315.
8. Nespoli, A. The high potential of shape memory alloys in developing miniature mechanical devices: a review on shape memory alloy mini-actuators / A. Nespoli, S. Besseghini, S. Pittaccio, E. Villa, S. Viscuso // Sensor Actuator Phys. -2010. - № 158 (1). - P. 149-160.
9. Hirose, S., Ikuta, K., Umetani, Y. Development of shape-memory alloy actuators / S. Hirose, K. Ikuta, Y. Umetani // Performance assessment and introduction of a new composing approach, Adv. Robot. - 1988. - № 3 (1). - P. 3-16.
10. Барвинок, В. А. Разработка реверсивных силовых приводов из материалов с эффектом памяти формы для устройств, применяемых в узлах
расчековки космических аппаратов / В. А. Барвинок, В. И. Богданович, О. В. Ломовской, М. А. Вишняков, А. А. Грошев // Механика и машиностроение. -2011. - № 4 (2). - С. 301-306.
11. Богданович, В. И. Применение материалов с эффектом памяти формы в производстве летательных аппаратов: учебное пособие / В. И. Богданович. -Самара: Изд-во СГАУ, 2007. - 64 с.
12. Costanza, G. Nitinol one-way shape memory springs: Thermomechanical characterization and actuator design / G. Costanza, M. E. Tata, C. Calisti // Sensors and Actuators A: Physical. - 2010. - № 157 (1). - P. 113-117.
13. Барвинок, В. А. Методика проектирования силовых приводов из материала с эффектом памяти формы для ракетно-космической техники / В. А. Барвинок, В. И. Богданович, А. А. Грошев, А. Н. Плотников, О. В. Ломовской // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2013. - № 6. - С. 272-277.
14. Абдрахманов, С. А. Расчет пружин, работающих в упругой и неупругой областях деформирования / С. А. Абдрахманов, Ж. Ж. Доталиева, Т. Т. Кожошов, М. Б. Джолдошбаева // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2015. - № 4 (661). - С. 3-11.
15. Летенков, О. В. Расчет привода, состоящего из пружины с эффектом памяти формы и контрпружины / О. В. Летенков // Вестник новгородского государственного университета. - 2015. - № 8 (91). - С. 73-76.
16. Летенков, О. В. Расчет системы привода: пружина из материала с эффектом памяти формы - контрпружина / О. В. Летенков, Д. А. Филиппов // Международный научно-исследовательский журнал. - 2016. - № 11 (53). - С. 7781.
17. Глущенков, В. А. Многозвенные силоприводы из материала с памятью формы и их характеристики / В. А. Глущенков, В. К. Алехина // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2017. С. 483-488.
18. Патентный фонд [электронный ресурс]. - Москва : http://www.fips.ru.
19. Hoffman, E. G. Jig and fixture design: Cengage Learning; Fifth edition / E. G. Hoffman. - Delmar, 2004. - 386 P.
20. Ерохин, В. В. Основные аспекты проектирования станочных приспособлений / В. В. Ерохин // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. - 2016. - № 1. - С. 11-17.
21. Ерохин, В. В. Минимальная жесткость станочного приспособления при обеспечении требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки / В. В. Ерохин // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. - 2016. - № 3. - С. 9-15.
22. Berend, D. Linear-rotary direct drive for multi-functional machine tools / D. Berend, A. Patrick // CIRP Annals. - 2022. - № 71 (1). - P. 349-352.
23. Shailesh, S. P. Laukik, P. R. DESIGN AND DEVELOPMENT OF HYDRAULIC FIXTURE FOR MACHINING HYDRAULIC LIFT HOUSING / S. P. Shailesh, P. R. Laukik // Int. J. Mech. Eng. & Rob. Res. - 2014. - № 3 (3). - P. 204214.
24. Fiedler, F. Jigs and Fixtures in Production: A Systematic Literature Review / F. Fiedler, J. Ehrenstein, C. Holtgen, A. Blondrath, L. Schaper, A. Goppert, R. Schmit // Journal of Manufacturing Systems. - 2024. - № 72. - P. 373-405.
25. Olander, A. An electrochemical investigation of solid cadmium-gold alloys. / A. Olander // Am. Chem. Soc. - 1932. - № 54. - P. 3819-3833.
