RU207605U1

RU207605U1 - ROTARY DRIVE EXECUTIVE MECHANISM WITH ALLOY ELEMENTS WITH SHAPE MEMORY EFFECT

Info

Publication number: RU207605U1
Application number: RU2021100233U
Authority: RU
Inventors: Алексей Валерьевич Орлов; Евгений Владимирович Борисов; Дмитрий Валерьевич Масайло; Сергей Дмитриевич Игошин; Виктория Владиславовна Соколова; Анатолий Анатольевич Попович
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-11-03

Abstract

Полезная модель относится к области трубопроводной арматуры и предназначена для использования в качестве привода запорной арматуры для химической промышленности, водопроводах, нефтепроводах и теплоэнергетике.Исполнительный механизм вращательного привода с элементом из сплава с эффектом памяти формы содержит преобразовательный элемент и элементы из сплава с памятью формы. Преобразовательный элемент для преобразования линейного усилия в крутящий момент оснащен изоляционной проставкой и поджат шайбой. К преобразовательному элементу одним концом крепятся два элемента из СПФ, представляющие собой две проволочные спирали. Каждая из проволочных спиралей другим концом крепится к корпусу, который также выполняет функцию защитного кожуха. К торцу преобразовательного элемента крепится индикационная стрелка, которая показывает текущее положение штока клапана, тем самым отображается информация о закрытии или открытии клапана. К элементам из сплава из СПФ подведены провода, которые требуются для нагрева этих элементов путем пропускания электрического тока. Сверху на корпусе выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом для просмотра отклонения стрелки индикатора. На корпусе может быть нанесена градуировка. 4 ил.The utility model relates to the field of pipeline valves and is intended to be used as a drive for shut-off valves for the chemical industry, water pipelines, oil pipelines and heat power engineering. The actuator of the rotary drive with an element made of shape memory alloy contains a converter element and elements made of shape memory alloy. The converter element for converting linear force into torque is equipped with an insulating spacer and is preloaded with a washer. Two SPF elements, which are two wire spirals, are attached to the converter element at one end. Each of the wire spirals is attached at the other end to the body, which also serves as a protective casing. An indicator arrow is attached to the end of the converter element, which shows the current position of the valve stem, thereby displaying information about the closing or opening of the valve. The SPF alloy elements are supplied with wires that are required to heat these elements by passing an electric current. On top of the body there is a viewing window with a protective transparent material for viewing the deflection of the indicator arrow. A graduation can be applied to the housing. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области трубопроводной арматуры и предназначена для использования в качестве привода запорной арматуры для химической промышленности, водопроводах, нефтепроводах и теплоэнергетике.The utility model relates to the field of pipeline valves and is intended for use as a drive of valves for the chemical industry, water pipelines, oil pipelines and heat power engineering.

Известна конструкция привода с крутящим моментом [US2007289301, Torque actuator incorporating shape memory alloy composites], основанная на работе элемента из композиционного материала на основе ферритов и никелида титана или ферромагнитных сплавов с эффектом памяти формы.Known drive design with a torque [US2007289301, Torque actuator incorporating shape memory alloy composites], based on the operation of an element made of a composite material based on ferrites and titanium nickelide or ferromagnetic alloys with shape memory.

Конструкция вращательного привода включает стальной стержень и пружину, которая может быть пластинчатой, винтовой (в данном случае из никелида титана) или двухслойной пластинчатой из ферромагнитного сплава с памятью формы, помещенных в кольцевую раму с расположенными в ней постоянными магнитами и электромагнитами;The design of the rotary drive includes a steel rod and a spring, which can be plate, screw (in this case, titanium nickelide) or two-layer plate made of a ferromagnetic shape memory alloy, placed in an annular frame with permanent magnets and electromagnets located in it;

