ВУЗ: Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Материаловедение
Добавлен: 18.02.2019
Просмотров: 8548
Скачиваний: 117
146
6.6. Тепловые двигатели
По принципу механического действия тепловые двигатели на основе
МПФ можно разделить на три основные группы: 1) двигатели с кривошипно-
шатунным механизмом; 2) турбодвигатели; 3) гравитационные двигатели.
Принцип действия двигателей с кривошипно-шатунным механизмом
такой же, как и обычных бензиновых и дизельных двигателей. Элемент из
МПФ устанавливается между колесом, имеющим центральный вал, и
кривошипным валом, причем оси колеса и вала смещены относительно друг
друга. Удлинение и сокращение элемента из МПФ в зависимости от
температуры действуют так же, как возвратно-поступательное движение
поршня в обычных двигателях и вызывают вращение колеса.
Схема такого двигателя показана на рисунке 6.16 [13]. В качестве
силового элемента с ЭПФ применяются спирали или стержни из сплава TiNi.
Силовой элемент в деформированном состоянии (спираль – сжата, а стержень –
изогнут в форме буквы U) помещен между кривошипным валом, вращающимся
вокруг фиксированной оси и приводным шкивом, вращающимся вокруг
смещенной относительно кривошипного вала оси. При попадании в резервуар с
горячей водой (например, нагретой с помощью солнечной энергии) силовой
элемент восстанавливает свою исходную форму, что приводит к повороту
шкива. После выхода из резервуара с нагретой водой силовой элемент
охлаждается (достаточно разности температур горячей и холодной сред 3-4
) и
под действием избыточной силы вновь деформируется. При дальнейшем
повороте шкива силовой элемент снова перемещается в резервуар с горячей
водой и опять восстанавливает свою форму. В результате происходит
непрерывное вращение. При этом частота вращения может достигать 60-80
об/мин, а мощность более 0,2 Вт.
В турбинных двигателях мощность возникает в результате механического
соединения валов, на которых с помощью элементов из МПФ образуются
крутящие моменты (рисунок 6.17) [13]. Рабочим элементом спираль из сплава
TiNi, которая образует непрерывную петлю и проходит через резервуары с
147
горячей
воздейст
стороны
холодной
диффере
вращени
Вт.
Рис
кривошип
1 – спира
3 – подши
[13, стр. 1
В д
груза с п
под дейс
особенно
использу
изготовл
и холод
твует на д
резерву
й водой п
енциально
ия таких д
сунок 6.16.
пно-шатунн
аль из МПФ
ипник; 4 –
76].
двигателя
помощью
ствием си
о высоки
уют для д
ления игру
дной водо
дифферен
уара с го
приводит
ом шкив
двигателе
. Двигател
ным механи
Ф; 2 – гор
– фиксиров
ях гравит
ю возбужд
илы тяже
ий, однако
демонстр
ушек.
ой и диф
нциальный
орячей во
к вращен
ве обусл
ей может
ь Гинеля с
измом:
рячая вода;
ванные оси
тационног
даемой си
ести груза
о констру
ации при
фференци
й шкив в
одой. Уд
нию шкив
лавливает
т достичь
с
;
и
Р
Джонсон
2 – выхо
МПФ; 4
5 – резер
го типа (р
илы элем
а [13]. Те
укция дв
инципа де
иальный
в результа
длинение
ва. Разно
т мощно
700 об/м
Рисунок 6.1
на: 1 – диф
одной вал;
4 – резервуа
рвуар с гор
рисунок 6
мента из М
епловой к
игателей
ействия т
шкив. К
ате сокращ
спирали
сть крутя
ость дви
мин, при
17. Турбинн
фференциал
3 – непрер
ар с холодн
рячей водой
6.18) изм
МПФ и с
к.п.д. так
проста, п
тепловых
Крутящий
щения сп
и в резер
ящих мом
игателя.
мощност
ный двигат
льный шки
рывная петл
ной водой;
й [13, стр.
меняют по
создают м
ких двига
поэтому
двигател
й момент
пирали со
рвуаре с
ментов на
Частота
ти 0,4-0,5
тель
ив;
ля из
177].
оложение
мощность
ателей не
их часто
лей и для
т
о
с
а
а
5
е
ь
е
о
я
148
Рис
3 – пружи
Эт
МПФ [35
титана, к
инертнос
возможн
имплант
токсичны
нержавею
исследов
значимог
представ
прочно
ограниче
твердого
решетке
никелида
анатаза,
необходи
однородн
сунок 6.18
ина смещен
о наибол
5 - 37]. В
которые о
стью. О
ности ис
атов, так
ым элеме
ющей ста
вания пок
го выхода
вляет собо
связаны
ена. В нер
о раствор
и выхо
а титана
препятст
имо пом
ных по
8. Гравита
ния; 4 – гор
6.7. Ме
лее востр
В первую
обладают
Очень дл
спользова
как в не
ентом и вы
али, содер
казали, чт
а ионов н
ой интерм
между
ржавеющ
ра и до
одит за п
самопас
твующей
мнить, ч
составу
ационный
рячая вода
едицинск
ребованна
очередь э
высокой
лительны
ания ни
м присут
ызывает а
ржащей в
то нитино
никеля не
металлид
собой, и
щих сталя
остаточно
пределы
ссивирую
коррозии
что выс
сплавов,
двигатель
[13, стр. 17
кие импла
ая в наст
это относ
й коррози
ый перио
икелида
тствует бо
аллергию
всего окол
ол биоло
происход
дное соед
и их ди
ях никель
о легко
имплант
ются плот
и и дифф
сокая би
не подв
ь: 1 – сп
78].
