（机械制造及其自动化专业论文）形状记忆合金执行器加载特性实验台的研究.pdf

摘要 摘要 本课题是对形状记忆合金执行器加载特性实验台的研究。研究内容包括实 验参数确定和力加载复位系统设计两部分。其中，在确定实验参数时需计算控 制执行器温度的实验加载电流和实验周期中冷却时间。据此，实验台可以对执 行器进行线性力加载特性下的实验研究。设计实验台复位系统以实现多种形式 的复位力的加载，取代只有线性力加载功能的复位件，进而通过形状记忆合金 执行器加载特性分析实验台对执行器全面加载特性的研究。 为确定实验加载电流和实验周期，首先研究了形状记忆合金执行器传热 量。然后通过静态和动态的热力学方程，建立加载电流与目标温度关系的数学 模型和执行器冷却时间的数学模型。利用m a t l a b 对执行器参数对传热量的影响 进行分析，确定实验中的加载电流和执行器冷却时间两个参数。 在复位系统的设计中，针对气动系统的两种执行器气缸和肌腱特性设计了 三个可行的复位系统气动方案。通过对方案的比较，拟选用以低摩擦气缸和比 例减压阀为主要元件的方案实现应力加载复位系统。 关键词：形状记忆合金，形状记忆效应，双程效应，形状记忆合金执行器， 复位力，复位系统，加载特性。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tr e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma b o u tt h el o a d i n gt r a i t s o fs h a p em e m o r ya l l o y sa c t o r t h i sp a p e ri sc o n s i s to ft w op a r t s ：t h ed e f i n i t i o no f p a r a m e t e r si ne x p e r i m e n ta n dt h er e s e a r c ho nr e s e ts y s t e mi nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m w h i l ei nt h ef i r s tp a r t , i ti sr e q u i r e dt ok n o wt h el o a d i n gc u r r e n tw h i c hc o n t r o l st h e t e m p e r a t u r eo fa c t o ra n dt h et e r mo fe x p e r i m e n t w i t ht h e s et w op a r a m e t e r so f e x p e r i m e n t ，t h ep l a t f o r mo fe x p e r i m e n tc a nd oe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho na c t o ru n d e r l i n e a r i t yl o a d i n gt r a i t t h ep u r p o s eo fe x p l o i t a t i o no nr e s e ts y s t e mi sr e a l i z a t i o no f l o a d i n gs e v e r a lk i n d s o fr e s e ts u e s s ，r e p l a c i n gr e s e tp e r f o r m e ro n l yc o n c l u d i n g l i n e a r i t yl o a d i n gf u n c t i o n w i t ht h ee v a l u a t i o no fp a r a m e t e r sa n dt h er e a l i z a t i o no f r e s e ts y s t e m ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mc a nr e a l i z et h ea l l - s i d e dr e s e a r c ho i lt h el o a d i n g t r a l t s i no r d e rt od ot h er e s e a r c ho nt h et w oe x p e r i m e n tp a r a m e t e r