Файл: Коллеров М.Ю. Функциональные материалы (пособие).pdf

136 
 

Рисунок 6.7. Метод  сборки  соединителя  из  МПФ: 1 – изготовление  щели; 

2 – разгибание  торцовой  части; 3 – надевание  кольца  из  сплава  с  эффектом  запоминания 
формы; 4 – деталь в собранном виде [13, стр. 168].

6.3. Термосиловые исполнительные элементы 

Они используются в различных конструкциях, которые при естественном 

или принудительном изменении температуры выполняют определенную работу 

восстановления  формы.  Такие  силовые  элементы  могут  быть  как  однократно, 

так и многократно срабатывающими. По температурам срабатывания материал 

термосиловых 

элементов 

должен 

относится 

к 

средне- 

или 

высокотемпературным.  

Примером могут служить датчики термостатов, которые в зависимости от 

температуры  открывают  или  закрывают  протоки  с  горячим  или  холодным 

воздухом  (водой,  топливом  и  т.п.).  Материал  таких  элементов  должен  иметь 

обратимый,  двухпутевой  эффект  памяти  формы.  Однако  величина  такого 

эффекта  даже  в  лучших  с  этой  точки  зрения  материалах,  как  правило,  не 

превышает 1,5%. Поэтому  целесообразнее  использовать  элемент  смещения – 

т.е.  элемент  из  конструкционного  материала  (титан,  сталь,  полимер  и  др.), 

который  в  сочетании  с  элементом  из  МПФ  создает  конструкцию,  обратимо 

меняющую свою форму при термоциклировании через интервал мартенситного 

превращения. 

Самым  простым  примером  такой  конструкцию  может  служить  пружина 

из  МПФ,  которая  одним  концом  прикреплена  к  опоре,  а  к  другому  концу 

подвешен груз, выполняющий роль элемента смещения. При охлаждении ниже 

М

Н

 груз растягивает пружину, а при нагреве выше А

Н

 пружина поднимает груз 

(рисунок 6.8 а). В результате этого конструкция обратимо меняет свою форму 

при  термоциклировании  через  интервал  мартенситных  превращений  и  может 

выполнять полезную работу. 

Такого типа устройства уже используются в кондиционерах, термостатах 

спортивных  автомобилей,  в  различных  ювелирных  изделиях  и  игрушках.  В 

137 
 

последне

пружино

бабочки,

Ма

как  вы

деформа

такого 

восстано

химическ

Рис
а) 

1 – упру
деформаци

б) д

Так

термосил

геометри

к  проек

примере

термосил

10

20С 

менее  10

расчета 

элемент.

ем  случа

ой или по

, а при ох

атериал д

сокими 

ацией, что

материал

овления 

кого сост

сунок 6.8. П

груз,  подв

угая  дефор

ии при охл

декоративн

к 

как 

ловые  эл

ии и техн

ктировани

. Предпол

ловой  эл

относит

000  кН  и

необходи

  Величин

ае,  напри

лимером 

хлаждении

для термос

реактивн

о обеспеч

ла  долже

формы. 

тава сплав

а) 

Примеры и
вешенный 
рмация  пр

лаждении); 
ный элемен

возмож

ементы, 

нологии п

ию  силов

ложим, н

лемент  (р

тельно  но

и  соверши

имо  опред

на  работы

имер,  эле

при нагр

и складыв

силовых и

ными  на

чивается п

ен  быть 

Это  об

ва и режи

использован

на  пружи

ружины  по

нт – бабочк

жных 

в

очень  мн

рименени

вых  элем

еобходим

рабочее  т

ормально

ить  перем

делить  ра

ы  зависит

емент  из 

реве распр

вает их (р

исполнит

апряжени

полигони

строго 

беспечива

имов его т

ния МПФ в

ине  из  МП

од  действи

ка. 

вариантов

ного,  то  у

ия не сущ

ментов  м

мо разраб

тело  дом

й  темпер

мещение 

аботу,  ко

т  от  перем

МПФ,  с

равляет л

рис. 6.8 б)

тельных э

иями,  та

изационны

выдерж

ается  со

термомеха

в различны

ПФ (0 – и

ием  груза

в 

конст

универсал

ществует. 

можно  р

ботать мн

мкрата), 

ратуры  д

не  менее

оторую  до

мещения 

соединенн

епестки ц

). 

элементов

ак  и  во

ым отжиг

жан  инте

ответству

анической

б) 

ых устройст

исходное  с

, 2 – нак

трукции, 

льных  ме

Общие п

рассмотре

огократно

который 

должен  ра

е 10 мм. 

