Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы, посвященной расчету и проектированию актюаторов дискретного действия 13
1.1. Термобиметаллические элементы 15
1.2. Применение актюаторов дискретного действия в конструкциях современных технических устройств 18
1.3. Особенности расчета и проектирования актюаторов с дискретной рабочей характеристикой 27
1.4. Выводы по первой главе 38
Глава 2. Математическая модель для описания процесса нелинейного деформирования актюатора дискретного действия 40
2.1. Осесимметричные актюаторы 40
2.2. Актюаторы сложной формы 48
2.3. Выводы по второй главе 55
Глава 3. Алгоритм численного анализа и синтеза актюаторов дискретного действия и его программная реализация 57
3.1. Алгоритм численного анализа осесимметричных актюаторов 58
3.2. Программная реализация алгоритма численного анализа
осесимметричных актюаторов 64
3.3. Использование программного комплекса ANSYS 14.5 для анализа актюаторов сложной формы 69
3.4. Алгоритм синтеза осесимметричных актюаторов 72
3.5. Программная реализация алгоритма синтеза осесимметричных актюаторов 74 Стр.
3.6. Синтез актюаторов сложной формы 78
3.7. Многокритериальный синтез 87
3.8. Выводы по третьей главе 90
Глава 4. Проверка достоверности численных результатов. исследование влияния основных параметров актюаторов на их рабочие характеристики 92
4.1. Куполообразные актюаторы 92
4.1.1. Проверка достоверности численных результатов на примере куполообразного актюатора 92
4.1.2. Исследование влияния основных параметров куполообразного актюатора на его рабочую характеристику 99
4.1.3. Решение задачи синтеза однопараметрического актюатора 105
4.1.4. Решение задачи синтеза многопараметрического актюатора 106
4.1.5. Решение задачи многокритериальной оптимизации 109
4.2. Гофрированные мембраны 111
4.2.1. Проверка достоверности численных результатов 112
4.2.2. Анализ гофрированных мембран 114
4.2.3. Исследование влияния основных параметров гофрированной мембраны на ее рабочую характеристику 116
4.2.4. Решение задачи синтеза многопараметрической гофрированной мембраны 118
4.3. Выводы по четвертой главе 120
Глава 5. Расчет существующих и перспективных конструкций термобиметаллических актюаторов сложной формы, используемых в современных мехатронных устройствах 122 Стр.
5.1. Анализ существующих конструкций актюаторов 123
5.2. Анализ перспективных конструкций актюаторов 130
5.3. Решение задачи синтеза актюатора с язычком 134
5.4. Выводы по пятой главе 136
Основные выводы 137
Список литературы
- Особенности расчета и проектирования актюаторов с дискретной рабочей характеристикой
- Актюаторы сложной формы
- Использование программного комплекса ANSYS 14.5 для анализа актюаторов сложной формы
- Проверка достоверности численных результатов на примере куполообразного актюатора
Введение к работе
Актуальность темы. Актюаторы дискретного действия активно используются в современных технических устройствах: в качестве предохранителей, переключателей и термореле для защиты от перегрузки электроизделий промышленного назначения и бытовой техники, в микро-электро-механических системах (МЭМС) и микро-опто-электро-механических системах (МОЭМС).
Известные аналитические методики для анализа тонкостенных оболочечных конструкций не позволяют в полной мере и с требуемой точностью учесть все особенности процесса нелинейного деформирования современных биметаллических актюаторов, а также аналогичных исполнительных элементов, изготовленных из неметаллических материалов. Оказывается недостаточным исследовать процесс деформирования только в докритической области или рассматривать задачу в линейной постановке. Процесс деформирования исполнительных элементов и биметаллических актюаторов новых конструкций является существенно нелинейным, зависящим от многих параметров, поэтому решение, как правило, оказывается многозначным и чувствительным к малым возмущениям. Процесс расчета и проектирования подобных элементов требует создания уточненных методик с использованием подходов многокритериальной оптимизации. Необходимо совершить переход от решения задач анализа к решению задач синтеза рациональных конструкций.