26. Vernon, L. B. Patent 2234993 US. Process of manufacturing articles of thermoplastic synthetic resins: 1941 / L. B. Vernon, H. M. Vernon; USA.
27. Buehler, W. J. Effect of low-temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi / W. J. Buehler, J. V. Gilfrich, R. C. Wiley // Appl. Phys. - 1963. - № 34. - P. 1475-1477.
28. Kauffman, G. The story of Nitinol: the serendipitous discovery of the memory metal and its applications / G. Kauffman, I. Mayo // Chem. Educator. - 1997. -№ 2. - P. 1-21.
29. Butera, F. Shape memory actuators for automotive applications / F. Butera, A. Coda, G. Vergani // In: Nanotec IT newsletter. - 2007. - P. 12-16.
30. Wu, M. H. Industrial applications for shape memory alloys. / M. H. Wu, L. M. Schetky // International conference on shape memory and superelastic technologies. Pacific Grove, California, USA. - 2000. - P. 171-182.
31. Stoeckel, D. Shape memory actuators for automotive applications / D. Stoeckel // Materials and Design. - 1992. - № 11. - P. 302-307.
32. Bil, C. Wing morphing control with shape memory alloy actuators / C. Bil, K. Massey, E. J. Abdullah // J. Intell. Mater. Syst. Struct. - 2013. - № 24. - P. 879-898.
33. Hartl, D. J. Aerospace applications of shape memory alloys / D. J. Hartl, D. C. Lagoudas, // Proc. Inst. Mech. Eng., Part G: J Aerospace Eng. - 2007. - № 221. - P. 535-552.
34. Sun, L. Stimulusresponsive shape memory materials: a review / L. Sun, W. M. Huang, Z. Ding, Y. Zhao, C. C. Wang, H. Purnawali, et al. // Materials and Design. - 2012. - № 33. - P. 577-640.
35. Kheirikhah, M. A review of shape memory alloy actuators in robotics / M. Kheirikhah, S. Rabiee, M. Edalat // In: Ruiz-del-Solar J, Chown E, P^ger P, editors. RoboCup 2010: Robot Soccer World Cup XIV. Berlin Heidelberg: Springer. - 2011. -P. 206-217.
36. Sreekumar, M. Critical review of current trends in shape memory alloy actuators for intelligent robots / M. Sreekumar, T. Nagarajan, M. Singaperumal, M. Zoppi, R. Molfino // Int. J. - 2007. - № 34. - P. 285-294.
37. Mantovani, D. Shape memory alloys: properties and biomedical applications / D. Mantovani // JOM. - 2000. - № 52. - P. 36-44.
38. Wilkes, K. The fatigue behavior of shape-memory alloys / K. Wilkes, P. Liaw, K. Wilkes, // JOM. - 2000. - № 52. - P. 45-51.
39. Huang, W. On the selection of shape memory alloys for actuators / W. Huang // Materials and Design. - 2002. - № 23 (1). - P. 11-19.
40. Sun, L. Nature of the multistage transformation in shape memory alloys upon heating / L. Sun, W. M. Huang // Met. Sci. Heat Treat. - 2009. - № 51. - P. :573-578.
41. Mihalcz, I. Fundamental characteristics and design method for nickeltitanium shape memory alloy / I. Mihalcz // Periodica Polytechnica Ser. Mech. Eng. - 2001. - № 45. - P. 75-86.
42. Lagoudas, D. C. Shape memory alloys: modeling and engineering applications. 1st ed. / D. C. Lagoudas. - New York: Springer, 2010. - 456 P.
43. Duerig, T. W. Ti-Ni shape memory alloys / T. Duerig, W. A. R. Pelton // Materials Properties Handbook, Titanium Alloys, Materials Park, OH: American Society for Metals. - 1994. - P. 1035-1048.
44. Sreekumar, M. Application of trained NiTi SMA actuators in a spatial compliant mechanism: experimental investigations / M. Sreekumar, T. Nagarajan, M. Singaperumal // Materials and Design. - 2009. - № 30. - P. 3020-3029.
45. Mertmann, M. Design and application of shape memory actuators / M. Mertmann, G. Vergani // Eur. Phys. J.: Spec. Top. - 2008. - № 158. - P. 221-230.
