Содержание к диссертации
Введение
1 . Современное состояние вопроса. Цель и задачи исследования 9
1.1. Применение материалов с запрограммированными свойствами ( эффектом памяти формы ) в узлах подвижного состава железнодорожного транспорта 9
1.2. Существующие представления о природе и механизме обратимой деформации материала с памятью формы 25
1.3. Влияние конструктивно-технологических факторов на деформационно-силовые характеристики реверсивного термомеханизма (РТМ) из сплава с памятью формы 30
1.4. Цель работы и задачи исследования 38
2. Теоретические исследования математической модели эффективного управления технологическими параметрами реверсивного термомеханизма (РТМ) из сплава с памятью формы установленного в узлах и составных частях подвижного состава 40
2.1. Основные физические закономерности реализации обратимого эффекта памяти формы 40
2.2. Постановка математической модели функционирования цилиндрического (кольцевого) РТМ в рабочих условиях эксплуатации 45
2.3. Теоретическое исследование поля температур в цилиндрическом (кольцевом) РТМ з
2.4. Экспериментальное определение температур по сечению цилиндрического РТМ из сплава с памятью формы ...53
2.5. Решение краевой задачи термоупругости для цилиндрического (кольцевого) РТМ 54
2.6. Результаты расчёта напряжений и деформаций в цилиндрическом (кольцевом) РТМ 58
2.7. Инженерная методика расчёта напряжений и деформаций в цилиндрическом РТМ 72
2.8. Расчет параметров (проектирование) РТМ из сплава с памятью формы 77
2.8.1. Математическая постановка задачи проектирования РТМ 77
2.8.2.Алгоритмы решения задачи проектирования РТМ из сплава с памятью формы 81
2.9. Математическая модель функционирования кольцевого РТМ из сплава с памятью формы 85
2.10. Выводы 92
3. Исследование деформационно-силовых характеристик, работоспособности и долговечности РТМ, разработка принципов и критериев взаимодействия РТМ и конструктивных частей узлов и составных частей подвижного состава 94
3.1. Исследование деформационно-силовых характеристик РТМ работающего в условиях осевого растяжения 94
3.1.1. Влияние числа циклов нагружения и величины нагрузки на деформацию РТМ из сплава с памятью формы при нагреве и охлаждении 94
3.1.2. Определение деформационно-силовых характеристик и влияния величины рабочей нагрузки на изменения температур начала и конца обратимой деформации РТМ 102
3.1.3. Влияние рабочих нагрузок на деформацию наведения и общее удлинение РТМ при многоцикловом режиме работы 109
3.2. Исследование работоспособности и долговечности РТМ в режиме работы против внешних нагрузок 117
3.3. Исследования деформационно- силовых характеристик РТМ работающего в режиме осевого сжатия 122
3.4. Исследование деформационно-силовых характеристик РТМ работающего в радиальном направлении 128
3.5 Выводы 136
4. Исследование скорости деформации и других эксплуатационных характеристик узлов и составных частей подвижного состава с РТМ из сплава с памятью 138
4.1 Влияние скорости нагрева на скорость деформации РТМ 138
4.1.1. Исследование влияния статического нагрева на скорость деформации РТМ 138
4.1.2. Исследование импульсного метода нагрева на скорость деформации РТМ памятью формы 141
4.1.3. Влияние скорости охлаждения на скорость деформации РТМ 155
4.2. Выводы 160
5. Разработка и внедрение узлов подвижного состава, а также технологического инструмента и оборудования с РТМ из сплава с памятью формы для работы в локомотивных и вагонных депо 161
5.1. Буксовые узлы 161
5.1.1. Буксовый узел с кольцевым РТМ из сплава с памятью формы 161
5.1.2. Буксовый узел с индикатором перегрева на основе РТМ из материала с памятью формы 167
5.2. Подшипниковый узел тягового генератора и тягового электрического двигателя с кольцевым РТМ из сплава с памятью формы 173
5.3. Тормоз железнодорожного транспортного средства 175
5.4. Ручной механизированный инструмент с РТМ из сплава с памятью формы 180
5.5. Механизированный инструмент с РТМ из сплава с памятью формы для запрессовки труб малого диаметра в переходники трубопроводных систем подвижного состава и в теплообменниках тепловозных энергетических установок 194
5.6. Механизированный инструмент с РТМ из сплава с памятью формы для стыковки-сварки и правки трубопроводов в специальных вагонах и газотурбинных силовых установках ГТД1иГТД2 198
