CN109668656B - 一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，涉及形状记忆合金的应用领域。起浮装置包括套筒、套筒盖、支撑杆、偏置弹簧、记忆合金弹簧和直线轴承。套筒内部在中部偏上形成一个凸台安装直线轴承；套筒内底端焊接记忆合金弹簧，记忆合金弹簧内安装支撑杆；支撑杆可沿着套筒上下运动；支撑杆上段从下到上依次穿过偏置弹簧、直线轴承和套筒盖，最终穿出套筒盖，上方放置被浮物体；套筒底端法兰盘连接制冷机和导热结构，当降温时，记忆合金弹簧缩短，支撑杆在重力及偏置弹簧弹力作用下向下移动，带动被浮物体向下移动；升温时，记忆合金弹簧伸长，支撑杆向上移动。本发明易于加工，成本低，操作简便，实现了智能化。

Description

一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置

技术领域

本发明涉及形状记忆合金的应用领域，具体是一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置。

背景技术

现有技术中，如北京航空航天大学研究的高温超导磁悬浮微小力测量装置，设计了一种起浮装置，利用步进电机来驱动支撑板，从而移动超导体到合适的位置进行测量。包括水平支撑座、水平导轨、竖直支撑座、竖直导轨、直线轴承、水平步进电机、竖直步进电机、丝杠和支撑平板。工作时先通过竖直步进电机驱动支撑平板调节永磁平台达到初始高度，随后降温使超导平台进入超导态，接着通过竖直步进电机调节永磁体平台的高度，使之稳定悬浮于超导体平台之上。整个过程需要人为操纵步进电机来改变永磁体的位置高度，这种装置不仅结构复杂、而且由于人眼观察的不稳定性，容易出现操作失误，另一方面，步进电机在工作过程中会产生振动，对永磁体的运动产生不小的干扰。此外，步进电机在工作时有电磁干扰，会对精密的测量产生影响。因此需要对这种依靠步进电机进行控制的起浮装置进行改造。

形状记忆合金(SMA)是一种在外界温度变化的过程中可以消除之前的形变、恢复到变形前原始状态的合金材料，其所具有的特殊现象称为形状记忆效应(SME)，形状记忆效应分为三种，单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。其中，具有双程记忆效应的记忆合金在温度较高时恢复到高温相形状，冷却时又能恢复到低温相形状；这种特性使其在很多领域都具有良好的应用前景。例如，工业上可以用于温度自动调节器、报警器的控制元件、铺设管道时的形状记忆耦合，医学上可以用于各类腔内支架及手术缝合线等。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，结构简单、性能可靠，采用温度控制且具有双程记忆效应，在竖直方向进行调节，实现智能控制，可以稳定、有效的应用于高温超导磁悬浮微小力测量装置中。

所述的起浮装置包括套筒、套筒盖、支撑杆、偏置弹簧、记忆合金弹簧和直线轴承。

套筒为柱状圆环，顶端设有螺纹，用于安装套筒盖，底部为法兰盘并设有安装孔；套筒内部包括上下两段，上段内径大于下段内径，在中部偏上位置形成一个凸台，用于安装直线轴承；套筒内底端焊接记忆合金弹簧，记忆合金弹簧内安装支撑杆；套筒与支撑杆之间采用同轴的过盈配合；支撑杆可沿着套筒上下运动；支撑杆的长度根据实验需要设定，包括上中下三段，上下两段的直径相同，且上段长度远大于下段长度，中段的直径大于上下两段的直径，在中间部分形成一个凸台，下段伸入并被套在记忆合金弹簧中，凸台部分卡在记忆合金弹簧上端；上段从下到上依次穿过偏置弹簧、直线轴承和套筒盖，最终穿出套筒盖，上方放置被浮物体；

偏置弹簧位于套筒凸台的下方，在工作时处于压缩状态，有一个向下的弹性作用力；

直线轴承位于套筒凸台的上方，主要用于减小支撑杆上下移动时的摩擦力。

工作时，套筒底端法兰盘连接制冷机和导热结构，外部制冷机以热传导的方式来改变记忆合金弹簧的温度，从而使其产生变形；当降温时，记忆合金弹簧缩短，支撑杆在重力及偏置弹簧弹力作用下向下移动，带动被浮物体向下移动；升温时，记忆合金弹簧伸长，支撑杆在记忆合金弹簧的弹力作用下向上移动。

本发明的优点如下：

1)、一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，组成零部件少，结构简单；除了记忆合金成本较高外，其余零件都很常见，并且易于加工，成本低。

2)、一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，操作简便，实验前确定支撑杆的初始位置后，就不再需要人为控制，实现了智能化。

3)、一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，记忆合金所需要的低温环境容易实现。

4)、一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，起浮高度可调，对于不同的实验，可采用不同长度的支撑杆以满足不同的高度需求。

附图说明

图1是本发明一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置的示意图；

图2是本发明形状记忆合金起浮装置的套筒结构示意图；

图3是本发明形状记忆合金起浮装置的支撑杆结构示意图；

图4是本发明形状记忆合金起浮装置的套筒盖结构示意图；

图5是本发明一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置的应用示意图；

1-偏置弹簧，2-套筒，3-支撑杆，4-套筒盖，5-直线轴承，6-记忆合金弹簧，7-超导阵列，8-导热结构，9-永磁浮台，10-起浮装置，11-制冷机，12-真空舱。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，通过改变温度实现两种状态的变化：起浮物体的起和浮，该装置结构简单、无电磁干扰，状态容易控制。具体为该起浮装置被固定在平面上，在温度的控制下，通过记忆合金弹簧驱动支撑杆上下移动，通过直线轴承与支撑杆之间的配合来约束支撑杆，避免支撑杆左右晃动，从而带动被浮物体进行平稳的、无磁场干扰的起浮。