антаты и
тоящее в
сится к сп
онной сто
од врем
титана
олее 50%
ю, как нап
ло 8 % ни
гически и
дит. Дело
инение, г
иффузион
входит в
перемещ
тата. Кро
тной пле
фузии чер
иосовмест
вергаемых
пираль из
и инструм
ремя обл
плавам на
ойкостью
мени бы
в каче
никеля,
пример, пр
икеля. Но
инертен,
о в том, чт
где атомы
нная подв
в состав н
ается в
оме того
нкой TiO
рез себя и
тимость
х в орга
з МПФ; 2
мент
ласть при
а основе н
ю и биоло
ыли сомн
естве м
который
при испол
о многочи
и скольк
то никели
ы никеля
вижность
неупоряд
кристалл
о, имплан
O
2
со стр
ионов ни
характер
анизме и
2 – груз;
именения
никелида
огической
нения в
материала
является
льзовании
исленные
ко-нибудь
ид титана
и титана
ь сильно
оченного
лической
нтаты из
руктурой
икеля. Но
рна для
зносу от
;
я
а
й
в
а
я
и
е
ь
а
а
о
о
й
з
й
о
я
т
149
контакта с другими материалами. Поэтому очень важно соблюдение
технологии производства сплава и правил проектирования конструкции
имплантата и его использования в медицинской практике. К сожалению это не
всегда соблюдается, и часто применяются имплантаты из никелида титана,
полученные самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, в
котором очень высока неоднородность химического состава (помимо никелида
титана в материале может присутствовать и чистый никель). Контакт
имплантата из никелида титана с нержавеющей сталью или кобальтовым
сплавом, приводящий к образованию гальванической пары и интенсивной
коррозии, также не допустим. В настоящее время производятся работы по
снижению этих негативных явлений, например, с помощью защитных
покрытий имплантатов и других видов обработки их поверхности.
Важной особенностью применения МПФ в медицине является его
сверхупругое поведение при температуре тела человека. В таком состоянии
имплантат способен к значительным изменениям своей формы под действием
функциональной нагрузки. При этом жесткость имплантата (отношение
действующей нагрузки к удлинению или сокращению имплантата) близка к
жесткости биологических тканей (кости, хряща, связок), которые имплантат
замещает или укрепляет (рисунок 6.19). Это очень важный показатель
механической совместимости МПФ и материалов тканей [37, 38], и выгодно их
отличает от конструкционных сплавов (сталей, кобальтовых и титановых
сплавов).
150.png)
150
Рис
имплантат
нагрузки-р
никелида
Кр
деформа
превыше
В
инструме
эндоваск
помещаю
или друг
Конструк
сверхупр
конструк
расширя
восстана
литоэкст
(рисунок
ловушку
удаляют
а)
сунок 6.19
тов из МП
разгрузки п
титана.
роме того
ационной
ении упру
настояще
енты и и
кулярной
ют в кате
гой полы
кцию из
ругости с
кций мог
ют обл
авливают
трактор, с
к 6.20в). Д
у в виде с
из орган
9. Сравнен
ПФ
(механи
при 37°С (
о сплавы
циклост
угой дефо
ее время
имплантат
хирурги
етер мало
ый орган
никелида
стремитьс
гут служ
ласть со
кровото
с помощь
Для этого
сетки, в к
низма. Эф
ние механ
ическая сов
б) биологи
ы на осн
ойкостью
ормации (
я из ник
ты [39 -
ии. В э
ого диаме
доставля
а титана
ся приоб
жить стен
осуда пе
ок (рису
ью которо
после пр
которую
ффективн
нического
вместимос
ических стр
нове ник
ю, позвол
(до 1,5%)
келида ти
52]. Особ
этом слу
етра и с п
ют к мес
выталкив
брести ис
нты, име
ерекрыто
унок 6.2
ого удаля
рохождени
при выве
но исполь
б)
поведения
ть): механ
руктур и ф
келида т
ляющей и
в течени
итана изг
бенно ши
учае имп
помощью
сту хирур
вают в по
сходную
еющие ф
го скле
20а). Ан
яют камн
ия катете
едении ка
ьзуется п
я биологи
ические св
иксаторов
титана об
им эксплу
е 10
6
10
8
готавлива
ироко они
плантат
ю эндоско
ргическог
олый орга
форму.
форму ци
еротическ
алогично
ни из моч
ром камн
атетера п
роволочн
ических ст
войства (а)
различной
бладают
луатирова
8
циклов.
ают свер
и исполь
или ин
опа через
го вмеша
ан, где он
Примеро
илиндра,
кой бляш
о функци
четочника
ня из него
попадает
ные элеме
труктур и
) и кривые
й формы из
высокой
аться при
хупругие
ьзуются в
струмент
артерию
ательства.
н за счет
ом таких
которые
шкой и
ионирует
а и почек
о выводят
камень и
енты для
и
е
з
й
и
е
в
т
ю
.
т
х
е
и
т
к
т
и
я