5.7. Силовое ремонтное оборудование производств железной дороги с РТМ из сплава с памятью формы 205
5.8. Регенеративный теплообменник пассажирского вагона с РТМ из сплава с памятью формы 211
5.9. Выводы 216
6. Технико-экономическое обоснование эффективности полученных разработок 217
6.1. Экономическая эффективность разработанного буксового узла с индикатором перегрева на основе материала с памятью ф ормы 217
6.2. Экономическая эффективность разработанного ручного механизированного инструмента (съемника) с РТМ из сплава памятью формы 221
6.3. Экономическая эффективность разработанного силового ремонтного оборудования с РТМ из сплава с памятью формы для выполнения ремонтных работ на предприятиях железной дороги 225
6.4. Выводы 229
Основные результаты и выводы по работе 230
Список использованных источников
- Существующие представления о природе и механизме обратимой деформации материала с памятью формы
- Экспериментальное определение температур по сечению цилиндрического РТМ из сплава с памятью формы
- Определение деформационно-силовых характеристик и влияния величины рабочей нагрузки на изменения температур начала и конца обратимой деформации РТМ
- Буксовый узел с индикатором перегрева на основе РТМ из материала с памятью формы
Введение к работе
Актуальность проблемы. В «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации в 2008-2015 годах и на перспективу до 2030 года», одобренной Правительством РФ 6 сентября 2007 года, отмечается, что одним из основных направлений развития страны является развитие транспортной системы России, её главного звена железнодорожного транспорта. Ставится конкретная задача « коренной модернизации производственной базы ОАО РЖД, создание новых образцов техники, в частности подвижного состава с повышенными характеристиками надёжности и безопасности».
Добиться решения поставленных задач специалисты отрасли намерены, в том числе, и за счёт применения в новых образцах техники материалов со специальными и запрограммированными свойствами (нано материалы, новые марки сталей и сплавов, композиционные и полимерные материалы, материалы, обладающие эффектом памяти формы).
Перспективы применения материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) определяются их уникальными техническими и эксплуатационными характеристиками: возможностью развивать высокие и сверхвысокие усилия (напряжения), сохраняя при этом требуемые рабочие перемещения, малые габариты, малые тепло- и энергоёмкость. Представляется практическая возможность на основе уникальных свойств материалов с эффектом памяти формы создать новый класс механизмов различного назначения подвижного состава железнодорожного транспорта (буксовые узлы, электрические машины, системы контроля и управления) с повышенными техническими, рабочими и эксплуатационными характеристиками.
Таким образом, проблема использования материалов с эффектом памяти формы в ответственных узлах и составных частях подвижного состава железнодорожного транспорта, поднимающих техническое состояние подвижного состава на новый уровень и способствующих повышению безопасности движения, является актуальной.
Анализ результатов исследований в различных областях промышленности и практика использования материалов с эффектом памяти формы показывает, что до настоящего времени не разработан метод научно-обоснованного расчета специального, базового для всего нового класса механизмов, реверсивного термомеханизма (РТМ) из материала с ЭПФ применительно к конкретным условиям работы узла или составной части локомотива или вагона. Актуальным является вопрос разработки системы управления технологическими параметрами РТМ, а также недостаточно изучены его деформационно-силовые, скоростные свойства и работоспособность. Отсутствуют данные об особенностях и закономерностях взаимодействия РТМ с конструктивными деталями конкретного механизма подвижного состава.
Решению поставленных задач посвящена данная работа.
Цель работы. Разработка теоретических и технологических основ повышения долговечности узлов и составных частей подвижного состава, обеспечивающих безопасность движения, на основе применения реверсивных термомеханизмов из сплава с памятью формы.