олжен  вы

и  закона

ный  со 

цветка ил

в должен 

осстанавл

гом. Кром

ервал  тем

ующим 

й обработ

твах:  

состояние 

копление 

испол

етодов  ра

принципы

еть  на  у

о срабаты

при  на

азвить  ус

На  перв

ыполнить

а  изменен

стальной

ли крылья

обладать

ливаемой

ме того у

мператур

выбором

тки. 

пружины,

обратимой

ьзующих

асчета  их

ы подхода

условном

ывающий

греве  на

силие  не

вом  этапе

силовой

ния  силы.

й 

я 

ь 

й 

у 

р 

м 

,  

й 

х 

х 

а 

м 

й 

а 

е 

е 

й 

. 

138 
 

Если  си

постоянн

где

Рис

с  постоян

ила  в  про

ной массы

е Р – сила

сунок 6.9. С

нной  силой

оцессе  п

ы (рис. 6.9

А=Р



а, действу

Схемы для

й  (а),  с  п

еремещен

9 а), то ра

l   [Дж],

ующая на 

я определен

остоянной 

ния  не  м

абота (А) 

элемент 

ния работы

жесткость

меняется,

равна:  

(Н); 

l –

ы элемента

ью  против

наприме

            (3

перемеще

из МПФ п

водействия

ер,  подъ

39), 

ение (м). 

при против

я  (б),  с  пе

ем  груза

водействии

еременным

а 

и 

м 

139 
 

противодействием (в): 1 – элемент из МПФ в исходном состоянии; 2 – после срабатывания; 
[17, стр. 103] 

В  этом  случае,  если  внешнее  противодействие  возрастает  линейно  по 

мере перемещения элемента, то: 

2

∆l

P

A





   [Дж].                                           (40) 

В  общем  случае,  когда  сила  меняется  при  перемещении  по  сложному 

закону, работу можно определить как: 





∆l

0

P(l)dl

A

   [Дж],                                        (41) 

где  Р(l) – изменение  силы,  действующей  на  элемент  в  зависимости  от 

перемещения. 

В нашем примере примем, что сила противодействия возрастает линейно, 

достигая максимальной величины в конце перемещения. Таким образом: 

Дж

10

5

2

м

0,01

H

10

1

2

∆l

P

A

3

6















. 

Следующий  этап – выбор  материала  и  определение  его  минимального 

объема  для  изготовления  силового  элемента.  Если  разрабатываемая 

конструкция  предполагает  эксплуатацию  в  атмосферных  условиях  и 

предназначена  для  многократного  срабатывания,  то  лучше  всего  подходят 

среднетемпературные  сплавы  на  основе  никелида  титана  ТН1  или  ТНМ3. 

Удельная  работа  восстановления  формы  (а

В

)  этих  сплавов  достигает  

5  МДж/м

3 

при  растяжении  и  сжатии  и  реактивных  напряжениях  



Р

 = 200 МПа, 



1

КР 

= 6%. Минимальный  объем (V) этого  материала, 

необходимый для совершения требуемой работы: 

3

3

3

6

3

В

м

10

1

м

 / 

Дж

10

5

Дж

10

5

A

V















a

. 

140 
 

Зная  максимальное  усилие,  которое  должен  совершать  элемент,  можно 

рассчитать площадь его поперечного сечения и длину: 

2

3

6

5

P

м

10

5

Па

10

200

H

10

1

σ

P

S















; 

м

0,2

10

5

10

1

S

V

l

3

3















. 

Сжатие  элемента  такой  длины  на 10 мм  соответствует  степени 

деформации 5%, что меньше критической для выбранного материала. 

Проектируемый  силовой  элемент  можно  представить  в  виде  цилиндра 

длиной 0,2 м.  

Диаметр цилиндра будет равен: 

м

0,08

3,14

м

10

5

4

π

S

4

D

2

3















. 

Соотношение 

2,5

м

0,08

м

0,2

D

l





  слишком  велико  для  деформации  сжатием 

такого  цилиндра – может  произойти  потеря  устойчивости.  Поэтому 

целесообразно  силовой  элемент  изготовить  в  виде  полого  цилиндра,  внешний 

диаметр  которого  D

1

  соответствует  оптимальному  соотношению  длины  и 

диаметра при деформации осадкой (1,5):  

м

0,13

1,5

м

0,2

1,5

l

D

1







. 

Внутренний  диаметр  полого  цилиндра (d

1

)  вычисляется,  исходя  из 

требуемого поперечного сечения силового элемента. 

м

0,1

0,0064

0,0169

π

4S

D

d

2

1

1











. 

Таким образом, в первом приближении термосиловой элемент из сплава 

на  основе  никелида  титана  для  обеспечения  требуемых  условий  может  быть 

выполнен в виде полого цилиндра (трубы) длиной 20 см с внешним диаметром