Использование для численного решения данного класса прикладных задач современных конечно-элементных комплексов (ANSYS, Abaqus и т.п.) связано со значительным временем счета на ЭВМ и, по сути, является не совсем пригодным для решения задач синтеза. В ряде случаев использовании МКЭ трудозатратно и нерационально, поскольку требует многократного перестроения сетки при варьировании геометрических параметров конструкции.
Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью решения важной прикладной научно-технической задачи, посвященной расчету и проектированию актюаторов дискретного действия, применяемых в конструкциях электротехнических устройств, улучшением их качества и потребительских свойств.
Цель и задачи работы: разработка методики расчета и проектирования сложного многопараметрического процесса нелинейного деформирования актюаторов дискретного действия.
і
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
-
Критический анализ и обобщение существующих подходов с целью выбора рациональных расчетных моделей актюаторов дискретного действия.
-
Разработка алгоритма нелинейного анализа и синтеза конструкций исполнительных элементов на основе выбранных расчетных моделей.
-
Создание численной методики на основе возможностей существующих прикладных программных комплексов и авторских программ для реализации алгоритма расчета исполнительных элементов.
-
Проверка достоверности и тестирование результатов работы программы, их сопоставление с результатами, полученными с помощью программного комплекса «ANSYS», результатами решения тестовых задач и результатами эксперимента.
-
Реализация разработанной методики для решения практических задач создания новых и улучшения существующих конструкций актюаторов дискретного действия.
Методы исследования. Для анализа процесса нелинейного деформирования актюаторов использовались классические модели нелинейной теории тонкостенных конструкций. Задача сводилась к краевой задаче для системы нелинейных дифференциальных уравнений и системе нелинейных алгебраических уравнений высокого порядка, зависящих от нескольких параметров. Для анализа осесимметричных актюаторов дискретного действия применялся метод продолжения по параметру (Валишвили Н.В.), для синтеза осесимметричных актюаторов применялся метод смены подпространства управляющих параметров в сочетании с многопараметрическим подходом (Гаврюшин С.С). Проектирование актюаторов сложной формы осуществлялось с помощью метода конечных элементов (Зенкевич О., Бате К.Ю., Новожилов В.В.) и эволюционного алгоритма (Сторн Р., Прайс К.). Данные методы реализованы в авторских программах «Актюатор 1.0», «Актюатор 2.0», ANSYS, Abaqus, Matlab, pSeven.
Научная новизна. Диссертация является законченной оригинальной научно-исследовательской работой, содержащей решение прикладной технической задачи, имеющей важное народно-хозяйственное значение. На защиту выносятся следующие положения диссертации, обладающие элементами научной новизны: 1. Создана численная методика синтеза актюаторов дискретного
действия, позволяющая совершенствовать существующие и создавать
новые конструкции мехатронных устройств;
-
Предложен алгоритм, реализующий плавный переход между подпространствами параметров при движении по поверхности равновесных состояний;
-
Разработан комплексный подход, позволяющий определять рациональные параметры актюаторов для реализации дискретного срабатывания с использованием авторских программ и существующих прикладных программных комплексов;
-
Получены результаты, проясняющие влияние различных параметров на процесс нелинейного деформирования актюаторов дискретного действия;
-
Созданы новые конструкции актюаторов дискретного действия, защищенные патентом, использование которых позволит существенно повысить эксплуатационные свойства устройств. Достоверность результатов Достоверность научных положений,
выводов и рекомендаций работы обоснована:
-
Строгим использованием классических механических концепций и адекватного математического аппарата;
-
Проверкой разработанного алгоритма и программы расчета на модельных и тестовых задачах;
-
Соответствием полученных численных результатов с данными экспериментов, с аналитическими, численными и экспериментальными данными, полученными другими авторами;
-
Опытом практического внедрения достигнутых результатов в ООО «Сенсорные системы МГТУ им. Н.Э. Баумана»
Практическая ценность работы. Разработаны методика, алгоритм и программное обеспечение для расчета и проектирования актюаторов дискретного действия, используемых в современных электротехнических устройствах. Выданы рекомендации по рациональному проектированию актюаторов сложной геометрической формы. Разработаны новые конструкции мехатронных устройств. Полученный патент может быть использован для расширения элементной базы МЭМС.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы и разработанное программное обеспечение внедрены в практику проектирования микроэлектромеханических устройств на ООО «Сенсорные системы МГТУ им. Н.Э. Баумана».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на XXI Международном Симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (г. Кремёнки, 2015 г.), на IV Международной конференции «Композиты и новые материалы» (г. Рэксем, Великобритания, 2015 г.), на Объединенной конференции исследователей университетов Глиндор и Стаффордшир (г. Сток-он-трент, Великобритания, 2015 г.), на конференции «Современные материалы для
ресурсоемких приложений» (г. Ст. Асаф, Великобритания, 2014), на XIX Международном Симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова (г. Ярополец, 2013), на V Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе в 4 рецензируемых журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 листах машинописного текста, включая 96 рисунков и 15 таблиц. Библиография работы содержит 162 наименования.