Задачи исследования:
- проведение анализа современного состояния научно-технической проблемы применения в новых узлах подвижного состава материалов с эффектом памяти формы, условий, технических решений и эффективности этого применения;
-разработка математической модели эффективного управления технологическими параметрами РТМ из сплава с памятью формы, установленного в ответственных узлах и составных частях подвижного состава;
-разработка практических принципов и критериев взаимодействия реверсивного термомеханизма (РТМ) и конструктивных деталей узлов и составных частей подвижного состава, гарантирующих их долговечную и эффективную работу;
-проведение комплексных исследований деформационно-силовых и скоростных характеристик, а также работоспособности узлов и составных частей подвижного состава с РТМ из сплава с памятью формы, работающих в широком диапазоне рабочих нагрузок;
-разработка новых конструкций долговечных буксовых узлов подвижного состава, подшипниковых узлов тяговых генераторов и электрических двигателей (ТЭД), эффективных систем аварийного торможения и контроля превышения температуры буксового узла, а также экономичного механизированного инструмента с реверсивным термомеханизмом (РТМ) из сплава с памятью формы;
- оценка экономической эффективности применения разработанных узлов с РТМ из сплава с памятью формы в подвижном составе железнодорожного транспорта, а также механизированного инструмента на производствах локомотивного и вагонного хозяйства железной дороги.
Автор выносит на защиту:
1.Основные принципы создания узлов и составных частей подвижного состава, а также механизированного инструмента с РТМ из сплава с памятью формы.
2.Математическую модель эффективного управления технологическими параметрами РТМ из сплава с памятью формы, установленного в ответственных узлах и составных частях подвижного состава;
3.Теоретический метод расчета конструктивных и технологических параметров РТМ узлов, составных частей подвижного состава, а также механизированного инструмента для его технического обслуживания и ремонта.
4.Результаты исследования деформационно-силовых, скоростных характеристик, а также работоспособности буксовых узлов, тяговых электрических двигателей, аварийных тормозных систем подвижного состава и механизированного инструмента с РТМ из сплава с памятью формы.
5.Новые конструкции буксовых узлов, подшипниковых узлов тяговых генераторов и электрических двигателей, аварийных тормозных систем подвижного состава со стабильно и безотказно работающим РТМ из сплава с памятью формы.
6.Новый механизированный инструмент с РТМ из сплава с памятью формы для технического обслуживания и ремонта подвижного состава железнодорожного транспорта.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории машин и механизмов, теории упругости и пластичности, в частности рассмотрена математическая модель для краевой осесимметричной задачи термоупругости при существенной зависимости материала от ряда физических параметров. Для решения теоретической задачи определения распределения температур по сечению цилиндрического (кольцевого) реверсивного термомеханизма (РТМ) решается краевая задача теплопроводности методом преобразований Лапласа.
Экспериментальные исследования проведены с использованием специального оборудования и приборов (испытательные машины: АИМА5-2, МТВ-10; потенциометры: ПДП4-002, ПП-63, КСП-4, Щ45601; индикаторы часового типа-ИЧ-10; осциллограф – ОК-17М) с применением оснастки и приспособлений, разработанных и изготовленных автором. Достоверность результатов исследований обеспечена анализом принятых допущений и гипотез, использованных в математических моделях, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна.
1.Разработаны теоретические и практические основы создания принципиально новых узлов, агрегатов и составных частей подвижного состава с РТМ из сплава с памятью формы, надежно работающих в различных условиях эксплуатации.
2.Разработана математическая модель эффективного управления технологическими параметрами РТМ из сплава с памятью формы установленного в ответственных механизмах железнодорожного подвижного состава, а также метод расчета конструктивных и технологических параметров РТМ узлов и составных частей подвижного состава, позволяющий определять конкретные габаритные размеры РТМ и энергетические параметры его управления.
4.Показано, что работоспособность, скорость деформации и другие эксплуатационные характеристики РТМ при реализации им значительных по величине напряжений в рабочих и экстремальных условиях удовлетворяют требованиям эксплуатации железнодорожного подвижного состава.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены, обсуждены и одобрены на 19 Международных, Всесоюзных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах в городах: Воронеж (1986), Киев (1986), Пермь (1987), Куйбышев (1987,1990), Самара (1992,1994,1998,2000,2003,2008), Ульяновск (1997), Волгоград (1998), Пенза (2001,2002), Челябинск (2004), Красноярск (2005), Москва (2009,2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе в изданиях рекомендованных ВАК РФ 19 работ (из них по транспорту 05.22.07 -10 работ), одна монография. Новизна и оригинальность разработанных технических решений защищены 22 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы из 202 наименований, содержит 205 страниц основного текста, 85 рисунков, 20 таблиц, 3 приложений. Общий объем работы 257 страниц.