s ，t h ee m i t t i n gh e a t o fs h a p em e m o r y a l l o yt h r e a d si sr e s e a r c h e d w i t ht h ee n e r g e t i cf o r m u l ai nt h es t a t i c a n dd y n a m i cs t a t e ，m a t hm o d e li se s t a b l i s h e s u s i n gm a t l a bc a nh e l pd e f m i n gt h e l o a d i n gc u r r e n ta n dt h et e r mo fe x p e r i m e n t a n da n a l y z i n gt h ei n f e c t i o nw h a tt h e p a r a m e t e ro na c t o rd o t ot h eh e a tt r a n s f e r r i n g t h r o u g ht h er e s e a r c ho nr e s e ts y s t e m ，t h r e ec o o r d i n a t es c h e m e sa b o u tr e s e t s y s t e ma r cd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h o nt h ec h a r a c t e ro fc y l i n d e r 、 p n e u m a t i cm u s c l e a f t e rt h ec o m p a r ei na l ls o l m i o n s ，s o l u t i o nf o u ri ss e l e c t e da sb e s t s o l u t i o n ，t oc o n s t r u c tt h er e s e ts y s t e m k e y w o r d s ：s h a p em e m o r ya l l o y s ，s h a p em e m o r ye f f e c t ，t w o w a ye f f e c t ，s h a p e m e m o r ya l l o y sa c t o r , r e s e ts y s t e m ，r e s e ts t r e n g t h ，l o a d i n gt r a i t s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 锄，2 舶# 一躲纽2 年俩钼 捌钆 - - 一。_ - 一一一_ 。_ 一- 一一- 一【。一_ 。_ 。一_ 。_ 一一一。_ _ _ _ _ 。- _ - - - - - - - - - - - - - - _ - - _ - - - - - 授权书。 指导教师签 名： 年月日 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题是德国波鸿鲁尔大学生产系统教研室“微型形状记忆合金驱动器” 项目的重要组成部分。开发和应用微型形状记忆合金驱动器，首先必须了解形 状记忆合金执行器的加载特性，其中最基本的是研究形状记忆合金丝的形状记 忆双程效应下的执行响应特性。这是微型驱动器开发的基础和关键。 形状记忆双程效应下保障形状记忆合金执行器复位变形的外部加载力称为 复位力。复位力作用在执行器上形成复位应力。对执行器进行复位力加载的部 件称为复位件。该项目已经完成形状记忆合金执行器加载特性实验台的搭建， 即可以通过控制加载电流对执行器进行加热，以及通过复位件实现复位力的加 载。但要进行执行器加载特性的实验，还需要确定如下实验参数： 控制执行器温度的实验加载电流 执行器加载特性实验的实验周期 至此，能够进行执行器线性力加载特性的实验研究。但实验台的复位力加 载功能仍不够完善，对于执行器加载特性的研究还需要对形状记忆合金执行器 进行全面加载特性的研究。这是本课题的第二项重要研究内容： 设计和开发实现复杂复位力加载的复位系统 在本课题的研究的基础上，实现形状记忆合金执行器加载特性分析实验台 对执行器加载特性的全面研究。 1 2 课题背景和目标 德国波鸿鲁尔大学生产系统教研室下项目“微型形状记忆合金驱动器的实 现”隶属于德国4 5 9 号专项研究领域( s f b 4 5 9 ：s o n d e r f o r s c h u n g s b e r e i c h4 5 9 ) “形状记忆技术一基础、设计、生产”。