Особенности расчета и проектирования актюаторов с дискретной рабочей характеристикой
Анализ нелинейного деформирования биметаллов становится особенно актуальным в виду появления актюаторов нового поколения, использующих эффект прохлопывания. Для анализа таких элементов требуется определять рабочую характеристику, т.е. зависимость между изменением температуры и величиной, характеризующей изменение геометрической формы элемента, а также напряжения в конструкции. Эти задачи впервые были решены Виларсо [157]. Также необходимо осуществлять синтез таких элементов для срабатывания при заданной температуре.
Теорией деформации элементов в форме осесимметричных пологих оболочек и пластин занимались многие отечественные и зарубежные исследователи. Вопрос об устойчивости пологой биметаллической арки рассмотрен Тимошенко СП. [156]. Влияние температуры на устойчивость чувствительного элемента термостата в форме пологого биметаллического сферического диска было исследовано в работе W.H. Wittrickа [159]. Температура, при которой происходит потеря устойчивости, определялась с использованием дифференциального электрического анализатора (аналоговой ЭВМ). Задача о прохлопывании биметаллической сферической оболочки при нагревании была решена методом Галеркина в работах Д.Ю. Панова [58, 57].
В работе В.В. Алексеевского [3] рассмотрены особенности проектирования термореле, аналитически получено распределение температур вдоль его биметаллического чувствительного элемента в форме пластины, нагреваемого непосредственно электрическим током. В решении учитывалась теплопроводность пластины и теплоотдача по ее концам.
Общая теория биметаллических упругих тонкостенных оболочек на основе гипотезы Кирхгофа-Лява для случая малых перемещений и деформаций изложена в работах Э.И. Григолюка [30 - 35, 38]. Задача о больших прогибах биметаллической оболочки при переменной по толщине температуре нагрева и осесимметричной механической нагрузке решается методом Галеркина. Рассмотрены оболочки с отверстием в центре и без него, внешний контур которых свободно оперт или шарнирно закреплен.
Идея приведения задачи о деформации биметаллической оболочки к рассмотрению эквивалентной однородной оболочки предложена В.И. Королевым [51]. Методика замены неравномерной температурной и механической нагрузок эквивалентной механической нагрузкой для оболочки с переменными по объему упругими свойствами и КЛТР была изложена в работе Э.Л. Аксельрада [2].
Инженерные формулы для практических расчетов получены В.И. Феодосьевым [85, 88]. Формулы для критических температур гофрированных прохлопывающих термобиметаллических пластин в предположении равенства кривизны внутренней части пластины и средней кривизны гофрированной части при нормальной температуре получены в работе А.И. Воробьева и О.Г. Кацнельсона [18]. В работе В.Н. Худика [90] при определенных параметрах хлопающего термобиметаллического диска показано усложнение картины его деформирования из-за волнообразования на поверхности спая. Отмечается, что температура срабатывания для таких дисков мало зависит от коэффициента Пуассона.
Работы С.С. Гаврюшина [20, 22-26] занимают особое место среди трудов, посвященных расчету термобиметаллических чувствительных элементов. В них изложена методика анализа прохлопывающих под воздействием температурной и механической нагрузок тонкостенных осесимметричных биметаллических оболочек на основе многопараметрического подхода, позволяющего рассматривать задачи о больших прогибах и исследовать закритическое поведение.