Один конец пружины закреплен на стальном стержне, в то время как второй прикреплен к раме, по периметру которой расположены гибридные магнитные триггеры. Активация эффекта памяти формы производится с помощью радиально расположенных постоянных магнитов и электромагнитов, которые во включенном состоянии сегментарно притягивают ближайший к внутренней стенке конец пластинчатой пружины из композитного ферромагнитного СПФ, вызывая растяжение пружины и притяжения ее к внутренней стороне рамы и, соответственно, вращение стержня относительно окружающей его кольцевой рамы с электромагнитами.One end of the spring is attached to a steel bar, while the other is attached to a frame around which hybrid magnetic triggers are located. The shape memory effect is activated using radially located permanent magnets and electromagnets, which, when switched on, segmentally attract the end of a leaf spring made of a composite ferromagnetic SPF closest to the inner wall, causing the spring to stretch and attract it to the inner side of the frame and, accordingly, to rotate the rod relative to the surrounding its ring frame with electromagnets.

Недостатком привода является отсутствие фиксированного положения элемента с эффектом памяти формы, что препятствует контролю величины прилагаемого воздействия на привод и, соответственно, изменения положения.The disadvantage of the drive is the lack of a fixed position of the shape memory element, which prevents the control of the magnitude of the applied action on the drive and, accordingly, the change in position.

Известно приводное устройство с регулируемым по температуре выходным крутящим моментом [CN103352818 Temperature control torque output drive device, as well as assembly method and shape memory alloy coil spring preparation method thereof]. Приводное устройство включает в себя основание, кронштейн, расположенный на основании, вращающийся вал, закрепленный на кронштейне подшипниками, соосно расположенные спиральные пружины из сплава с памятью формы, одна из которых является смещающей, при этом один конец каждой пружины закреплен на основании, второй конец первой пружины закреплен на вращающемся валу на первой закрепительной втулке, а второй конец смещающей пружины - на второй. Кроме того, первая пружина оснащена ограничительной рамой, закрепленной на основании.Known drive device with a temperature controlled output torque [CN103352818 Temperature control torque output drive device, as well as assembly method and shape memory alloy coil spring preparation method thereof]. The drive device includes a base, a bracket located on the base, a rotating shaft fixed to the bracket by bearings, coaxially positioned spiral springs made of shape memory alloy, one of which is biasing, with one end of each spring fixed on the base, the second end of the first the spring is fixed to the rotating shaft on the first adapter sleeve, and the second end of the bias spring is attached to the second. In addition, the first spring is equipped with a restraining frame fixed to the base.

В низкотемпературном состоянии одна спиральная пружина растягивается спиральной смещающей пружиной. При повышении температуры спиральная пружина из сплава с памятью формы расслабляется из-за эффекта памяти формы, преодолевает предварительную нагрузку винтовой пружины смещения и приводит вращающийся вал во вращение с выходным крутящим моментом. После снижения температуры спиральная пружина смещения снова сжимает винтовую пружину из сплава, и привод передает обратный крутящий момент на выходной вал.In the low temperature state, one coil spring is stretched by a coil bias spring. As the temperature rises, the shape memory alloy coil spring relaxes due to the shape memory effect, overcomes the preload of the helical bias spring and drives the rotating shaft to rotate with the output torque. After the temperature has dropped, the bias coil spring compresses the alloy coil spring again and the actuator transmits reverse torque to the output shaft.

Действие данной конструкции реализуется путем изменения направления крутящего момента вала в зависимости от температуры, однако в конструкции не предусмотрено контролируемого источника тепла для управления приводным устройством.The action of this design is realized by changing the direction of the shaft torque depending on the temperature, however, the design does not provide for a controlled heat source to control the drive device.