本课题“形状记忆合金执行器加载特性 实验台的研究”是此项目的重要组成部分。 由工程、自然科学家和医学家组成的跨学科研究团队，对s f b 4 5 9 “形状 记忆技术一基础、设计、生产”进行协作研究。旨在推进形状记忆技术在产品 第1 章绪论 革新方面，尤其是在机械和汽车制造领域，微技术和医学领域中的深层次应 用。s f b 4 5 9 的最终目标是： 进行材料科学方面的研究，以掌握n i t j 形状记忆合金所有重要特性 开发生产工艺和智能产品，推进其加工工艺的基础知识 掌握基本知识，提高德国在这一领域的国际竞争力：以及为这一领 域培养优秀年轻工程师和自然科学家 s f b 4 5 9 将形状记忆材料中的n i l i 和n i t i 基形状记忆合金作为研究对象， 研究其单程效应，双程效应和伪弹性效应及其应用，以解决此领域“形状记忆 合金的技术应用”和“材料科学对形状记忆合金生产和半成品生产的研究”两 个方面的问题。s f b 4 5 9 由三个互为关联的项目组组成： 形状记忆合金基础研究； 形状记忆合金的设计和应用； 生产和加工。 本课题属于项目组“形状记忆合金的设计和应用”。此项目由两项任务组 成： 第一通过实验分析形状记忆合金执行器应力加载下的执行特性。即在满足 实现形状记忆双程效应复位力加载和相变温度的两个条件下，深入研究执行器 的执行响应特性。 第二在加载特性实验研究基础上，利用形状记忆合金的特性对微型驱动器 的开发进行研究，并建立微型驱动器的实物模型。 按照形状记忆双程效应机理进行实验台的开发是为了完成项目的第一项任 务对执行器加载特性的研究。实验台要满足形状记忆合金执行器产生双程 效应的两个条件，实验台必须实现两个功能：第一，按照周期要求，对记忆合 金执行器的温度进行控制。实现执行器在奥氏体和马氏体两种晶相之间转变的 温度要求。第二，实现对执行器复位力的加载，保证形状记忆双程效应中执行 器的完全复位。 项目的前期阶段已经基本完成了实验台的搭建。一方面，通过电流的加 载，实现对执行器的加热，并且对加载电流的大小和加载时间进行控制。另一 方面，利用悬挂体和复位弹簧实现线性力的加载。 本课题的预期实现的目标： 确定加载电流、实验周期中的冷却时间两个参数，以保证执行器在 2 第1 章绪论 线性应力加载下执行特性分析的实验 进行复位系统的设计，实现多种形式复位力的加载，以实现形状记 忆合金执行器加载特性的全面分析 1 3 课题主要研究内容和技术路线 形状记忆合金执行器的加载特性指：满足形状记忆双程效应的应力加载条 件，执行器发生形状记忆变形所表现出来的执行时间和执行速度方面的特性。 本课题研究的内容可以分为两部分： 第一，实验参数的确定。包括：加载电流和实验周期。其中，加载电流的 大小根据双程效应的晶相转变温度来计算。实验周期的研究是针对实验中难以 控制的执行器自然冷却时间的计算。它的计算要根据执行器冷却的初始温度和 执行器的冷却速度。为了保证对执行器形状记忆双程效应晶相转变温度的控 制，必须确定如上参数。否则，一方面不能保证实验中的形状记忆双程效应； 另一方面由于温度和执行器应力状况不明确，不能实现对执行器加载特性研究 的定量分析，实验及其结果不具有研究价值。 本课题该部分研究的内容可通过如下技术路线实现 建立执行器关于热对流、热传导、热辐射的热力学模型 编写m a u a b 程序，进行参数的计算 分析尺寸、环境等因素对执行器散热的影响 建立执行器关于电流和温度的建立执行器关于时间和温度的 数学模型 数学模型 t i 编写基于数学模型的m a r l a b 计算程 编写基于数学模型的m a t l a b 计算程 序确定各加载电流大小序，计算冷却时间以确定实验周期 图1 1 技术路线一 实现第一块研究就能够利用实验台对执行器在线性力加载下的执行特性进 行研究。 第二，实验台的拓展研究，即复位系统的设计。通过简单的机械装置，利 用弹簧、悬挂物本身的力学特性可以实现线性复位力的加载。但形状记忆合金 执行器可能出现的应力情况比较复杂。另外，在驱动器设计过程中需要充分利 第1 章绪论 用形状记忆合金执行器在双程效应条件下的最优执行性能。实验台复位件实现 的线性力加载显然不能满足对执行器加载特性研究的需要。因此，必须设计出 符合上述要求的复位系统取代复位。在明确复位系统设计要求的基础上，进行 复位系统的设计和方案比较。具体技术路线如下： 图1 2 技术路线二 在实验台复位系统研究的基础上进行实验台的拓展，能够实现对形状记忆 合金执行器的多种复位力加载。使实验台具有完善的实验功能，实现双程效应 中执行器全面加载特性的研究。 