CN115655677B - 一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置及方法。本发明将SMA管夹在压力传感器和等刚度管之间，施加一定的预载后，SMA管受热伸长，等刚度管受压缩，由于等刚度管刚度不变，SMA管输出的力就可以通过压力传感器测量，同时，利用千分表同步测量SMA管输出的位移，从而得到SMA管在特定刚度下的驱动性能。本发明装置可测量SMA管在特定刚度下的驱动性能；同时，通过更换等刚度管，改变驱动刚度，即可获得SMA管在不同驱动路径下的驱动性能。本发明中，SMA管驱动力和位移变化量之比(即刚度)为定值，可实现SMA管的变载荷(等刚度)的驱动测量，且本发明装置结构简单、测量准确、线性度高且零件可替换性强。
Description
技术领域
本发明涉及位移驱动、测量技术领域，具体涉及一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置及方法。
背景技术
形状记忆合金(SMA)驱动器，因其优异的形状记忆效应而作为一种驱动器在航空航天领域广泛应用。SMA驱动器的驱动力和驱动位移具有强耦合性，在不同的驱动路径下，SMA驱动器所能输出的载荷和位移不同。例如在较小的约束刚度下，SMA驱动器能够完全恢复形状，而在较大的约束刚度下，SMA驱动器能输出较大的载荷但只能够输出较小的位移。因此SMA驱动器的驱动性能与被驱动件的刚度具有强耦合性。目前SMA驱动器的驱动性能测试装置主要集中在恒定载荷下测试回复位移，然而，这种测量方法与实际使用过程相差较远，无法直接将测量结果用于设计中。
SMA管作为一种线性驱动器，具备大载荷、小位移等特点。SMA管驱动器在各种航天航空机构中广泛使用，例如航天锁紧释放机构等。图1给出一种SMA管-缺口螺栓锁紧释放机构，其结构由缺口螺栓I-1、球铰I-2、SMA管5、加热器6和螺母I-3组成。当需要释放时，对加热器6通电加热，SMA管5发生相变产生驱动力，继而顶断缺口螺栓，在这一过程中，SMA管5输出的驱动力随着缺口螺栓的伸长而增大，SMA管5驱动力-位移响应完全取决于缺口螺栓I-1的拉断曲线，试验和分析表明缺口螺栓I-1拉断曲线几乎为线性，即刚度不变，因此要模拟SMA管5顶断缺口螺栓的过程，需要设计一种变载荷(等刚度)的驱动测量装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，在该装置中，SMA管驱动力和位移变化量之比(即刚度)为定值，该装置结构简单、测量准确、线性度高且零件可替换性强。
本发明的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，包括：传感器安装板、中空的阶梯筒、加载螺栓、等刚度管、上垫块、SMA管、加热器、下垫块和压力传感器；
其中，阶梯筒安装在传感器安装板上；压力传感器位于阶梯筒内部，并固定在传感器安装板上；压力传感器的测试面上由下至上依次同轴放置下垫块、SMA管、上垫块、等刚度管和加载螺栓，加载螺栓与阶梯筒螺纹连接；加热器安装在SMA管的外部；
还包括千分表，用于测量上垫块与下垫块移动的位移。
较优的，还包括导向杆，压力传感器、下垫块、SMA管、上垫块、等刚度管和加载螺栓同轴依次套在导向杆上。
较优的，还包括延长臂A和延长臂B；其中，延长臂A固定在上垫块上，延长臂B固定在下垫块上，且靠近SMA管；千分表安装在延长臂上。
较优的，延长臂A和延长臂B分别为多组，对称地安装在上垫块和下垫块上，各延长臂上均安装有千分表。
较优的，所述加热器采用热电偶加热器。
较优的，所述压力传感器为轮辐式压力传感器。
较优的，等刚度管的下端面和上垫块为方形。
较优的，上垫块、下垫块与阶梯筒的配合段均采用小间隙配合。
本发明还提供了一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量方法，采用上述测量装置进行测量，包括：