Известен механизм вращательного привода для внедрения в эндоскоп [JPH1068893 А Rotating mechanism and endoscope formed by using the same], который представлен в виде двух микрокатушек с намотанной проволокой из СПФ, разделенных диском, установленным с возможностью смещения в вдоль оси, и вращающегося тела, расположенного соосно катушкам с возможностью вращения по часовой и против часовой стрелки. Вращающееся тело связано с каждой катушкой посредством двух проволок из СПФ, намотанных и закрепленных одним концом на основании катушки, а другим зафиксированных с противоположных сторон на вращающемся теле.Known rotary drive mechanism for insertion into the endoscope [JPH1068893 A Rotating mechanism and endoscope formed by using the same], which is presented in the form of two micro-coils with wound wire from SPF, separated by a disk mounted with the possibility of displacement along the axis, and a rotating body located coaxial to the coils with the possibility of clockwise and counterclockwise rotation. The rotating body is connected to each coil by means of two SPF wires, wound and fixed at one end on the base of the coil, and at the other, fixed on opposite sides on the rotating body.

При нагреве катушек осуществляется возврат проволоки из СПФ из деформированного состояния в первоначальное, при этом проволокой из СПФ инициируется поворот вращающегося тела вокруг своей оси в одну или другую сторону в зависимости от нагреваемой катушки, то есть направление поворота, инициируемое одной катушкой, противоположно инициируемому направлению другой.When the coils are heated, the wire from the SPF is returned from the deformed state to its original state, while the wire from the SPF initiates the rotation of the rotating body around its axis in one direction or the other, depending on the heated coil, that is, the direction of rotation initiated by one coil is opposite to the initiated direction of the other ...

Недостатком данного привода является ненадежность и отсутствие в конструкции нагревательного элемента для приведения эффекта памяти формы в действие.The disadvantage of this drive is the unreliability and the lack of a heating element in the design to bring the shape memory effect into action.

Принцип рычага с применением сплава с памятью формы реализован в следующем изобретении, принятом в качестве прототипа [RU 2500943 "Триггер из сплава с эффектом памяти формы для клапана сброса давления"]. Устройство содержит клапан с рычагом, включающим удлиненный элемент из СПФ в виде проволоки, один конец которой прикрепляют к рычагу, а второй конец продевают внутрь трубки и закрепляют, причем трубка остается неподвижной относительно рычага.The principle of a lever using a shape memory alloy is implemented in the following invention, adopted as a prototype [RU 2500943 "Trigger from a shape memory alloy for a pressure relief valve"]. The device contains a valve with a lever, including an elongated SPF element in the form of a wire, one end of which is attached to the lever, and the other end is threaded into the tube and secured, and the tube remains stationary relative to the lever.

Действие рычага осуществляется при интенсивном нагревании сосуда высокого давления для хранения газа, в частности, когда сосуд подвергается действию огня, при этом проволока сокращается в длине и тянет за собой рычаг, тем самым открывая клапан и способствуя стравливанию избыточного газа. В случае разрыва проволоки из СПФ открытие клапана обеспечивается с помощью дополнительно установленной пружины.The action of the lever is carried out when the pressure vessel for storing gas is intensely heated, in particular, when the vessel is exposed to the action of fire, while the wire shortens in length and pulls the lever, thereby opening the valve and facilitating the release of excess gas. In the event of a break in the SPF wire, the valve opening is ensured by an additionally installed spring.

Недостатком описанного клапана является осуществление небольших усилий под действием изменения окружающей температуры, при этом отсутствует возможность дистанционного контролируемого управления клапаном.The disadvantage of the described valve is the implementation of small efforts under the influence of changes in ambient temperature, while there is no possibility of remote controlled control of the valve.

Таким образом, задачей, которую решает заявляемая полезная модель, является обеспечение надежного привода с упрощенной конструкцией, применимого для работы с повышенными нагрузками с возможностью контроля степени поворота вращательного привода.Thus, the problem solved by the claimed utility model is to provide a reliable drive with a simplified design, applicable to work with increased loads with the ability to control the degree of rotation of the rotary drive.