Терморегуляторы с биметаллическими чувствительными элементами используются в электротермических приборах для поддержания заданного температурного режима [63, 77, 69, 64] (Рис. 1.9). Датчики температуры используются для контроля температуры нагрева ответственных элементов. Температура на выходе посредством биметаллического элемента преобразуется в электрический сигнал. На Рис. 1.9 изображен термодатчик для контроля температуры нагрева ответственных элементов подвижного железнодорожного транспорта [49]. При перегреве его сферический чувствительный элемент деформируется с прохлопыванием, электрическая цепь звонка и сигнальной лампы в вагоне проводника замыкается.
Оптические компоненты микроэлектромеханических систем (МОЭМС), такие как управляемые зеркала, могут быть получены при добавлении зеркальной поверхности на консольную балку (Рис. 1.12) или закрепления зеркальной пластинки на биметалллических консольных балках (Рис. 1.13) [100, 124]. В одном из положений зеркало отражает свет на линзу и далее на экран, в другом – на теплоотвод, на экране получается черная точка. Матрица из таких зеркал позволяет получать на экране черно-белую картинку.
Термобиметаллическое реле [71,74] Возможность использования биметаллических микроактюаторов в распределенных системах для транспортировки объекта показана в работе [149]. Подобно инфузориям, использующим для передвижения вибрации ресничек на поверхности клеток, или клеткам эпителия, способным с помощью аналогичных выступов выводить из дыхательного тракта инородные частицы вместе со слизью, система биметаллических актюаторов, закрепленных консольно и расположенных друг напротив друга, реализует управляемое движение объекта (Рис. 1.14).
Управляемое зеркало в виде консольной балки [100] В работе [105] показано применение многослойного актюатора в клеточной микрохирургии. Микроактюатор из парилена С и платины используется в микроробототехнической системе в качестве захвата для клеток в биологической жидкости. Используемая в настоящее время пипетка не позволяет манипулировать клетками, меньшими, чем она, по размеру или наборами клеток. Она не может осуществлять поворот клетки, что необходимо при микровпрыскивании. Эти недостатки устраняются при использовании нового микроактюатора, который совместно c «нано-резцом» [120] способен сделать микроклеточную хирургию (Рис. 1.15) реальной в ближайшем будущем.
Актюаторы сложной формы
Для анализа процесса нелинейного деформирования биметаллических актюаторов сложной формы применяется метод конечных элементов с использованием расчетной схемы двумерной двухслойной оболочки. Расчет реализован в конечно-элементном комплексе ANSYS 14.5 (Academic license).
Метод конечных элементов имеет проекционно-сеточный характер [54], в нем применяются вариационных формулировки [16, 44], а функционалы содержат производные более низкого порядка, чем соответствующие им дифференциальные уравнения.
Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию геометрически нелинейных процессов деформирования тонкостенных конструкций методом конечных элементов [42, 98, 55, 96, 115, 116, 133, 135, 160, 161], построение эффективных конечно-элементных аппроксимаций для этой задачи еще не завершено. Удовлетворить условиям конформности, достаточным для обеспечения сходимости конечно-элементных аппроксимаций, для конечных элементов тонкостенных термобиметаллических оболочек достаточно трудно. Также могут возникнуть сложности при построении криволинейных конечных элементов, учитывающих кривизну оболочки. Для обеспечения сходимости конечно-элементные аппроксимации должны включать представления соответствующих величин для описания случаев постоянных деформаций и напряжений, т.е. в конечном элементе не должны возникать деформации и напряжения при перемещении его как жесткого целого [161]. Однако в работах [28, 41] показано, что в общем случае для совместного элемента нельзя точно представить в нем постоянные деформации, а при точном удовлетворении требованиям описания нулевых деформаций (движение элемента как жесткого целого) для оболочечных элементов нарушаются условия совместности.