将待测试的SMA管安装在所述测量装置；通过加载螺栓施加一定的预载；利用加热器对待测试的SMA管进行加热，并记录加热器的温度示数；采用视频记录千分表的示数和压力传感器的示数；
基于千分表的示数和压力传感器的示数，得到SMA管在等刚度管刚度下的驱动性能；
更换等刚度管，获得SMA管在不同刚度下的驱动性能。
较优的，通过改变等刚度管的截面积和/或高度，得到不同刚度的等刚度管。
有益效果：
(1)本发明将SMA管夹在压力传感器和等刚度管之间，施加一定的预载后，SMA管受热伸长，等刚度管受压缩，由于等刚度管刚度不变，SMA管输出的力就可以通过压力传感器测量，同时，利用千分表同步测量SMA管输出的位移，从而得到SMA管在特定刚度下的驱动性能。本发明装置可测量SMA管在特定刚度下的驱动性能；同时，通过更换等刚度管，改变驱动刚度，即可获得SMA管在不同驱动路径下的驱动性能。本发明中，SMA管驱动力和位移变化量之比(即刚度)为定值，可实现SMA管的变载荷(等刚度)的驱动测量，且本发明装置结构简单、测量准确、线性度高且零件可替换性强。
(2)通过设计不同尺寸的等刚度管，可以实现刚度可以调节，同时，通过尺寸设计，等刚度管的应力始终低于屈服极限，使得等刚度管始终处于屈服段内，确保驱动刚度保持不变。
(3)采用了轮辐式压力传感器，具备较大的刚度，以保证整个系统内的刚度主要受到等刚度管的影响。
(4)将延长臂通过螺钉装配在下垫块上，且位于靠近SMA管的一段，延长臂随着垫块一起移动，当SMA管伸长后，延长臂随之运动，上下两组延长臂之间的高度差变化量即为SMA管的伸长量；左右对称地设置延长臂，同时记录各延长臂上千分表的示数变化，能够消除SMA管驱动器表面不平度带来的影响，稳定可靠。
(5)采用阶梯筒的形式，确保整个装置的刚度较大，且安装方便。
(6)采用导向杆确保同轴：装配时，使导向杆分别穿过轮辐式压力传感器、下垫块、SMA管和上垫块，插入等刚度管下端孔内，其圆柱面和轮辐式压力传感器、下垫块、SMA管、上垫块和等刚度管均采用了轴孔配合的方式，确保在驱动过程中，各零件所受的载荷均沿着轴向分布。
(7)将等刚度管的下端面设计成方形，确保通过拧紧加载螺栓施加预紧载荷时，扭矩不会传递到等刚度管及下方零件，只会在加载螺栓与等刚度管的接触面发生相对滑动，进一步确保SMA管只受到轴向压缩载荷的作用。
(8)上垫块和下垫块与阶梯筒的配合段均采用小间隙配合，确保上垫块和下垫块不会发生偏移。
(9)采用加载螺栓的外螺纹面和等刚度管的内螺纹面配合进行施加预紧载荷，螺纹副的直径较大，确保在加载过程中，载荷沿着轴向且位于中心。
附图说明
图1为所述的SMA管-缺口螺栓锁紧释放装置结构示意图；
图2为典型的缺口螺栓拉断曲线；
图3为变载荷驱动性能测量装置的原理图；
图4为所述的等刚度测试装置结构示意图；
图5为所述的等刚度测试装置轴测图；
图6为等刚度管结构示意图；
图7为轮辐式压力传感器结构示意图；
图8为变载荷驱动性能测试装置得到SMA管的驱动力-位移曲线。
其中，1-加载螺栓，2-千分表，3-等刚度管，4-上垫块，5-SMA管，6-加热器，7-延长臂A，8-下垫块，9-延长臂B，10-阶梯筒，11-M6螺钉，12-传感器安装板，13-导向杆，14-轮辐式压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，如图3所示，主要由SMA管5，等刚度管3和阶梯筒10组成，等刚度管3的刚度与缺口螺栓相等，用于模拟SMA管5顶断缺口螺栓的过程。为了测量SMA管的驱动力和位移，同步引入了力传感器和位移测量装置，具体的实施方案如下。
本实施例形状记忆合金管变载荷驱动性能的测试装置，如图4所示，包括：加载螺栓1，千分表2，等刚度管3，上垫块4，SMA管5，加热器6，延长臂A7，下垫块8，延长臂B 9，阶梯筒10，M6螺钉11，传感器安装板12，导向杆13和轮辐式压力传感器14。