Поставленная задача решается за счет того, что исполнительный механизм вращательного привода включает корпус с закрепленным на нем преобразовательным элементом и элементами из сплава с эффектом памяти формы, элементы из СПФ выполнены в виде проволочных спиралей, при этом первый конец первого элемента закреплен на преобразовательном элементе под углом 45 градусов к первому концу второго элемента, а вторые концы первого и второго элемента зафиксированы на внутренней стороне корпуса, при этом к концам первого и второго элемента из СПФ для обеспечения нагрева подсоединены провода, а на корпусе выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом для просмотра отклонения прикрепленной к торцу преобразовательного элемента стрелки индикатора.The problem is solved due to the fact that the actuator of the rotary drive includes a housing with a converter element fixed on it and elements made of an alloy with a shape memory effect, elements made of SPF are made in the form of wire spirals, while the first end of the first element is fixed on the converter element at an angle 45 degrees to the first end of the second element, and the second ends of the first and second element are fixed on the inner side of the case, while wires are connected to the ends of the first and second SPF elements to provide heating, and a viewing window with a protective transparent material is made on the case to view the deviation indicator arrow attached to the end of the converter element.

Корпус с закрепленным в нем преобразовательным элементом и элементами из сплава с эффектом памяти формы, отличающийся тем, что элементы из СПФ выполнены в виде проволочных спиралей, при этом первый конец первого элемента закреплен на шкиве под углом 45 градусов к первому концу второго элемента, а вторые концы первого и второго элемента зафиксированы на внутренней стороне корпуса, при этом к концам первого и второго элемента из СПФ для обеспечения нагрева подсоединены провода, а на корпусе выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом для просмотра отклонения прикрепленной к торцу шкива стрелки индикатора.A housing with a converter element fixed in it and elements made of an alloy with a shape memory effect, characterized in that the SPF elements are made in the form of wire spirals, while the first end of the first element is fixed on the pulley at an angle of 45 degrees to the first end of the second element, and the second the ends of the first and second element are fixed on the inner side of the body, while wires are connected to the ends of the first and second element made of SPF to provide heating, and a viewing window with a protective transparent material is made on the body to view the deviation of the indicator arrow attached to the end of the pulley.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что исполнительный механизм вращательного привода включает корпус с закрепленным на нем преобразовательным элементом и элементами из сплава с эффектом памяти формы, элементы из СПФ выполнены в виде проволочных спиралей, при этом первый конец первого элемента закреплен на преобразовательном элементе под углом 45 градусов к первому концу второго элемента, а вторые концы первого и второго элемента зафиксированы на внутренней стороне корпуса, при этом к концам первого и второго элемента из СПФ для обеспечения нагрева подсоединены провода, а на корпусе выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом для просмотра отклонения прикрепленной к торцу преобразовательного элемента стрелки индикатора, обеспечивает контролируемое управление клапаном, а сама конструкция применима для работы с повышенными нагрузками.The technical result of the claimed utility model is that the rotary drive actuator includes a housing with a converter element fixed on it and elements made of an alloy with a shape memory effect, elements made of SPF are made in the form of wire spirals, while the first end of the first element is fixed on the converter element at an angle of 45 degrees to the first end of the second element, and the second ends of the first and second element are fixed on the inner side of the case, while wires are connected to the ends of the first and second SPF elements to provide heating, and a viewing window is made on the case with a protective transparent material for viewing the deviation of the indicator arrow attached to the end of the converter element, provides controlled valve control, and the design itself is applicable to work with increased loads.

Сущность полезной модели поясняется чертежами:The essence of the utility model is illustrated by drawings:

Фиг. 1 - Вращательный привод.FIG. 1 - Rotary drive.

