Термомеханічний пристрій для одержання переміщень робочого штока

Реферат: Термомеханічний пристрій для одержання переміщень робочого штока являє собою вертикально розташований порожнистий циліндр, у якому розміщені нагрівач та активна частина пристрою. Активна частина виконана у вигляді послідовно надітих на вертикально встановлений циліндричний нагрівач термомеханічних елементів. Термомеханічний елемент являє собою пару жорстко закріплених по зовнішньому колу на протилежних торцевих поверхнях кільцевої металевої обичайки однакових металевих дисків. Коефіцієнт лінійного розширення металу, з якого виготовлені диски, більший, ніж коефіцієнт лінійного розширення металу, з якого виготовлена обичайка. Діаметр центрального отвору дисків забезпечує можливість вільного пересування термомеханічних елементів вздовж нагрівача. Робочий шток, нижня частина якого зв'язана з нагрівачем, жорстко закріплений на верхньому диску останньої знизу обичайки. Технічним результатом є досягнення великих переміщень робочого штока з використанням розробленого тепломеханічного перетворювача та використання розробленого пристрою для проведення деформування зразків та пресування порошків. UA 108245 C2 (12) UA 108245 C2 UA 108245 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв для перетворення теплової енергії в механічну роботу й може бути використаний для приведення в дію й керування всілякими приводами на основі термочутливих елементів. Відомий пристрій для визначення механічних характеристик твердих матеріалів [1], що містить тепломеханічний перетворювач, який являє собою порожнистий циліндр із нагрівачем на його зовнішній поверхні у вигляді спіралі. За допомогою нагрівача змінюють температуру деформуючого елемента, забезпечуючи при цьому теплову деформацію. До недоліків такого пристрою варто віднести малий робочий хід захватів і його громіздкість. Відомий пристрій для випробування на міцність зразка матеріалу [2], у якому тепломеханічний перетворювач, виконаний у вигляді набору встановлених коаксіально з можливістю осьового переміщення одного відносного іншого стаканів і циліндрів, які установлені у порожнині кожного стакана і виконані з матеріалу з коефіцієнтом термічного розширення більшим коефіцієнта термічного розширення відповідного стакана. Торець стакана виконаний з відбортуванням. Внаслідок термічного розширення циліндр видовжується. Оскільки на циліндр опирається бортиком стакан, то він піднімає своїм внутрішнім бортиком наступну пару циліндрів. Завдяки послідовному зачепленню всіх циліндрів, здатних вільно переміщатися один щодо іншого, загальне видовження буде пропорційно кількості пар привода. Недоліками такого пристрою є велика енергозатратність і конструкційна складність, яка пов'язана з необхідністю прогріву коаксіально вкладених пар привода. Найбільш близьким по технічній суті до запропонованого є термомеханічний перетворювач [3], що містить нагрівач та активну частину з термомеханічним елементом, виконаним з двох різних за коефіцієнтами теплового розширення металів, Найближчий аналог [3] виконаний у вигляді біметалічної пластини, нагрівання якої призводить до її вигину. Останнє призводить до переміщення привода, зв'язаного шарнірами й важелями першого й другого роду із краями біметалічної пластини, центральна частина якої закріплена на базу. Недоліком цього термомеханічного перетворювача [3] є конструктивна складність і невелика жорсткість через використання шарнірів і важелів. Задачею винаходу є створення простого, жорсткого і нетрудомісткого у виготовленні термомеханічного пристрою, що дозволяє одержувати великі переміщення робочого штока. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої, вибраному за найближчий аналог, який містить нагрівач та активну частину з термомеханічним елементом, виконаним з двох різних за коефіцієнтами теплового розширення металів, згідно з винаходом, активна частина виконана у вигляді послідовно надітих на вертикально встановлений циліндричний нагрівач термомеханічних елементів, кожний з яких являє собою пару жорстко закріплених по зовнішньому колу на протилежних торцевих поверхнях кільцевої металевої обичайки однакових металевих дисків, виготовлених з металу, коефіцієнт лінійного розширення якого більший за коефіцієнт лінійного розширення металу, з якого виготовлена обичайка, а діаметр центрального отвору дисків забезпечує можливість вільного пересування термомеханічних елементів вздовж нагрівача, причому робочий шток, нижня частина якого зв'язана з нагрівачем, жорстко закріплений на верхньому диску останньої знизу обичайки, Найкраще, коли нагрівач виконаний у вигляді трубки з нагрівальною спіраллю всередині. Для забезпечення нагрівання усіх термомеханічних елементів в процесі переміщення штока з нагрівачем довжина нагрівача дорівнює l=nd+Δl, де d - товщина термомеханічних елементів, n - кількість термомеханічних елементів, Δl - максимальне переміщення робочого штока. Як варіант, зовнішні діаметри обичайки та диска виконані однаковими. Термомеханічні елементи встановлені у корпусі, який являє собою вертикально розташований порожнистий циліндр, з можливістю їх вільного вертикального пересування. Суть винаходу полягає в тому, що при нагріванні термомеханічних елементів у вигляді дисків, жорстко пов'язаних з обичайкою, виконаної у вигляді кільця, коефіцієнт теплового розширення якого нижче, ніж аналогічна характеристика для диска, відбувається вигин дисків, що приводить до лінійного переміщення робочого штока, жорстко пов'язаного з верхнім диском останнього знизу термомеханічного