Наивысший порядок производных от искомой функции прогиба в функционале, используемом для построения матрицы жесткости конечного элемента, при использовании теории оболочек, для которой справедливы гипотезы Кирхгофа-Лява, - второй. Достаточным условием сходимости конечно-элементных аппроксимаций является непрерывность по меньшей мере первых производных прогиба при переходе через границу конечного элемента. Для обеспечения этого условия приходится удерживать в узлах сетки дополнительные степени свободы, конструировать составные элементы, использовать в аппроксимирующих выражениях рациональные функции, кроме полиномов. Альтернативой указанным усложнением является ослабление упомянутых требований на основе обобщенных вариационных формулировок, смешанных или гибридных моделей [96, 161, 28, 41, 16].
Однако на основе теории Кирхгофа-Лява были построены криволинейные элементы, являющиеся эффективными для решения определенного типа задач, например, для анализа цилиндрических оболочек [133, 160, 62]. Благодаря повышению максимального порядка производных в исходных функционалах трехмерная задача механики деформируемого твердого тела была сведена к двумерной в классической теории тонких оболочек. В альтернативных теориях вводятся дополнительные степени свободы, учитывающие поперечный сдвиг, без повышения порядка производных. В теории Тимошенко-Миндлина [123, 65] используется линейная аппроксимация перемещений по толщине оболочки, поле перемещений определяется неизвестными функциями трех перемещений срединной поверхности и двух независимых поворотов нормали (пятимодальный вариант теории) [55]. При использовании этого подхода снижаются требования к гладкости решения, оно должно быть С0 непрерывным, поскольку основные функционалы могут быть получены из трехмерных функционалов, содержащих производные более низкого порядка. Однако разрешающие уравнения становятся плохо обусловленными, а результаты ложными, потому что при уменьшении толщины оболочки происходит ухудшение свойств элементов. Кроме этого, уменьшается ошибка в сдвиговой части энергии. Эти особенности получили названия эффекта заклинивания и эффекта ложных мод. Они могут быть устранены с помощью приемов сокращенного и выборочного интегрирования [96, 28]. При конечно-элементном анализе процесса нелинейного деформирования необходимо удостовериться, что наблюдаемые особенности присущи исследуемой конструкции, а не возникают за счет дефектов расчетной модели. Следует использовать густые конечно-элементные сетки или применять протестированные элементы с высокой точностью. Данная формулировка показала свою эффективность при исследовании отдельных геометрически нелинейных задач [97]. Необходимо внимательно относится к применению таких элементов в нелинейных задачах, к аппроксимациям и допущениям, используемым при построении конечно-элементных моделей, потому что сходимость несогласованных элементов доказана только для линейных задач.
Использование программного комплекса ANSYS 14.5 для анализа актюаторов сложной формы
Для задачи о деформировании пологого полусферического осесимметричного биметаллического актюатора термореле было проведено сравнение результатов, полученных в авторской программе «Актюатор 1.0» с результатами, полученными в конечно-элементом комплексе ANSYS 14.5. Размеры куполообразного актюатора показаны на Рис. 4.2: радиус кривизны меридиана Rm = 22.2 мм, радиус опорной поверхности г = 2.5 мм, толщина h = 0.06 мм. Толщины слоев рассчитаны по условию (2.15): толщина активного слоя h± = 0.0205 мм, толщина пассивного слоя h2 = 0.0195 мм. Физико-механические характеристики слоев приведены в Табл. 1.
Купол закреплен в центре по всем степеням свободы. Узел 1 расположен на внешнем контуре, что соответствует точке установки электрического контакта (Рис. 4.3). Нагрузка – равномерно распределенная температура. Рис. 4.3. Граничные условия
Конечно-элементная модель актюатора с учетом симметрии приведена на Рис. 4.4. Для решения задачи в конечно-элементном комплексе ANSYS использовались элементы PLANE42. Анализ проводился при различных конечно-элементных сетках. Измельчение сетки производилось до получения результатов с требуемой точностью. На Рис. 4.5 показаны исходная и деформированная форма актюатора. Было реализовано прохлопывание актюатора: его меридиональная кривизна на периферийной части изменила знак.
Конечно-элементная модель актюатора без отверстия На Рис. 4.6 приведены рабочие характеристики актюатора, полученные в авторской программе «Актюатор 1.0» и с помощью конечно-элементного комплекса ANSYS 14.5.