Существующие представления о природе и механизме обратимой деформации материала с памятью формы
Гидравлические и пневматические системы вагонов, электровозов и локомотив включают в себя различные трубы, соединяемые специальными соединительными элементами типа переходников, тройников, крестовин и т.д. В работе [9] предложены варианты муфт для соединения трубопроводов. Одна из таких муфт, состоящая из внешнего сжимателя, выполненного из сплава с памятью формы с вставленной в него втулкой, внутренняя поверхность которой имеет зубчатый профиль, представлена на рис 1.9.
Концы труб вставляют в муфту на определенную глубину. Далее муфту нагревают, сжиматель деформирует втулку и последняя герметично обжимает концы труб. Зубцы способствуют более полному соединению. Такие муфты имеют минимальные размеры и массу и, следовательно, соответствуют требованиям, предъявляемым к новым образцам подвижной техники. Быстрая установка и сборка, не требующая высококвалифицированного персонала, герметичность и коррозионная стойкость соединения, отсутствие проблемы высоких температур, присущей сварке и пайке, позволили разработать и осуществить технологический процесс сборки более 100 000 соединений трубопроводов с помощью такой муфты на атомных и дизельных подводных лодках ВМС США, самолетах типа F14, разрабатываемых опытных образцах электровозов производства США и Канады.
Главным узлом, обеспечивающим безаварийное движение поезда, является буксовый узел, от правильного содержания и эксплуатации которого зависит безопасность всего состава. Следует отметить важное обстоятельство: из-за несоблюдения условий эксплуатации и нарушения технологии ремонта буксового узла с заменой деталей вызванного несоблюдением температурных режимов, натягов и зазоров образуется недостаточный (0,010-0,012 мм) натяг внутреннего кольца подшипника. При появлении в процессе движения динамических нагрузок, с высокой степенью вероятности, возможен проворот внутреннего кольца подшипника по шейке оси колесной пары. Происходит резкое (в силу изотермических процессов трения) повышение температуры буксового узла до аварийных значений. Отказ в работе буксового узла (выход из строя роликового подшипника из-за недопустимого превышения температуры) в большинстве случаев ведет к аварийной ситуации и серьезным экономическим потерям. Существующие подходы повышения надежности и долговечности буксовых узлов (повышение надежности торцевого крепления подшипника, снижение действия на него динамических нагрузок, соблюдение требований монтажа, контроль состояния при движении и т.д.) не обеспечивают полностью решение этой проблемы.
Авторы работы [195] предлагают наносить на посадочное место вала (шейки оси колесной пары) материал с эффектом памяти формы, осуществлять механическую обработку и обкатку роликами полученного слоя до требуемых размеров. Материал с памятью формы наносят аргонно-дуговой наплавкой сварочных валиков из проволоки с памятью формы, с шагом, равным 1-3-диаметра проволоки. Затем роликовые подшипники (или любую другую деталь) с натягом одевают на посадочное место (рис. 1.10).
При температуре выше температуры фазовых превращений нанесенный слой материала расширяется, еще более увеличивая натяг и предотвращая таким образом осевое биение или проворот подшипников по шейке колесной пары.
Авторы работы [193] для повышения надежности торцевого крепления буксового узла предлагают в первом случае наносить на резьбу болтов крепления торцевой шайбы материал с памятью формы (рис. 1.11), который при достижении температуры превращения деформируется, обеспечивая дополнительный натяг и повышая надежность торцевого крепления буксового узла. Во втором случае, на резьбовую часть шейки оси колесной пары наносится слой материала с памятью формы (рис. 1.12.). При достижении температур срабатывания материал деформируется обеспечивая дополнительный натяг между торцевой гайкой и резьбовой частью оси колесной пары. При этом также повышается надежность торцевого крепления буксового узла.
Экспериментальное определение температур по сечению цилиндрического РТМ из сплава с памятью формы
Никель - титановый сплав TH-I (нитинол) при нагреве выше температуры Ак обратного мартенситного превращения (ОМП) представляет собой поликристаллический образец, состоящий из высокотемпературной фазы (ВТФ). При его охлаждении ниже температуры М„ начала прямых мартенситных превращений (ПМП) в ВТФ возникают и, по мере дальнейшего уменьшения температуры, разрастаются кристаллы мартенситной фазы. При охлаждении образца ниже температуры Мк конца ПМП рост кристаллов мартенсита прекращается. При последующем нагреве образца наблюдается обратное превращение и переход мартенситной фазы в высокотемпературную.
