形状记忆合金热机驱动性能的研究-论文.pdf

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1、2机电技术2014年8月形状记忆合金热机驱动性能的研究‘刘荣毛文钦(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州310018)摘要：形状记忆合金(SMA)热机主要包括3部分：热循环系统、曲柄滑块机构和主轴。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型，并结合弹簧受力变形分析设计了sMA弹簧和偏置弹簧。通过MATLAB仿真得到SMA弹簧温度一位移、温度一驱动力变化曲线，最终通过实验验证驱动器的驱动特性。关键词：热机；SMA弹簧；偏置弹簧；本构模型中图分类号：TG139~．8文献标识码：A文章编号：1672—4801(2014)04—002

2、—04可再生能源大部分是低能量密度和分散的资将驱动器单独拿出来，其具体结构示意图如图2源，大规模应用困难，效率低，尤其是小型生物质所示。能发电以及太阳能的热电应用。因为回收利用难，工业生产中存在大量的余热大部分直接排空了，这些余热绝大多数是在200~C以下。例如：建材行业中高温烟气的余热；机械行业中高温产品和炉渣的余热；化工行业中的化学反应热；再有就是为了保护高温生产设备或满足工艺流程冷却要图2热循环系统示意图求，空气、水和油等冷却介质带走的余热等等。特1．端盖；2．记忆合金弹簧；3．偏置弹簧；4．气缸；5．驱动杆件别是内燃机燃料能量中只

3、有40％可以转化为有用热机由SMA弹簧驱动，SMA弹簧和偏置弹簧功，而另外60％的能量以热能的形式耗散掉，而且放置在气缸内驱动杆件的导向杆上。驱动杆件由在耗散掉的热能当中有90％属于低温热能n。从阀和导向杆组成，可以在气缸内自由滑动。另外一方面看，工业余热资源非常丰富，广泛存在首先热水或热气可以通过孔A流进气缸，然于各行业的生产过程中。目前我国能源利用仍然后再通过阀1上的孔，给SMA弹簧加热。这时记存在着利用效率低、经济效益较差，生态环境压力忆合金(SMA)弹簧的温度升高，记忆合金也开始大的主要问题。“十二五”规划明确提出节能减排发生相变

4、了，由原来的马氏体渐渐向奥氏体转的政策要求。本文研究的形状记忆合金(SMA)热变。于是SMA弹簧便产生了形变，而SMA弹簧与机通过热循环系统可以有效地利用一部分余热，驱动杆件直接相连。所以驱动杆件在SMA弹簧将热能转化为有用功。的作用下，在气缸中进行滑动。接着整个曲柄滑1热机的工作原理块机构也产生了运动。由于单项轴承是固定在曲柄中的，所以在曲柄滑块机构的作用下，主轴只能本文所设计的热机由两个完全相同的曲柄滑沿着某一个方向转动。当然固定在主轴上的飞轮块机构构成，并且以形状记忆合金弹簧作为驱动也跟着一起转动。运动一段距离阀1将：fLA堵住材料

5、，整个机构的结构示意图如图1所示。了，而孑LB打开了，此时冷水或冷气可以通过孔流进气缸内，同样通过阀1上的孔，给SMA弹簧进行冷却。这时SMA弹簧刚度系数变小，在偏置弹簧的作用下，曲柄滑块机构又回到原来的状态。图1热机结构示意图由于是单向轴承，所以在返回的时候，主轴并不会1．曲柄；2．连杆；3．滑块；4．导轨；5．驱动器；6．飞轮；7．轴承座；8．单项轴承；9．滚动轴承；10．主轴转动。最终的混合水由C孔，也就是泄流孔流为了更好地了解热循环系统工作状态，可以出。为了提高热机的工作效率，增加了一个完全十浙江省重点创新团队基金资助项目(201

6、0R5003)作者简介：刘荣(1972一)，男，博士，副教授，研究方向：机械电子控制工程。第4期刘荣等：形状记忆合金热机驱动性能的研究3相同的对称的机构。当一个机构处于冷却返回的式中，为材料泊松比，C为常数，此处取C：。状态时，另一个机构正处于加热做功状态。这样联立式(3)、(4)、(5)整理得修正后的Brinson两个相同机构就可以交替运转，提高了热机的工本构模型作效率。丁一r。=2(1+)[G()(—)一2驱动系统模型建立G(。一y。)】+@()(—To)‘6以驱动杆为研究式中，，：为最大剪切残余应变。切变模量与对象，根据它的运动状况

7、，可以将它的运温度之间的关系式如下【4]：动简化成如图3所示fG』lf，TAfJtT>M偏置弹簧相连，SMA弹簧的原长是L，最大变形量式中，，慨分别为马氏体相变开始、结束温度；是△L。A，4别为奥氏体相变开始，结束温度嘲。对于质量块，根据牛顿第二定律可以得到：G(，)=CM+1+sinto(T一)](8)^戤+应M+l—kz)x=F(1)在加热时马氏体正相变过程中式中，表示质量块的位移，表示阻尼系数，k。表示SMA弹簧初始

8、的刚度系数，后：表示偏置弹簧T-(9)m的刚度系数，表示质量块的重量，F表示SMA弹在冷却时马氏体逆相变过程中簧产生的力。因为物体运动的速度不是很快，而T-TM,+Ms且响应的时间也较快，所以