46. Technical characteristics of Flexinol actuator wires. In: Dynalloy Inc. U, editor. Costa Mesa (CA), 2007. -12 p.
47. Otsuka, K. Shape memory materials / K. Otsuka, C. Wayman. Cambridge: Cambridge University Press, 1998. - 284 c.
48. Greninger, A. B., Mooradian, V. G. Strain Transformation in metastable beta copper-zinc and beta copper-Ti alloys / A. B. Greninger, V. G. Mooradian // AIME TRANS. - 1938. - № 128. - P. 337-369.
49. Kurdjumov, G. V. First reports of the thermoelastic behaviour of the martensitic phase of Au-Cd alloys / G. V. Kurdjumov, L. G. Khandros // Doklady Akademii Nauk SSSR. - 1949. - № 66. - P. 211-213.
50. Chang, L. C. Behavior of the elastic properties of AuCd / L. C. Chang, T. A. // Read Trans. Met. Soc. AIME. - 1951.
51. Welp, E. G. Knowledge and method base for shape memory alloys. / E. G. Welp, J. Breidert // Materialwiss Werkstofftech. - 2004. - № 35. - P. 294-299.
52. Abrahamsson, P. Demands on shape memory alloys from the application designer's point of view. / P. Abrahamsson, E. M0ster // J. Phys. IV France. - 1997. -№ 7. - P. 667-672.
53. Langbein, S, Czechowicz, A. Adaptive resetting of SMA actuators / Langbein, S, Czechowicz, A. //J. Intell. Mater. Syst. Struct. . - 2012. - № 23. - P. 127134.
54. Reynaerts, D. Design aspect of shape memory actuators / D. Reynaerts, H. V. Brussel // Mechatronics. - 1998. - № 8. - P. 635-656.
55. Leary, M. Lagging for control of shape memory alloy actuator response time / M. Leary, F. Schiavone, A. Subic, // Materials and Design. - 2010. - № 31. - P. 2124-2128.
56. Winzek, B. Recent developments in shape memory thin film technology / B. Winzek, S. Schmitz, H. Rumpf, T. Sterzl, et al. // Mater Sci. Eng. - 2004. - № 378. -P. 40-46.
57. Ryhanen, J. In vivo biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory metal alloy: muscle and perineural tissue responses and encapsule membrane thickness / J. Ryhanen, M. Kallioinen, J. Tuukkanen, J. Junila, et al. // Biomed Mater. Res. - 1998. - № 41. - P. 481-488.
58. Buehler, W. J. A summary of recent research on the nitinol alloys and their potential application in ocean engineering / W. J. Buehler, F. E. Wang // Ocean Eng. -1968. - P. 105-108.
59. Singh, J. K. Dry sliding wear mechanisms in a Ti50Ni47Fe3 intermetallic alloy / J. K. Singh, A. T. Alpas, // Wear. - 1995. - P. 302-11.
60. Angioni, S. L. Impact damage resistance and damage suppression properties of shape memory alloys in hybrid composites - a review / S. L. Angioni, M. Meo, A. Foreman // Smart Mater. Struct. - 2011. - № 20.
61. Smith, C. Working principle of bioinspired shape memory alloy composite actuators / C. Smith, A. Villanueva, K. Joshi, Y. Tadesse, S. Priya, // Smart Mater. Struct. - 2011. - № 20.
62. Qiu, J. High-speed actuation of shape memory alloy / J. Qiu, J. Tani, D. Osanai, Y. Urushiyama // Smart Mater MEMS: Int. Soc. Opt. Photonics. - 2001. - P. 188-197.
63. Featherstone, R. Improving the speed of shape memory alloy actuators by faster electrical heating / R. Featherstone, Y. The // In: Ang Jr M, Khatib O, editors. Experimental robotics IX. Berlin Heidelberg: Springer. - 2006. - P. 67-76.
64. Loh, C. S. New shape memory alloy actuator: design and application in the prosthetic hand. / C. S. Loh, H. Yokoi, T. Arai // in: 27th Annual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society (IEEE-EMBS). - 2005. - № 18 (5). - P. 6900-6903.