Сплав нитинол обладает следующей особенностью - группа симметрии мартенситной кристаллической решетки является подгруппой группы симметрии кристаллической решетки исходной ВТФ [60,61,95,96]. Поэтому при фазовом переходе существует только один вариант перестройки мартенситной решетки в исходную - обратный прямому. Это приводит к автоматическому восстановлению первоначальной ориентации и формы всех областей исходной фазы.
Однако, такая взаимосвязь групп симметрии двух решеток является только необходимым условием для наблюдения обратимого эффекта памяти формы. Действительно, мартенситные фазовые превращения в твёрдых телах сопровождаются перестройкой кристаллической решетки и соответствующим изменением формы и размеров областей новой фазы.
Сопряжение же фаз с различными кристаллографическими решетками возможно при взаимной аккомодации этих решеток. Аккомодация может происходить как за счет упругих смещений атомов из своих равновесных положений, так и за счёт неупругих смещений, связанных с разрывами сплошности материала. Разрывы сплошности материала по границе раздела фаз обусловлены дислокациями несоответствия и вакансиями, концентрирующимися на этой границе. Таким образом, в окрестности растущего кристалла мартенсита материал сильно деформирован и находится в напряженном состоянии. Ели аккомодационные напряжения достигают критического уровня, они приводят к вторичной деформации решетки. В том случае, когда вторичная деформация осуществляется пластическим течением, она является необратимой, а это ведет к невозможности полного восстановления первичной деформации после снятия внешних воздействий.
Таким образом, вторым условием обратимости памяти формы является обратимость вторичной деформации. Обратимость вторичной деформации возможна, в свою очередь, только при сохранении когерентности обеих фаз на их общей границе в течение всего рабочего процесса. Из этого условия, в частности, вытекает следующее условие стабильной многоцикловой работы термомеханизма - интенсивность напряжений, возникающих в любой точке преобразователя, не должна превышать предела текучести материала.
Мартенситные превращения, происходящие при обратимой вторичной деформации, достигаемой за счёт сохранения межфазной когерентности, получили название термоупругих мартенситных превращений [98,99]. В настоящее время металловедческим аспектам теории термоупругих мартенситных превращений посвящено достаточно большое число публикаций [102,103,105,106,108,109,110], однако эти публикации в основном направлены на изучение сталей и сплавов, отличных от сплава TH-I.
Внешне термоупругость мартенситных превращений проявляется в обратимом изменении кристаллов мартенсита под действием температуры и (или) нагрузки. Причем, деформация макрообразца в зависимости от температуры имеет ярко выраженный нелинейный характер, а в зависимости от внешних усилий может иметь как линейный, так и нелинейный характер (п.З).
Исследованиями установлено [111,112], что обратимость как вторичной, так и первичной деформаций, реализуется кооперативным сдвигом атомов в противоположных направлениях. При этом термоупругий мартенсит внутренне сдвойникован и содержит периодически расположенные прослойки другой фазы. Хотя при таком периодическом расположении мартенсита обеспечивается существенное снижение напряжений, возникающих при фазовом переходе, однако в основном снижение уровня аккомодационных напряжений обеспечивается за счет аномального уменьшения упругих постоянных решетки к моменту фазового перехода. Следовательно, упругие постоянные термомеханизма характеризуются существенно нелинейной зависимостью от температуры.
При свободном охлаждении и нагреве термомеханизма изменение и восстановление его первоначальной формы носит локальный характер. Коллективное перемещение атомов при прямом мартенситном переходе (рост кристаллов мартенсита) в отсутствии внешних или значительных внутренних напряжений происходит с равной вероятностью во всех ориентационных направлениях.
Поэтому, несмотря на значительные локальные сдвиги на границе фаз (до 10 ...20%), материал в целом не испытывает заметного изменения формы. При обратном же превращении перестройка происходит в соответствии с условиями симметрии.
При воздействии внешнего или внутреннего напряжения равновероятность всех направлений мартенситной деформации нарушается. Преимущественно формируется мартенсит, для которого работа внешних сил положительна и максимальна. В результате, при прямом мартенситном превращении происходит преимущественный сдвиг атомов во всём объёме сплава и термомеханизм в целом деформируется в направлении действия внешней силы. При обратном мартенситном превращении, если оно структурно обратимо, атомы возвращаются на свои места, а термомеханизм - к исходной форме.