其中，轮辐式压力传感器14和阶梯筒10安装在传感器安装板12上，下垫块8压在轮辐式压力传感器14的测试面上，SMA管5压在下垫块8上，SMA管5外部安装用于加热的加热器6，上垫块4压在SMA管上，等刚度管3压在上垫块4上，加载螺栓1压在等刚度管3上，加载螺栓1和阶梯筒10通过螺纹连接，通过拧紧加载螺栓1，可以施加预紧载荷。其中，可采用导向杆13确保同轴，装配时，使导向杆13分别穿过轮辐式压力传感器14，下垫块8，SMA管5和上垫块4，插入等刚度管3下端孔内；导向杆13的圆柱面和轮辐式压力传感器14、下垫块8、SMA管5、上垫块4和等刚度管3均采用了轴孔配合的方式，确保在驱动过程中，各零件所受的载荷均沿着轴向分布。采用阶梯筒的形式，确保了整个装置的刚度较大，且安装方便。
为进一步确保SMA管只受到轴向压缩载荷的作用，本实施例中，垫块4、8采用了方形，等刚度管3的下端面同样设计成方形，确保通过拧紧加载螺栓1施加预紧载荷时，扭矩不会传递到等刚度管3及下方零件，只会在加载螺栓1与等刚度管3的接触面发生相对滑动。同时，上垫块4和下垫块8与阶梯筒10的配合段均采用小间隙配合，确保上垫块4和下垫块8不会发生偏移。采用加载螺栓1的外螺纹面和等刚度管3的内螺纹面配合进行施加预紧载荷，且螺纹副的直径较大，确保在加载过程中，载荷沿着轴向且位于中心。
为方便位移测量，在上垫块4和下垫块8的侧面、且靠近SMA管的一段，开有螺钉孔，用于安装延长臂A7和延长臂B9，延长臂随着垫块一起移动，当SMA管伸长后，延长臂随之运动；延长臂A和延长臂B之间的高度差变化量即为SMA管的伸长量。将千分表分别打在延长臂A和延长臂B上，通过录像记录千分表的示数变化，即可获得SMA管的伸长量。为消除SMA管驱动器表面不平度带来的影响，在上垫块4的相对的侧面对称地设置延长臂，同样的，在下垫块8的侧面对称地设置延长臂，根据四个千分表的示数变化，确定SMA管5的伸长量。
如图4所示，该测试装置的安装过程是由下往上逐级安装，首先将轮辐式压力传感器14装在传感器安装板12上，然后将阶梯筒10安装在传感器安装板12上，将导向杆13插入轮辐式压力传感器14的圆柱孔内，接着将下垫块8从阶梯筒10的上孔置入，沿着导向杆13下降，压在轮辐式压力传感器14的测试面上，然后将SMA管5从阶梯筒10的上孔放入，沿着导向杆13下降，压在下垫块8的上表面，然后将上垫块4从阶梯筒10的上孔放入，沿着导向杆13下降，压在SMA管5的上表面，然后将等刚度管3从阶梯筒10的上孔放入，其中矩形平面的一端朝下，压在上垫块4的上表面，接着，拧入加载螺栓，最后是将延长臂A和延长臂B分别装配在上垫块4和下垫块8的侧面。
本发明装置在安装完成后的效果如图5所示。需要测量时，采用视频记录4个千分表2的示数和轮辐式压力传感器14表头的示数，加热器6内部安装有热电偶，同时记录热电偶温度示数。施加一定的预载后，将复位完成的SMA管5安装在阶梯筒内，当SMA管5受热伸长后，等刚度管3受压缩，SMA管5输出的力可以通过轮辐式压力传感器14测量，SMA管5输出的位移通过千分表2测量，进而得到SMA管5在特定刚度下的驱动性能。该装置用于测量SMA管5在特定刚度下的驱动性能，通过更换等刚度管3，改变驱动刚度，获得SMA管5在不同驱动路径下的驱动性能。
等刚度管采用钢材料制备，等刚度管和SMA管装配成一个系统，等刚度管的结构如图6所示，可以通过替换不同截面积、高度的等刚度管实现对该测量装置刚度的调节，进而实现SMA管在不同变载荷路径下驱动性能的测定。同时，通过尺寸设计，等刚度管的应力始终低于屈服极限，使得等刚度管始终处于屈服段内，确保驱动刚度保持不变。
采用轮辐式压力传感器，具备较大的刚度，以保证整个系统内的刚度主要受到等刚度管的影响。轮辐式力传感器的结构如图7所示，轮辐式力传感器的导线通过阶梯筒底部的方槽引出，与显示器连接，实现驱动力示数实时显示。