елемента. Величина переміщення залежить від кількості використовуваних термомеханічних елементів. Експериментально встановлено, що при використанні одного деформуючого елемента при його нагріванні до 100 °C величина максимального переміщення Δl становить 5 мм. При використані чотирьох елементів (фіг. 1, 2) величина максимального переміщення Δl становіггь 5 1 UA 108245 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 × 4=20 мм. При використанні n - деформуючих елементів величина максимального переміщення Δl становить 5×4=20 мм. Креслення (фіг. 1-5) ілюструють приклади практичного втілення запропонованого винаходу. На фіг. 1 схематично поданий вигляд запропонованого пристрою, що має п'ять активних елементів, перед нагріванням, а на фіг. 2 - вигляд того ж пристрою після нагрівання. До обичайки, виконаної у вигляді кільця 1, жорстко закріплені із двох сторін по колу два диски 2, виготовлені з матеріал, коефіцієнт теплового розширення якого вище, ніж коефіцієнт теплового розширення обичайки. Отримані в такий спосіб термомеханічні елементи щільно укладені в корпус 5, виконаний у вигляді порожнистого циліндра з опорним дном і верхньою кришкою. Кожний диск має центральний отвір, у який вставляють нагрівач 3 з можливістю вільного переміщення його уздовж осі дисків. При такому способі розміщення нагрівача тепло в першу чергу поглинається основними елементами термомеханічного пристрою - дисками. Робочий шток 4 жорстко закріплений до верхнього диска останнього знизу термомеханічного елемента і з'єднаний з нагрівачем. У зв'язку із великими переміщеннями робочого штока нагрівач підбирають такої довжини, щоб у процесі переміщення робочого штока всі диски перебували в зоні нагрівання. При нагріванні всіх дисків термомеханічних елементів відбувається їхнє теплове розширення, що приводить до вигину дисків через жорсткий зв'язок з обичайкою, яка має менший коефіцієнт теплового розширення, що в остаточному підсумку приводить до переміщення робочого штока до упору його у верхню кришку. На фіг. 3 наведений вигляд конструкції із чотирьох активних елементів, обичайки яких виконані з титану, а диски - з нержавіючої сталі Х18Н10Т перед нагріванням, а на фіг. 4 - після нагрівання. Нагрівання внутрішньої частини дисків на 100 °C протягом 3 хвилин приводить до переміщення робочого штока приблизно на 20 мм. На фіг. 5, як приклад реалізації запропоновано винаходу, зображений спеціально розроблений і виготовлений діючий макет термомеханічного пристрою для одержання великих переміщень робочого штока. Конструкція наведеного пристрою (фіг. 5) містить 20 термомеханічних елементів, обичайки яких виконані з титану. Діаметр кожної обичайки - 100 мм, товщина - 5 мм. Диски були виготовлені з нержавіючої сталі Х18Н10Т. Діаметр дисків - 100 мм, товщина - 1 мм. Діаметр отвору під розміщення нагрівача становить 10 мм. Довжина нагрівача, виконаного із кварцової трубки діаметром 9,5 мм з ніхромовою спіраллю всередині, становить приблизно 200 мм. Потужність нагрівача становить 200 Вт. Максимальне переміщення робочого штока при нагріванні дисків, розміщених в обичайці, на 100-120 C становить приблизно 100 мм. Зусилля, яке при переміщенні розвиває робочий шток, дорівнює приблизно 50 кг. Збільшення зусилля можна досягти за рахунок збільшення товщини дисків та заміни матеріалу, з якого виготовляються диски. Джерела інформації: 1. Устройство для определения механических характеристик твердых материалов. - А.С. SU № 1350535, G01N3/08, опубл. 08.07.1987. 2. Устройство для испытания на прочность образца материала. - А.С. SU № 1728715, G01N3/18, опубл. 22.12.1991. 3. Термобиметаллический привод Б.Ф. Кочеткова. - Пат. RU № 2032835, F03G 7/06, опубл. 10.04.1995. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Термомеханічний пристрій для одержання переміщень робочого штока, що містить нагрівач та активну частину з термомеханічним елементом, виконаним з двох різних за коефіцієнтами теплового розширення металів, який відрізняється тим, що активна частина виконана у вигляді послідовно надітих на вертикально встановлений циліндричний нагрівач термомеханічних елементів з довжиною l, при цьому l=nd+l, де d - товщина термомеханічних елементів, n - кількість термомеханічних елементів, l - максимальне переміщення робочого штока, кожен з термомеханічних елементів являє собою пару жорстко закріплених по зовнішньому колу на протилежних торцевих поверхнях кільцевої металевої обичайки однакових металевих дисків, виготовлених з металу, коефіцієнт лінійного розширення якого більший за коефіцієнт лінійного розширення металу, з якого виготовлена обичайка, а діаметр центрального отвору дисків забезпечує можливість вільного пересування термомеханічних елементів вздовж нагрівача, причому робочий шток, нижня 2 UA 108245 C2 5 10 частина якого зв'язана з нагрівачем, жорстко закріплений на верхньому диску останньої знизу обичайки. 2. Термомеханічний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що нагрівач виконаний у вигляді трубки з нагрівальною спіраллю всередині. 3. Термомеханічний пристрій за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що зовнішні діаметри обичайки та диска виконані однаковими. 4. Термомеханічний пристрій за будь-яким із пп. 1-4, який відрізняється тим, що термомеханічні елементи встановлені у корпусі, виконаному у вигляді вертикально розташованого порожнистого циліндра з опорним дном і верхньою кришкою, з можливістю вільного переміщення термомеханічних елементів і штока з нагрівачем. 3 UA 108245 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4