所述的起浮装置如图1所示，包括套筒2、套筒盖4、支撑杆3、偏置弹簧1、记忆合金弹簧6和直线轴承5。

如图2所示，套筒2内部包括上下两段，上段长37mm，内径为23mm，下段长70mm，内径为18mm，在中部偏上位置形成一个凸台，用于安装直线轴承5；套筒2和底部法兰盘一体成型，顶端设有套筒盖4配合；套筒2内底端通过激光焊接记忆合金弹簧6，并进行一定的热处理，以改善其结构刚度要求，同时还可以调节记忆合金弹簧6的相变温度，以此控制和利用其形变效应；在焊接前采用激光对连接位置加热形成焊接接头，去掉焊接位置处的油脂和氧化膜，使得焊接后的连接件具有良好的结构稳定性；

记忆合金弹簧6选用CuAlMn形状记忆合金，其相变温度为100K左右；制作规格为：外径为18mm，丝径2mm，高温状态下自由高度为40mm，低温状态下自由高度为20mm的记忆合金弹簧，在外界温度的控制下，记忆合金的自由高度可在20mm至40mm之间变化，从而实现位移控制。

记忆合金弹簧6内安装支撑杆3；支撑杆3沿套筒2上下运动，实验前可调节支撑杆3高度到指定位置。

支撑杆3的高度可调，根据不同实验需要对支撑杆3的位置进行调节，如图3所示，包括上中下三段，上下两段的直径相同为13mm，上段长度110mm，下段长度15mm；中段的直径为18mm，长10mm，形成一个凸台，下段伸入并套在记忆合金弹簧6中，支撑杆3凸台部分卡在记忆合金弹簧6上端；上段从下到上依次穿过偏置弹簧1，直线轴承5和套筒盖4，最终穿出套筒盖4，上方放置被浮物体；

套筒盖4的结构如图4所示，通过螺纹安装在套筒2的顶端。

偏置弹簧1位于套筒2凸台的下方，在工作时处于压缩状态，有一个向下的弹性作用力；

套筒2与支撑杆3之间采用同轴的过盈配合，配合越紧，支撑杆3的横向晃动就越小，但摩擦力反而越大。为了避免这个矛盾，采用了直线轴承5，设置在套筒2凸台的上方，5在减小支撑杆横向晃动的同时减小摩擦力。

如图5所示，本实施例的应用系统包括真空舱12、永磁浮台9、起浮装置10、制冷机11、导热结构8和超导阵列7。真空舱12用于制造实验所需要的真空环境。

工作前，起浮装置10和超导阵列7均处于室温，超导阵列7对永磁浮台9没有悬浮力，支撑杆3的上端穿过导热结构8，用于支撑永磁浮台9。

工作时，超导块需要降温才能对永磁浮台9产生悬浮力，所以在降温过程中需要起浮装置10先撑着永磁浮台9；制冷机11连接导热结构8，以热传导的方式同时为超导阵列7和起浮装置10制冷；当温度降至超导块和记忆合金弹簧6的临界温度后，记忆合金弹簧6开始收缩变形，自由长度由40mm缓慢降至20mm，支撑杆3在自身重力以及偏置弹簧1的弹力作用下向下移动，而放在支撑杆3上方的永磁浮台9也在自重作用下跟随下降，永磁浮台9在下降过程中受到超导块的悬浮力而实现稳定悬浮，与支撑杆3脱离。

实验结束后，制冷机11停止工作，温度回升到室温，温度高于记忆合金弹簧6的相变温度，记忆合金弹簧6伸展，自由长度由20mm缓慢上升至40mm，支撑杆3在记忆合金弹簧6的弹力下向上移动，作为永磁浮台9的支撑平台，完成起浮。

Claims (1)

1.一种用于超导磁悬浮微小力测量的形状记忆合金起浮装置，其特征在于，包括套筒、套筒盖、支撑杆、偏置弹簧、记忆合金弹簧和直线轴承；

套筒为柱状圆环，顶端设有螺纹，用于安装套筒盖，底部为法兰盘并设有安装孔；套筒内部包括上下两段，上段内径大于下段内径，在中部偏上位置形成一个凸台，用于安装直线轴承；套筒内底端焊接记忆合金弹簧，记忆合金弹簧内安装支撑杆；套筒与支撑杆之间采用同轴的过盈配合；支撑杆可沿着套筒上下运动；支撑杆包括上中下三段，上下两段的直径相同，且上段长度远大于下段长度，中段的直径大于上下两段的直径，在中间部分形成一个凸台，下段伸入并被套在记忆合金弹簧中，凸台部分卡在记忆合金弹簧上端；上段从下到上依次穿过偏置弹簧、直线轴承和套筒盖，最终穿出套筒盖，上方放置被浮物体；

所述的偏置弹簧位于套筒凸台的下方，在工作时处于压缩状态，有一个向下的弹性作用力；

直线轴承位于套筒凸台的上方，主要用于减小支撑杆上下移动时的摩擦力；

记忆合金弹簧选用CuAlMn形状记忆合金，其相变温度为100K左右；制作规格为：外径为18mm，丝径2mm，高温状态下自由高度为40mm，低温状态下自由高度为20mm的记忆合金弹簧，在外界温度的控制下，记忆合金的自由高度在20mm至40mm之间变化，从而实现位移控制；

工作时，套筒底端法兰盘连接制冷机和导热结构，外部制冷机以热传导的方式来改变记忆合金弹簧的温度，从而使其产生变形；当降温时，记忆合金弹簧缩短，支撑杆在重力及偏置弹簧弹力作用下向下移动，带动被浮物体向下移动；升温时，记忆合金弹簧伸长，支撑杆在记忆合金弹簧的弹力作用下向上移动。

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