Верхняя критическая температура Т± = 120С, нижняя критическая температура Т2 = 32С. Результаты показывают хорошее совпадение, различие в критических температурах составляет менее 5%, что позволяет утверждать о достоверности полученных результатов. При измельчении сетки наблюдалась сходимость решения. При использовании различных конечных элементов получены схожие результаты.
В дополнение сравним результаты работы программы «Актюатор 1.0» с результатами эксперимента, описанного в [104].
В эксперименте использовались стальные актюаторы в виде пологих осесимметричных оболочек (Рис. 4.7). Актюаторы закреплялись на опоре сосуда для испытаний с помощью фланца (Рис.4.8), дополнительного хомута и 8 болтов (Рис. 4.9). Актюаторы были нагружены равномерным давлением р.
Материал актюатора обладает следующими механическими характеристиками: модуль упругости - 207 ГПа, коэффициент Пуассона - 0.28.
Геометрические параметры тестовых образцов (Табл. 5) были измерены с помощью трехосного координатного измерительного стола (Рис. 4.10).
Средой приложения давления являлось масло. Нагружение производилось с помощью насоса. В ходе эксперимента актюаторы прохлопывали при пошаговом (от критического давления) приложении квазистатического давления. Актюатор после прохлопывания показан на Рис. 4.11. Сравнение значения критических давлений, полученных в результате эксперимента, с результатами работы программы «Актюатор 1.0» приведено в Табл. 6.
Исследовано влияние основных параметров актюатора (радиуса кривизны меридиана, радиуса опорной поверхности, толщины, диаметра центрального отверстия) на рабочую характеристику с целью исследования пространства параметров для решения задачи синтеза.
Влияние радиуса кривизны меридиана актюатора
Анализ проводился при неизменных радиусе опорной поверхности и толщине актюатора (г = 2.5 мм, h = 0.04 мм). Радиус кривизны меридиана актюатора изменялся от 20 мм до 40 мм.
Семейство рабочих характеристик в пространстве температура -перемещение - радиус кривизны показано на Рис. 4.12. Существует критическое значение радиуса кривизны меридиана актюатора, при котором рабочая характеристика перестает быть дискретной. Поверхность равновесных состояний в трехмерном пространстве имеет вид сборки Уитни [2].
Т.о. проекция поверхности равновесных состояний в подпространство управляющих параметров может иметь особые точки: малое изменение параметров может вызывать бифуркацию или катастрофу - резкий переход системы в новое состояние при критических значениях параметров. Рис. 4.14. Влияние радиуса кривизны меридиана актюатора на полезное перемещение Влияние радиуса опорной поверхности актюатора Анализ проводился при неизменных радиусе кривизны меридиана и толщине актюатора (Дт = 30 мм,/г = 0.04 мм). Радиус опорной поверхности актюатора изменялся от 2 мм до 4 мм.
Семейство рабочих характеристик в пространстве температура -перемещение - радиус опорной поверхности показано на Рис. 4.15. Существует критическое значение радиуса опорной поверхности актюатора, при котором рабочая характеристика перестает быть дискретной. Критическая нагрузка увеличивается при увеличении радиуса опорной поверхности, т.к. оболочка становится более жесткой.
Влияние толщины актюатора Анализ проводился при неизменных радиусе кривизны меридиана и радиусе опорной поверхности актюатора (Дт = 30 мм, г = 2.5 мм). Толщина актюатора изменялась от 0.02 мм до 0.06 мм.
Влияние радиуса опорной поверхности актюатора на рабочую характеристику Семейство рабочих характеристик в пространстве температура -перемещение - толщина показано на Рис. 4.16. Существует критическое значение толщины актюатора, при котором рабочая характеристика перестает быть дискретной.
Проверка достоверности численных результатов на примере куполообразного актюатора
Недостатком описанной конструкции [147] является ограниченная величина перемещений, реализуемых при прощелкивании, что может привести к тому, что актюатор не будет обеспечивать требуемых контактных усилий и к возникновению дребезга, что недопустимо в электрических цепях.