Фиг. 2 - Вращательный привод, расположенный на шаровом клапане, с обозначением основных элементов: 1 - шток шарового клапана; 2 - преобразовательный элемент; 3-первый элемент СПФ; 4 - второй элемент СПФ; 5 - корпус; 6 - индикатор; 7 -нагревательный провод; 8 - изоляционная проставка; 9 - шайба; 10 - защитный прозрачный материал.FIG. 2 - Rotary actuator, located on the ball valve, with the designation of the main elements: 1 - ball valve stem; 2 - conversion element; 3-first element of the SPF; 4 - the second element of the SPF; 5 - case; 6 - indicator; 7 - heating wire; 8 - insulating spacer; 9 - washer; 10 - protective transparent material.

Фиг. 3 - Вращательный привод вид сверху.FIG. 3 - Rotary drive top view.

Фиг. 4 - Положения шкива и состояния элементов и в крайних положениях:FIG. 4 - Positions of the pulley and the state of the elements and in extreme positions:

а - закрыто; б - открыто.a - closed; b - open.

Исполнительный механизм вращательного привода с элементом из сплава с эффектом памяти формы содержит преобразовательный элемент 2, одетый на шток клапана 1. Вращательный момент с преобразовательного элемента 2 на шток 1 передается за счет шпоночного соединения. Преобразовательный элемент 2 выполнен в виде шкива с целью преобразования линейного усилия в крутящий момент, оснащен изоляционной проставкой 8 и поджат шайбой, для того чтобы закрепить преобразовательный элемент 2 на штоке 1 клапана и предотвратить его спадание при помощи винтового соединения. К преобразовательному элементу 2 одним концом крепятся два элемента из СПФ 3 и 4, представляющие собой две проволочные спирали. Каждая из проволочных спиралей другим концом крепится к корпусу 5, который также выполняет функцию защитного кожуха. К торцу преобразовательного элемента 2 крепится индикационная стрелка 6, которая показывает текущее положение штока 1 клапана, тем самым отображается информация о закрытии или открытии клапана. К концам первого и второго проволочного спирального элемента из СПФ 3 и 4 подсоединены с выходом концов со стороны корпуса на источник напряжения провода 7, которые требуются для нагрева этих элементов путем пропускания электрического тока. Сверху на корпусе 5 выполнено смотровое окно с защитным прозрачным материалом 10 (например, оргстеклом) для просмотра отклонения стрелки индикатора 6. На корпусе 5 может быть нанесена градуированная шкала.The actuator of the rotary drive with an element made of shape memory alloy contains a transforming element 2, dressed on the valve stem 1. The torque from the transforming element 2 to the stem 1 is transmitted by means of a keyed connection. The converter element 2 is made in the form of a pulley in order to convert the linear force into torque, equipped with an insulating spacer 8 and pressed with a washer in order to fix the converter element 2 on the valve stem 1 and prevent it from falling off by means of a screw connection. Two elements of SPF 3 and 4, which are two wire spirals, are attached to the converter element 2 with one end. Each of the wire spirals is attached at the other end to the body 5, which also serves as a protective casing. An indicator arrow 6 is attached to the end of the converter element 2, which shows the current position of the valve stem 1, thereby displaying information about the closing or opening of the valve. To the ends of the first and second wire spiral elements made of SPF 3 and 4 are connected with the outlet of the ends from the side of the body to the voltage source of the wires 7, which are required to heat these elements by passing an electric current. On top of the body 5 there is a viewing window with a protective transparent material 10 (for example, plexiglass) for viewing the deviation of the indicator 6 arrow. A graduated scale can be applied to the body 5.

Предпочтительным вариантом применения заявляемого привода является его использование в шаровом клапане запорной арматуры.The preferred application of the claimed drive is its use in a ball valve of shut-off valves.