65. Gorbet, R. B. Mechanism of bandwidth improvement in passively cooled SMA position actuators / R. B. Gorbet, K. A. Morris, R. C. C. Chau // Smart Mater. Struct. - 2009. - № 18 (9).
66. Tadesse, Y. Tailoring the response time of shape memory alloy wires through active cooling and pre-stress. / Y. Tadesse, N. Thayer, S. Priya, // J. Intell. Mater. Syst. Struct. - 2010. - № 21. - P. 19-40.
67. Hisaaki, T. Basic research on shape memory alloy heat engine (output power characteristics and problems in development) / T. Hisaaki, K. Kimio, I. Hiroyuki, J. Cahoon // JSME Int. J. - 1990. - № 33. - P. 263-268.
68. Howe, R. D. Shape memory alloy actuator controller design for tactile displays / R. D. Howe, D. A. Kontarinis, W. J. Peine // The 34th IEEE Conference on Decision and Control, vol. 4. - 1995. - P. 3540-3544.
69. Mascaro, S. A. Wet shape memory alloy actuators for active vasculated robotic flesh / S. A. Mascaro, H. H. Asada // IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 1. - 2003. - P. 282-287.
70. Romano, R. Modeling, control and experimental validation of a novel actuator based on shape memory alloys / R. Romano, E. A. Tannuri // Mechatronics. -2009. - № 19. - P. 1169-1177.
71. Huang, S. Optimisation of Ni-Ti shape memory alloy response time by transient heat transfer analysis / S. Huang, M. Leary, T. Ataalla, K. Probst, A. Subic // Materials and Design. - 2012. - № 35. - P. 655-663.
72. Wang, Z. G. Characteristics of two way shape memory TiNi springs driven by electrical current / Z. G. Wang, X. T. Zu, X. D. Feng, S. Zhu, J. W. Bao, L. M. Wang // Materials and Design. - 2004. - № 25 (8). - P. 699-703.
73. Tang, W. Analysis of the influence of cycling on TiNi shape memory alloy properties / W. Tang, R. Sandstrom // Materials and Design. - 1993. - № 14. - P. 103113.
74. Torra, V. Metastable effects on martensitic transformation in SMA Part 8 -temperature effects on cycling / V. Torra, C. Auguet, A. Isalgue, F. C. Lovey, A. Sepulveda, H. Soul // J. Therm. Anal Calorim. - 2010. - № 102. - P. 671-680.
75. Fumagalli, L. SmartFlex NiTi wires for shape memory actuators / L. Fumagalli, F. Butera, A. Coda // J. Mater Eng. Perform. - 2009. - № 18. - P. 691-695.
76. Pieczyska, E. Torsional deformation and fatigue properties of TiNi SMA thin strip for rotary driving element / E. Pieczyska, H. Tobushi, K. Date, K. Miyamoto // J. Solid Mech. Mater Eng. - 2010. - № 4. - P. 1306-1314.
77. Kitamura, K. Fatigue properties of cast TiNi shape-memory alloy brain spatula / K. Kitamura, H. Tobushi, Y. Yoshimi, K. Date, K. Miyamoto // J. Solid Mech. Mater Eng. - 2010. - № 4. - P. 796-805.
78. Tamura, H. Fatigue properties of Ti-Ni shape memory alloy springs / H. Tamura, K. Mitose, Y. Suzuki // J. Phys. IV. - 1995. - № 5. - P. 617-622.
79. Michael, A. D. The effect of stress ageing on the properties of shape memory alloys / A. D. Michael // J. Phys. IV France. - 1995. - № 5. - P. 349-354.
80. Keeley, A. Applications of Shape Memory / A. Keeley, D. Stockel, T. W. Duerig // Materials Science Forum, Trans Tech Publication. - 1990. - P. 679-692.
81. Keeley, A. Actuator and work production devices / A. Keeley, D. Stockel, T. W. Duerig //Engineering Aspects of Shape Memory Alloys. - 1990. - P. 181-194.
82. Hodgson, D. E. Shape memory alloys / D. E. Hodgson, M. H. Wu, R. J. Biermann // ASM International 2. - 1990. - P. 897-902.
83. Liang, C. Design of Shape Memory Alloy Actuators / C. Liang, C. A. Rogers // Journal of Mechanical Design. - 1992. - № 114. - P. 223-230.
