Коллеров М.Ю. Функциональные материалы (пособие)

при выборе материала необходимо определить АКВ осле вы бора нео ходимой степени деформации элемента.

6. . Термо механич ские соединения

Они, как правило, представляют со ой муфты (втул ки) с внутренним диаметром меньше внешнего диаметра соединяемых труб. В охлажденном состояни и муфты дорнуют (через внутреннее отверст е продавливают конусный пуансон) для увел ичения диаметр . После этого концы трубопроводов заводят в м уфту, которая при нагреве уменьша ется в ди аметре и обжимает трубы (рисунок 6.3). Впервые термомеханические соединения (ТМС) были использованы в виде муфт ля сбор и трубо роводов самолетов (F–14,

TУ–204 (рисунок 6.4).

внешний диаметр трубы Дт); 2- После дорнования м уфты при низких температурах (деформация муфты вдоль

диаметра, внутренни й диаметр муфты (dм ) больше, чем диаметр трубы); 3- Сборка соединения;

4- Термомеханическое соединен ие после отогрева до температур эксплуатации (муфта восстанавливает свою форму, с имается вдоль диаметра и гер метично хватывает концы труб)

131

Примером использования таких соединений может служить эксперимент «Софора», в кот ром в июле 1991 года на модуле «Квант» станции «Мир» в открытом космосе космонавты С. Крикалев и А. Абцербарский собрали ферму длиной 14,5 м с помощь термомеханических соединений из МПФ (рисунок

6.2).

Рисунок 6.4. Фрагмент монтажа гидросистемы самолета ТУ-204 с муфтами ТМС из сплава ТН1К [17, стр. 94]

Термомеха ническое соедине ие такого типа х рактеризуется интервалом

(Трабmin Tpабmax). Однако при высоки х температурах в материале может начаться

ТМС должны быть выше температур прям го мартенситного превращ ения, но ниже те ператур развития процессов возврата.

Рисунок 6.5. Развитие и релаксац я напряжений при нагреве и охлаждении муфты из МПФ [17, стр. 96]

Для боль инства авиационных с стем температуры эксплуатации соответствует и тервалу от -50 до +50 С. Поэт му для них не бходимо

ТМС применяются, как правило, для соединения топливных и тормозных систем трубопроводов, в которых используются агрессивные среды. Поэтому в них необходимо использовать достаточно коррозионностойкие материалы. Для конекторов (соединительных муфт) электропроводов и электроприборов, которые эксплуатируются при нормальных атмосферных условиях, могут быть использованы материалы с ограниченной коррозионной стойкостью.

В соответствии с указанными признаками для применения в авиационных системах можно рекомендовать сплавы на основе никелида титана с пониженными температурами восстановления формы (ТН1К). Для конекторов электроконтактов можно использовать среднетемпературные сплавы на медной основе, которые обладают достаточно высокой электропроводностью.

При проектировании ТМС необходимо провести предварительные расчеты геометрии муфты и технологических параметров ее деформации, исходя из заданных давления разгерметизации (Ргер) и усилия страгивания соединения (Fстр).

где ДМ и dм – внешний и внутренний диаметр муфты, соответственно [мм]; Р – реактивные напряжения восстановления формы материала [МПа].

где N – натяг соединения [мм]; Е1 и Е2 – модули упругости материала трубы и муфты соответственно [МПа]; К – коэффициент, учитывающий условия муфты по трубе (при гладкой внутренней поверхности муфты К равен коэффициенту трения муфты по трубе); l – длина муфты [мм]; С1 и С2 – коэффициенты Ляме:

1 и 2 – коэффициенты Пуассона материала трубы и муфты соответственно. натяг соединения в первом приближении можно определить как:

134

Внутренни диамет муфты рассчитывают, ис одя из внешнего диаметра трубы ДТ, сборочного зазора ( ), учитывающего отк онение р азмеров трубы от

схематическое изображен е которы х представлены на рисунках 6.6 и 6.7 [13].

135

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 среднеили 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 МН груз растягивает пружину, а при нагреве выше АН 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

136

деформацией, что обеспечивается полигонизационным отжигом. Кроме того у такого материала должен быть строго выдержан интервал температур восстановления формы. Это об еспечив ется соответствующим выбором химического состава спла а и режимов его термомеханической обработки.

геометр и и технологии применен ия не сущ ествует. Общие принципы подхода

10 20 С относительно нормальной темпе атуры должен развить усилие не менее 1 000 кН и совершить перемещение не менее 10 мм. На первом этапе расчета необходи мо определить работу, которую должен вы полнить силовой элемент. Величи а работ зависит от перемещения и закона изменения силы.

137

где Р – сила, действующая на элемент (Н); l – перемещение (м).

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:

В общем случае, когда сила меняется при перемещении по сложному закону, работу можно определить как:

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:

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.

Зная максимальное усилие, которое должен совершать элемент, можно рассчитать площадь его поперечного сечения и длину:

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:

такого цилиндра – может произойти потеря устойчивости. Поэтому целесообразно силовой элемент изготовить в виде полого цилиндра, внешний диаметр которого D1 соответствует оптимальному соотношению длины и диаметра при деформации осадкой (1,5):

D1 1,5l 0,21,5м 0,13 м.

Внутренний диаметр полого цилиндра (d1) вычисляется, исходя из требуемого поперечного сечения силового элемента.

d1 D12 4Sπ 0,0169 0,0064 0,1м.

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

140