通过视频记录并后期处理，可以得到SMA管沿着某一刚度驱动力-位移曲线，如图8所示，从图8中可以看出，SMA在该刚度下输出最大载荷为15kN，位移约为0.27mm，在驱动过程中力-位移线性度较高，说明该装置模拟刚度稳定可靠。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，包括：传感器安装板(12)、中空的阶梯筒(10)、加载螺栓(1)、等刚度管(3)、上垫块(4)、SMA管(5)、加热器(6)、下垫块(8)和压力传感器(14)；
其中，阶梯筒(10)安装在传感器安装板(12)上；压力传感器(14)位于阶梯筒(10)内部，并固定在传感器安装板(12)上；压力传感器(14)的测试面上由下至上依次同轴放置下垫块(8)、SMA管(5)、上垫块(4)、等刚度管(3)和加载螺栓(1)，加载螺栓(1)与阶梯筒(10)螺纹连接；加热器(6)安装在SMA管(5)的外部；
还包括千分表(2)，用于测量上垫块(4)与下垫块(8)移动的位移。
2.如权利要求1所述的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，还包括导向杆(13)，压力传感器(14)、下垫块(8)、SMA管(5)、上垫块(4)、等刚度管(3)和加载螺栓(1)同轴依次套在导向杆(13)上。
3.如权利要求1或2所述的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，还包括延长臂A(7)和延长臂B(9)；其中，延长臂A(7)固定在上垫块(4)上，延长臂B(9)固定在下垫块(8)上，且靠近SMA管(5)；千分表(2)安装在延长臂上。
4.如权利要求3所述的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，延长臂A(7)和延长臂B(9)分别为多组，对称地安装在上垫块(4)和下垫块(8)上，各延长臂上均安装有千分表。
5.如权利要求1或2所述的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，所述加热器(6)内部安装有热电偶，通过热电偶测量加热器温度。
6.如权利要求1或2所述的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，所述压力传感器(14)为轮辐式压力传感器。
7.如权利要求1所述的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，等刚度管(3)的下端面和上垫块(4)为方形。
8.如权利要求1或2或7所述的形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量装置，其特征在于，上垫块(4)、下垫块(8)与阶梯筒(10)的配合段均采用小间隙配合。
9.一种形状记忆合金管驱动性能的等刚度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～8任意一项所述的测量装置进行测量，包括：
将待测试的SMA管(5)安装在所述测量装置；通过加载螺栓(1)施加一定的预载；利用加热器(6)对待测试的SMA管(5)进行加热，并记录加热器(6)的温度示数；采用视频记录千分表(2)的示数和压力传感器(14)的示数；
基于千分表(2)的示数和压力传感器(14)的示数，得到SMA管在等刚度管(3)刚度下的驱动性能；
更换等刚度管，获得SMA管在不同刚度下的驱动性能。
10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，通过改变等刚度管的截面积和/或高度，得到不同刚度的等刚度管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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