84. Elwaleed, A. K. A new concept of a linear smart actuator / A. K. Elwaleed, N. A. Mohamed, M. J. M. Nor, M. M. Mustafa // Sensors and Actuators A: Physical. -2007. - № 135 (1). - P. 244-249.
85. Pittaccio, S. SHADE: A shape-memory-activated device promoting ankle dorsiflexion / S. Pittaccio, S. Viscuso, M. Rossini, L. Magoni, S. Pirovano, E. Villa, S. Besseghini, F. Molteni, // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2009. -№ 18 (5). - P. 824-830.
86. Gummin, M. A. Patent 7256518B2 US. Shape memory alloy actuators: 2007 / M. A. Gummin, W. Donakowski, G. Gaines; USA.
87. Donnellan, Q. A. Design and testing of linear shape memory alloy actuator / Q. A. Donnellan // National Science Foundation - Research Experience for Undergraduates. - 2005. - P. 1-6.
88. Бледнова, Ж. М. Патент на изобретение № RU 2392494 C1 Российская Федерация, МПК F03G 7/06. Термомеханический силопривод: № 2008151795/06: заявл. 25.12.2008: опубл. 20.06.2010 / Ж. М. Бледнова, В. В. Галкин, М. И. Чаевский, И. С. Мышевский, Н. А. Проценко; заявитель ГОУВПО "КубГТУ".
89. Алешин, А. А. Патент на изобретение № RU 2424106 C1 Российская Федерация, МПК B25J 18/02. Манипулятор: № 2010104925/02: заявл. 12.02.2010: опубл. 20.07.2011 / А. А. Алешин, М. Э. Гуляев, М. В. Стрелков, Л. А. Галайко, Н. Г. Гончарова.
90. Огнев, Г. Л. Патент на изобретение № RU 2158343 C1 Российская Федерация, МПК B60J 7/06. Электротермический привод силового элемента: № 99122737/12: заявл. 28.10.1999: опубл. 27.10.2000 / Г. Л. Огнев, В. Ф. Челяев; заявитель Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация" Энергия" им. С. П. Королева.
91. Коледов, В. В. Патент на изобретение № RU 2367573 C1 Российская Федерация, МПК B32B 33/00. Актюатор: № 2007138233/02: заявл. 16.10.2007: опубл. 27.04.2009 / В. В. Коледов, В. В. Ховайло, В. Г. Шавров, А. А. Лебедев, Р. М. Гизатуллин; заявитель Институт радиотехники и электроники Российской академии наук.
92. Blecha, L. Patent № WO 2019/043599 A1, F03G 7/06. Shape memory based actuator: № 2021119568: International Filing Date 29.08.2018: publication 07.03.2019 / L. Blecha, G. Paciotti.
93. Коротких, М.Т. Патент на изобретение № RU 2775658 C1 Российская Федерация, МПК F03G 7/06. Термомеханический силовой привод: № 2021119568: заявл. 05.07.2021: опубл. 06.07.2022 / М. Т. Коротких, Х. Арслан; заявитель СПбПУ.
94. Коротких, М.Т. Патент на изобретение № RU 2796035 C1 Российская Федерация, МПК F03G 7/06. Термомеханический силовой привод: № 2022117173: заявл. 24.06.2022: опубл. 16.05.2023 / М. Т. Коротких, Х. Арслан; заявитель СПбПУ.
95. Arslan, H. Electromechanical clamping device using shape memory materials / H. Arslan, M. T. Korotkih // Lecture Notes in Mechanical Engineering. -2021. - P. 150-158.
96. Арслан, Х. Электромеханические зажимные устройства с применением материалов с памятью формы / Х. Арслан, М. Т. Коротких // Современное машиностроение: Наука и образование. - 2021. - С. 564-577.
97. Стандарт ЦКБА Арматура трубопроводная пружины винтовые цилиндрические методика расчета, 2010. - 75 с.
98. Арслан, Х. Применение электромеханических зажимных устройств с применением материалов с памятью формы в станочных приспособлениях / Х. Арслан, М. Т. Коротких // Металлообработка. - 2022. - № 1 (127). - С. 51-55.