Определение деформационно-силовых характеристик и влияния величины рабочей нагрузки на изменения температур начала и конца обратимой деформации РТМ
Как показали исследования, приведенные в предыдущем параграфе, при больших градиентах температур по сечению термомеханизма, в нем возникают зоны пластического течения, приводящие к необратимым изменениям, которые не позволяют последнему многократно и стабильно воспроизводить свои линейные размеры. Поэтому возникает возможность в области рабочих режимов стабильно работающего РТМ сделать ряд упрощений, позволяющих получить значения напряжений и деформаций в виде явных выражений. Кроме того, при разработке оптимальной конструкции РТМ такая упрощенная модель позволяет существенно уменьшить объем расчёта на ЭВМ, а в ряде случаев получить относительно простые аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь между технологическими параметрами силового элемента.
Для разработки ТМРП, гарантирующего многоцикловую стабильную работу, необходимо, чтобы ни в одной точке РТМ не возникало пластическое состояние. Как показали исследования (п. 2.6), максимальное значение интенсивности напряжений достигается на его внешней поверхности в период нагрева. Учитывая, что на внешней поверхности ст=0, используем вместо точного энергетического условия пластичности приближенное [50].
Поскольку скорость нагрева постоянна, то есть величина Тг-Ту не зависит от t, где ТгиТу- температуры на внешней и внутренней поверхности соответственно.
Используя соотношение (2.55) можно оценить максимальный перепад температуры по сечению образца, при котором напряжения в цилиндре не достигают предела текучести. Рассмотрим случай, когда Ан Тг Ак; Ан Ту Ак, где Ан и Ак,-температуры начала и конца обратного мартенситного превращения. В этом случае должно удовлетворяться условие (2.50):
Выражения (2.41) - (2.53) справедливы как для процесса нагрева, так и для охлаждения образца. Поэтому максимальная разность компонент также будет J = \а, -ст0\ причем, максимальное значение a(r,t) в случае охлаждения будет считаться на внутренней поверхности. Следовательно, оценка величины /Тг - 7)У(при охлаждении Тг Ту) остаются справедливыми в этом случае.
Таким образом, соотношение (2.58) устанавливает связь между величиной внешней нагрузки и максимально допустимым перепадом температуры по сечению РТМ. С увеличением внешней нагрузки перепад температуры по сечению уменьшается.
Расчет параметров (проектирование) РТМ из сплава с памятью формы 2.8.1. Математическая постановка задачи проектирования
Задача проектирования РТМ из сплава с памятью формы является наиболее важной в практическом отношении, поскольку имеет реальный выход непосредственно на конкретный механизм подвижного состава железнодорожного транспорта или на конкретную конструкцию инструмента и технологического оборудования.
Основными характеристиками РТМ из сплава с памятью формы являются: максимальное развиваемое усилие — Р0 и время срабатывания -деформаций т0.
Конструктивно-технологические параметры РТМ - геометрия поперечного сечения - R), R.2 (Rj может быть равен нулю, что означает сплошной цилиндр) и величина плотности теплового потока - q, падающего на внешнюю боковую поверхность РТМ.
Задачу проектирования сформулируем следующим образом. Выбрать значения параметров R], R2 и q так, чтобы РТМ развивал максимальное усилие Ро, причём, время срабатывания - не превышало максимально допустимое, а максимальный уровень напряжений не превышал предел текучести материала TH-I.
Как было показано в п. 2.6, отсутствие пластического течения определяется величиной (Ті (2.50),которая достигает своего максимума, при нагреве на внешней поверхности цилиндра в тот момент, когда температурное поле цилиндра полностью перекрывается интервалом обратного мартенситного превращения I Ан, Ак I.
Буксовый узел с индикатором перегрева на основе РТМ из материала с памятью формы
Нагрев отключался, и происходило охлаждение приспособления с РТМ за счёт естественной теплоотдачи и теплопередачи на детали и узлы установки МТВ-10.
Для равномерности распределения температуры в РТМ скорость охлаждения не превышала 274 К в минуту. В процессе охлаждения происходило пластическое деформирование термомеханизма в диапазоне температур прямого мартенситного превращения Мн= 448 К + Мк= 303 К. Перемещение ползуна установки контролировалось по индикатору часового типа ИЧ-10. С помощью редуктора установки в силовом гидроцилиндре устанавливалось давление, величина которого составляла 0,5 от величины первоначального. На электронагреватель вновь подавалось напряжение, и вся конструкция нагревалась до Т=413 К со скоростью 274 К в минуту. В период структурных переходов в материале РТМ, увеличивая свою длину, развивал усилие, равное усилию, которое действует на ползун установки. При этом ползун перемещался, и эта величина перемещения контролировалась с помощью индикатора ИЧ-10. Далее цикл повторялся. В процессе исследования определялись напряжения, развиваемые РТМ и соответствующие его деформации наведения. Подготовка РТМ производилась при осевом усилии Р=4600, 7700, 9000 и 9462 кг. Данные усилия соответствовали в дальнейшем величинам деформации памяти формы элемента- 1%, 2%,3% и 4%.
