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).

Рисунок 6.3.	Схема применения	термомеханических соеди нений	д я сборки
трубопро одов [17, стр. 94]:
1- Исходные	размеры муфт и труб	(внутренний диаметр му фты dм	м ньше чем

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

рабочих температур (Трабmin Tpабmax),					усилием страгивания F стр и внутренним
давлением		разгерметизации Ргер. Рассмот им основные подходы к							выбору
материала, геометрических параме ров и те нологии сборки Т МС.
По	особенностям п именения муфты для сборки трубопроводов можно
отнести	к	одно кратно срабатывающим конструкциям, восстанавливающим
форму	в условиях противодействия. Те пературы восстановлени								формы
материала муфты зависят от темпер атур ее эксплуатации.
Восстановлению формы муфты при нагреве б дет преп ятствовать труба,
на которую эта муфта была надета после						деформации. Вследствие			этого в
муфте	озникают		реактивные на пряжения			( Р),	которые и	обеспечивают
надежную посадку муфт				на трубу (рисунок 6.5). Эти нап ряжения					должны
сохранятся		во	всем	нтервал е	температур		эксплуатации	соединения

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

релаксация	напряжений	вследствие	развития	процессов	возврата, что
ограничивает	рабочие	температуры	сверху	(Tpабmax).	При снижении
132

температуры эксплуатации ТМС	до начала мартенситного		превращения в
материале буде наблюдаться	пластичность	превращения,	при которой
реактивн ые напряжения так же релаксируют.		Поэтому рабо чие температуры

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

выбирать низкотемпературный

МПФ

с очень

низким и

температурами

мартенситного превращения и АКВ < -50 С.

Для этой цели сплавы на основе нике ида титана легируют 2-3

% железа,

которое снижают Мн до -70 -90 С. В таком случае деформацию

(раздачу)

муфты

и

сборку

трубопровода

проводят

в

жидком азоте

(-1

96 С),

а

восстановление

формы

муфты

происходит

при

отогрев е

до

температур

эксплуатации.

Для

обеспечения

высоких

реактивных

напряжений

материал

муфты

должен

иметь

достаточно большой

уровень

напряжений

скольжения

и

удовлетворитель ую

величину

восстанавливаемой деформаций.

Такое

сочетани е термомеханических характеристик у сп авов на

основе

никелида

титана наблюдается у мат риала в полигонизованном состоянии.

Для ТМС,

эксплуатируем ых

при

нормальных

и

повышенных

температурах, может использовать ся среднетемпературный м атериал.

133

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).

	σ	р	Д2	d2
РГЕР			М	М
		3Д4		d4		[МПа]	(34)
			М	М

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

FСТР		π l K N			[Н]	(35)
	C E C E
	1	1	2	2

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:

C

1 (d

/Д

)2

μ ;

C

1 (d

/Д

)2

μ

;

T

Т

T

Т

1

1 (dT /ДТ )2

1

2

1 (dT /ДТ )2

2

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

N = Дт - dм [мм].

(36)

134

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

номинального и удобства установки				муфты и	в сстанавливаемой			степени
деформации материала муфты при растяжении ( в):
d	ДТ ∆
M	1 εВ [мм].					(37)
Исходя из заданных требований к ТМС, о ределяют Дм, l								и К	для
выбранного материала муфты и его обрабо тки, обеспечиваю щие В								P. При
этом необходимо помнить, что
аВ ≥ В P/2						(38)
где аВ - удельная		работа восстановления формы материала после
определ нной об аботки.
Полученные по		езультатам		рас етов	по	формулам	3	–	37
геометр ческие параметры муфт ы являются приблизительными							и	требуют
уточнения в ходе испытаний опытных образцов ТМС.
Такой же подход может быть использован и						для других типов ТМС,

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

	Рисунок 6.6. Принцип	действия стопора		из	материала с эф фектом		запоминания
формы				пор	после
	: а – исходная форм	стопора, б – сто				деформации в	охлажденном
				соединяем
состоянии, в – стопор устанавливают в о тверстия						ых деталей, г – восстановление
			[13, стр. 168].
исходной формы стопора при		агреве

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

последнем случае, например,	элемент из МПФ,	соединенный со стальной
пружиной или полимером при нагреве расправляет лепестки			цветка или крылья
бабочки, а при охлаждении складывает их (рис. 6.8 б .
М териал для термосиловых исполнительных элементо в должен обладать
как высокими реактивными	напряжен ями,	т к и	восстанавливаемой

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.

	а)						б)
Рисунок 6.8. Примеры использования МПФ в различных устройствах:
а) груз,	подвешенный на пружине			из М ПФ		(0 – исходное состояние пружины,
					ием	груза
1 – упругая	деформация пружины		под	действ			, 2 – на копление обратимой
деформации при охлаждении);
б) декоративный элемент – бабочка.
Так	как возмо	ных	ариантов			конструкции,		использующих
термосиловые элементы,		очень много, то универсальных ме тодов расчета их

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

к проектирован ю силовых элементов можно		рассмотре ть на условном
примере. Предположим, необходи	о разработать многократно срабат ывающий
термосиловой элемент ( рабочее	тело до мкрата),	который при нагреве на

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

Если сила в процессе перемещения не меняется,	например,	подъем груза
постоян ной масс ы (рис. 6. 9 а), то работа (А) равна:
А=Р l [Дж],	(39),

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

Рисунок 6.9. Схемы для определения работы элемента из МПФ	при противодействии
с постоянной силой (а), с постоянной жесткостью проти одействия	(б), с п ременным
138

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:

A	P ∆l	[Дж].	(40)
	2

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

∆l
A P(l)dl	[Дж],	(41)
0

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:

A	P ∆l		1 106	H	0,01 м	5 10	3	Дж
	2			2					.

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

(аВ)

этих сплавов достигает

5 МДж/м3 при

растяжении

и

сжатии

и

реактивных напряжениях

Р = 200 МПа,

1КР = 6%. Минимальный объем (V) этого материала,

необходимый для совершения требуемой работы:

A

5 103 Дж

3

3

V

1 10

м .

a

5 10

6

Дж / м

3

В

139

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

S	P				1 105 H		5	10	3	2	;
										м
	σP			200 106 Па
	l		V		1 10 3	0,2		м.
			S		5 10 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:

				D	4 S		4 5 10 3 м2	0,08 м.
					π		3,14
		l		0,2 м	2,5
	Соотношение D			0,08 м		слишком велико для деформации сжатием

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