99. Арслан, Х. Зажимные электромеханические устройства с упругим сильфонным элементом с применением материалов с памятью формы / Х. Арслан, М.Т. Коротких // Современное машиностроение: Наука и образование. - 2023. -С. 563-576.
100. Арслан, Х. Расчетное обоснование термомеханических зажимных устройств для станочных приспособлений / Х. Арслан, М. Т. Коротких // Наука и бизнес: пути развития. - 2022. - № 7 (133). - С. 133-137.
101. Арслан, Х. Термомеханические зажимные устройства для станочных приспособлений / Х. Арслан, М. Т. Коротких // Инновационные идеи в машиностроении. - 2022. - С. 99-103.
102. Arslan, H. Optimization method for clamping devices based on shape memory materials / H. Arslan, M. T. Korotkikh // Lecture Notes in Mechanical Engineering. - 2023. - P. 195-202.
103. Арслан, Х. Методика оптимизации зажимных устройств на основе материалов с памятью формы / Х. Арслан, М. Т. Коротких // Современное машиностроение: Наука и образование. - 2022. - С. 385-396.
104. Тайк, А. М. Применение алгоритма перебора для оптимизации топологии беспроводных сетей / А. М. Тайк, С. А. Лупин, Ю. Ф. Вагапов // InternationalJournalofOpenInformationTechnologies. - 2016. - № 4 (9). - С. 80-86.
105. Стенников, В. А. Применение алгоритма перебора деревьев и метода имитации отжига для схемно-структурной оптимизации тепловых сетей / В. А. Стенников, А. А. Чемезов // Программные продукты и системы. - 2018. - № 2 (31). - С. 23-27.
106. Химмельблау, Д. Прикладное нелинейное программирование / Д. Химмельблау. - Издательство «МИР». Москва, 1975. - 536 с.
107. Колоколов, А. А. Разработка алгоритмов для задачи выполнимости и некоторых ее обобщений с использованием перебора 1 -классов / А. А. Колоколов, Д. И. Ягофарова, А. Н. Тюрюмов // Омский научный вестник. - 2006. - С. 57-61.
108. Mohammad, A. Occurrences Algorithm for String Searching Based on Brute-force Algorithm / A. Mohammad, O. Saleh, R. A. Abdeen // Journal of Computer Science. - 2006. - № 2 (1). - P. 82-85.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Компьютерная программа с применением программного обеспечения MATLAB (Упругий элемент - винтовые пружины сжатия)
clear, clc
%afix=input ('Enter afix: ') ;
%Pfix=input ('Enter Pfix:');
%%%%%
afix=[2 2 2] ;
Pfix=[2000 5000 10000];
G=80*10A3;
segmaT=2 0 0;
segma=8 0 0;
Vopt1=zeros(length(afix),length(Pfix)); Dopt1=zeros(length(afix) , length(Pfix)) ; dopt1=zeros(length(afix),length(Pfix)); nopt1=zeros(length(afix),length(Pfix)); L2opt1=zeros(length(afix),length(Pfix));
eopt1=zeros(length(afix),length(Pfix));
%%%%%
for Z=1:length(afix) for J=1:length(Pfix) Dopt=0; dopt=0; nopt=0; L2opt=0; eopt=0; V=0; i=1;
Pmax=Pfix(J)/(1-((segmaT/segma)*1.2)); for e=3:0.05:12 Ta=960;
kw=((4*e-1)/(4*e-4))+(0.615/e); D=sqrt( (8*kw*Pmax*eA3)/(pi*Ta) ) ; d=D/e;
if d>=13
Ta=800;
D=sqrt((8*kw*Pmax*eA3)/(pi*Ta)); d=D/e;
end
k2=1+(1/(2*e) )-(1/ (2*eA2) );
c=(G*dA4)/(8*DA3*k2) ;
t=d+(Pmax/c);
L=t-d;
a=0.05*L;
n=afix(Z)/a;
L2=(d+a)*n;
Dopt(i)=D;
dopt(i)=d;
nopt(i)=n;
L2opt(i)=L2;
eopt(i)=e;
i=i+1;
end
for j=1:i-1
V(j)=((pi*((Dopt(j)+dopt(j))A2))/4)*L2opt(j);
end
>-> >-> >-> >-> >->
%%%%%
a=find(V==min(V));
end
end
Voptl
Pfix
afix
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.