Предложена новая конструкция термобиметаллического актюатора (Рис. 5.11) с эффектом «прохлопывания», с помощью которой становится возможным варьировать величины полезного перемещения свободного края щелкающего язычка и контактного усилия, а также устранить явление дребезга.
Цвето-графическая диаграмма перемещений при температуре 65 Термочувствительный актюатор 1 содержит пластинчатый куполообразный элемент 2 и язычок 3 с размещенным на нем электрическим контактом 4 (Рис. 5.12). Пластинчатый куполообразный элемент 2 выполнен в виде оболочки вращения и имеет центральное отверстие 5. Один конец язычка 6 жестко соединен с краем отверстия 5 в пластинчатом куполообразном элементе 2, а подвижный конец 7 расположен в отверстии 5 пластинчатого куполообразного элемента 2. Пластинчатый куполообразный элемент 2 выполнен из биметалла, состоящего из слоев с разными температурными коэффициентами расширения (8 – слой с большим температурным коэффициентом расширения, 9 – слой с меньшим температурным коэффициентом расширения). Язычок 3 также выполнен из биметалла,
Термочувствительный актюатор в недеформированном состоянии состоящего из слоев с разными температурными коэффициентами расширения (10 – слой с большим температурным коэффициентом расширения, 11 – слой с 132 меньшим температурным коэффициентом расширения). Язычок 3 соединен с пластинчатым куполообразным элементом 2 так, что слои язычка 3 и пластинчатого куполообразного элемента 2 с одинаковыми температурными коэффициентами расширения (11 и 9) обращены друг к другу. Актюатор 1 прикреплен к опоре 12 с возможностью поворота при прощелкивании. Неподвижный контакт 14 размещен на опоре неподвижного контакта 13.
Устройство работает следующим образом: при перегреве контролируемого элемента (на чертеже не показан) актюатор 1, установленный, на опоре 12, деформируется с прощелкиванием, контакт 4 замыкает электрическую цепь, соприкасаясь с неподвижным контактом 14, установленным на опоре неподвижного контакта 13 (Рис. 5.13). Благодаря выбранному отношению толщины пластинчатого куполообразного элемента 2 к толщине язычка 3, когда пластинчатый куполообразный элемент 2 прощелкивает, язычок 3 уже полностью деформирован в направлении прощелкивания. Таким образом, в описанной конструкции достигается увеличение реализуемых полезных перемещений и контактных усилий для исключения дребезга.
Проведено сравнение работоспособности предложенной конструкции с существующими переключателями. Значения полезных перемещений характерных точек актюатора новой конструкции превышает значения полезных перемещений актюаторов существующих конструкций [147] (Рис. 5.14). Разная направленность перемещений при малых и больших температурах объясняется тем, что из-за деформации куполообразной части актюатора место крепления язычка поворачивается (отгибается) так, что конец язычка перемещается вверх. Деформированные формы конструкций показаны на Рис. 5.15. В предложенной конструкции значение полезного перемещения выше, так как перемещения купола и «язычка» складываются, а не вычитаются, как в существующей конструкции.
Сравнение упругих характеристик актюатора (синяя линия – существующая конструкция, красная линия – предложенная конструкция) Получено решение о выдаче патента (Термочувствительный актюатор: а.с. 2015123538 РФ / С.С. Гаврюшин, А.С. Николаева заявл. 18.06.2015) на полезную модель, соответствующую предложенной конструкции.
Таким образом, предложенная конструкция актюатора и разработанная методика расчета рекомендуются для внедрения в практику расчета и проектирования актюаторной элементной базы.
Дальнейшей перспективой является создание актюатора с несколькими язычками, расположенными один на другом подобно фракталу. При нагревании такой актюатор будет деформироваться подобно гирлянде.
Решение задачи синтеза актюатора с язычком Решена задача определения оптимальных параметров актюатора с язычком для реализации прохлопывания при температуре, равной 40С: (Гкр - 40) min (4.3) После анализа влияния различных параметров на рабочую характеристику актюатора были выбраны три наиболее существенных. Параметрами актюатора при решении задачи синтеза являлись: длина и ширина язычка, размер отверстия в куполообразной части актюатора (Рис. 5.16). Границы изменения параметров приведены в Табл. 14.