В исходном состоянии шаровой клапан может быть, как открытым, так и закрытым. Его особенность заключается в том, что он стабилен при любом повороте вентиля. Вследствие этого для совершения работы, а именно закрытия/открытия клапана необходимо повернуть вентиль из одного крайнего положения в другое. Шток 1 шарового клапана соединен с преобразовательным элементом 2, при этом одновременно с преобразовательным элементом 2 вращается и шток 1 клапана, тем самым открывая или закрывая клапан. Поворот штока 1 из состояния «закрыто» в состояние «открыто» осуществляется на 90°. К преобразовательному элементу 2 присоединены два элемента с эффектом памяти формы 3 и 4 направленные в одну сторону по обе стороны преобразовательного элемента 2. В закрытом состоянии шарового клапана (фигура 4а) элемент из СПФ 3 находится в недеформированном состоянии, тогда как элемент из СПФ 4 находится в деформированном растянутом состоянии. Противоположные концы элементов из СПФ 3 и 4 крепятся к корпусу 5, выполняющего также функцию защитного кожуха. При нагреве элемента из СПФ 4 происходит мартенситные превращения и он, сжимаясь, начинает возвращаться в свое исходное состояние, при этом тянет за собой преобразовательный элемент 2, заставляя его вращаться и открывать клапан. За счет преобразовательного элемента 2, элемент из СПФ 3 начинает деформироваться (растягиваться). После восстановления формы, перестаем пропускать электрический ток, элемент из СПФ 4 начинает остывать, а шаровой кран остается в открытом положении (фигура 4б). Для осуществления процесса закрывания шарового клапана, необходимо нагреть элемент из СПФ 3, также путем пропускания электрического тока. В данном случае элемент из СПФ 3 возвращается в исходное состояние, тянет преобразовательный элемент 2 за собой, заставляя его вращаться, и закрывает клапан, а элемент из СПФ 4 деформируется, активируясь для следующего цикла работы. К преобразовательному элементу 2 присоединена стрелка (стрелочный индикатор) 6, показывающая конкретное состояние шарового клапана (открыто/закрыто).In the initial state, the ball valve can be either open or closed. Its peculiarity lies in the fact that it is stable at any turn of the valve. As a result, to perform work, namely to close / open the valve, it is necessary to turn the valve from one extreme position to another. The stem 1 of the ball valve is connected to the converter element 2, while the valve stem 1 rotates simultaneously with the converter element 2, thereby opening or closing the valve. The rotation of the rod 1 from the "closed" state to the "open" state is carried out by 90 °. Two elements with the shape memory effect 3 and 4 are connected to the converter element 2, directed to one side on both sides of the converter element 2. In the closed state of the ball valve (Figure 4a), the element from the SPF 3 is in an undeformed state, while the element from the SPF 4 is in a deformed stretched state. The opposite ends of the elements made of SPF 3 and 4 are attached to the body 5, which also serves as a protective casing. When the element from the SPF 4 is heated, martensitic transformations take place and, while shrinking, it begins to return to its original state, while pulling the converter element 2 with it, forcing it to rotate and open the valve. Due to the transformation element 2, the element from the SPF 3 begins to deform (stretch). After restoring the shape, we stop passing electric current, the element from SPF 4 begins to cool down, and the ball valve remains in the open position (figure 4b). To carry out the process of closing the ball valve, it is necessary to heat the element from SPF 3, also by passing an electric current. In this case, the element from the SPF 3 returns to its original state, pulls the converter element 2 behind it, forcing it to rotate, and closes the valve, and the element from the SPF 4 is deformed, being activated for the next cycle of operation. An arrow (arrow indicator) 6 is connected to the converter element 2, which indicates the specific state of the ball valve (open / closed).

Claims

An actuator of a rotary drive, including a housing with a converter element fixed in it and elements made of an alloy with a shape memory effect (SMF), characterized in that the SMF elements are made in the form of wire spirals, while the first end of the first element is fixed on the converter element at an angle 45 ° to the first end of the second element, and the second ends of the first and second element are fixed on the inner side of the case, while wires are connected to the ends of the first and second SPF elements to provide heating, and a viewing window with a protective transparent material is made on the case to view the deviation indicator arrow attached to the end of the converter element.