После термомеханической подготовки РТМ- деформации "наведения" -проводилось исследование их деформационно-силовых характеристик. Для этого РТМ устанавливался в экспериментальном приспособлении на установке МТВ-10 и подвергался воздействию (через пуансон) ползуна установки с помощью редуктора. Нагрузка фиксировалась манометром установки. Затем осуществлялся нагрев РТМ до температуры Т=413 К. При этом регистрировалось перемещение ползуна, которое соответствует перемещению торцевой поверхности РТМ, контактирующей с пуансоном..По окончании процесса РТМ охлаждали, при этом на ползуне устанавливалось усилие другой величины. Снятие характеристик РТМ производили аналогичным образом. В результате исследований получены деформационно-силовые зависимости образцов РТМ, работающих в условиях осевого сжатия (рис. 3.17). 600
РТМ из сплава с памятью формы ТН-1, работающий в условиях осевого сжатия, по сравнению с аналогичным РТМ, работающим в условиях осевого растяжения, развивает большие напряжения сопротивления (ас), которые достигают 700 МПа, но при этом обладает меньшими значениями деформации памяти формы (єп.ф.). Это объясняется различным механизмом пластической деформации термомеханизмов в первом и втором случаях.
Оптимальным по величине напряжением наведения является он=540 МПа, которое обеспечивает деформацию памяти формы РТМ н.ф.=3,5%; при этом напряжение сопротивления достигает максимального значения ос=700 МПа. При увеличении напряжении наведения до величины ан=570 МПа деформация памяти формы РТМ возрастает до значения єп.ф. 4-%, но при этом рабочие напряжения резко падают до ас=300 МПа. Это объясняется, очевидно, ухудшением упругих свойств микроструктуры сплава в результате значительной пластической деформации, нарушением структурной связи (когерентности) кристаллических решёток обеих фаз и накоплением критического объёма микроструктуры сплава.
Исследование деформационно-силовых характеристик РТМ работающих в радиальном направлении.
Работа включала в себя термосиловую подготовку термомеханизмов, т.е. их радиальное обжатие и снятие деформационно-силовых характеристик. Исследованию подверглись образцы РТМ в виде втулок диаметром 8x3 мм и длиной 8 мм. Для термомеханической обработки с целью придания образцам "памяти" формы использовалась оснастка, схема которой представлена нарис. 3.18. 128 Экспериментальное приспособление состоит из корпуса 1, в котором установлена направляющая 2 с электронагревателем 3, набора пуансонов 4 и набора волок 5. Диаметры рабочих "поясков" волок составили 7,5 мм (1,07—); 7,2 мм d0 (1,11—-); 7,0 мм (1,14 — ), где d0=8 мм - диаметр РТМ до термосиловой обработки. Эти соотношения выбраны для никелид - титановых сплавов при их редуцировании на основании литературных данных [149]. Термосиловая подготовка термомеханизмов проводилась следующим образом.
Экспериментальная оснастка устанавливалась на гидравлическую установку МТВ-10, в направляющую оснастку помещали РТМ 6. Приспособление нагревалось с помощью нагревателя 3 до температуры сверхпластичности образца РТМ из сплава ТН-1, она составляет 70-75С (343-348 К) [150]. Для равномерного нагрева конструкции скорость нагрева не превышала 3С в минуту. Температура контролировалась термопарой и фиксировалась потенциометром Щ4501. С помощью пресса образец 6 проталкивали через волоку 5 пуансоном 4. Таким образом, РТМ из сплава ТН-1 диаметром 8 мм и с толщиной стенки 3 мм редуцировались с радиальным перемещением 0,5; 0,8 и 1 мм на диаметр. Для снятия деформационно-силовых характеристик использовалось специальное устройство, разработанное и изготовленное специалистами СГАУ и СамГУПС (рис. 3.19).