1 4 国内外研究现状 形状记忆合金被认为是解决许多技术问题的突破口，其可能带来的技术革 新使形状记忆合金的研究成为热点。形状记忆件作为微型驱动器的执行器，最 大的优点是其具有高能量密度。利用其形状记忆效应，形状记忆合金执行器的 能量密度能够达到2 8 0 0k i m 3 。相比双金属执行器( 2 0 ，m 3 ) 和压电材料执行器 n 3 k , i m 3 ) ，其能量密度优势十分巨大。同时，形状记忆合金执行器的其它显著 优点是执行器构造、实现简单和可实现较大的驱动行程。形状记忆合金执行器 的构造通常为合金丝，合金弹簧和合金梁，复位力加载条件下利用电流的加载 就可实现其形状记忆效应。 作为具有高能量密度的材料，形状记忆合金为新型微型驱动器研发提供了 可能性。从将形状记忆材料作为一门学科来研究到现在，形状记忆特性的研究 已经有一定深度。但其研究还不足以应用到微型驱动器开发上来，对执行器加 4 第1 章绪论 载特性实验台的开发仍是空白。原因归结如下： 一方面，对记忆合金基础研究的深度和广度还不够。在查阅、搜寻相关资 料的时候，对记忆合金的双程效应的描述都是定性的，没有深层次研究记忆合 金双程效应的信息和文献。也就是说，对建立形状记忆合金执行器的理论基 础形状记忆双程效应的研究还没有做到定量分析的层面。这说明形状记忆 合金的双程效应被单独作为具体目标的研究较少。自然也没有与之相应的实验 仪器和实验台。当然不排除相关研究没有被公开的可能。 另一方面，目前记忆合金的应用范围有局限。对形状记忆材料的应用大多 集中在的“记忆效应”的简单利用上。涉及到双程效应下执行器的高频率应用 还不多。这与记忆合金的经济性不高有关。更重要的一点是某些特性，如双程 效应还没有做到定量的分析。对形状记忆合金研究的停滞不前，限制了形状记 忆合金在实际中的应用。而没有产品利益的驱动，反过来又较少的推动记忆合 金的研究。 至今，形状记忆合金执行器在工业上的应用仍然不多。究其原因，一是缺 少形状记忆材料及其设计应用的标准和指导原则；二是缺少形状记忆合金执行 器时间响应和执行特性的分析数据和知识。本课题研究的实验台是为了研究执 行器的加载特性，着眼于解决阻碍形状记忆合金执行器的第二个问题。在利用 实验台进行加载特性分析的基础上，进行微型驱动器的深层次研究，建立工业 应用的驱动器模型。图1 3 是本教研室初步设计的微型驱动器模型之一。在对 执行器加载特性分析的基础上，有待进一步研究其性能。 图1 3 形状记忆合金微型驱动器 形状记忆合金加载特性分析实验台的开发目的就是对形状记忆双程效应下 执行器的加载特性进行定量分析。实验台的开发是为形状记忆合金微型驱动器 的开发服务的。目标明确，意义深远。 第1 章绪论 1 5 本章小结 本章在课题来源，课题背景和目标，课题主要研究内容和技术路线，国内 外研究现状四个方面进行了论述。 “形状记忆合金执行器加载特性实验台的研究”由德国波鸿鲁尔大学生产 系统教研室提供。此课题的研究是为德国4 5 9 号专项研究领域内项目“微型形 状记忆合金驱动器的实现”服务的，是此项目的重要组成部分和开发微型驱动 器的基础。课题研究内容由两部分组成。一是关于实验台实验参数的确定：二 是关于实验台的拓展，即复位系统的设计。本课题对实验台的研究将对执行器 加载特性实验产生直接的作用。利用实验台进行形状记忆双程效应下的加载特 性研究，以及在此基础上的微型驱动器的开发对形状记忆合金的研究及其应用 起推动作用。 第2 章形状记忆效应及其应用 第2 章形状记忆效应及其应用 2 1 形状记忆合金的形状记忆效应总述 一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形。达到屈服点，金属就 产生塑性变形。应力消除后就留下了永久变形。有些金属材料在发生了塑性变 形后，加热到某一温度之上能够回复到变形前的形状。这种现象叫做形状记忆 效应。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属元素组成的合金，这种合 金叫做形状记忆合金。 形状记忆效应是在马氏体相变中发现的。根据热力学边界条件( 材料温度t 和 材料所受的机械应力o ) 的界定，形状记忆材料出现两种组织结构：低温时的 组织结构( 低温相) 一马氏体m ；高温时的组织结构( 高温相) 一奥氏体a 。 马氏体相变中，不是通过少数原子的扩散，而主要是通过“原子群”间的 滑移实现其组织转变。接下来介绍一下组织转变中的重要特性，以便更好的理 解马氏体相变的理论模型： 组织转变的时间不相关性。组织转变中只实现了晶格的扭曲变形，没有 出现原子进一步的移动。理论上，“原子群”间的滑移是音速的 温度t 和机械应力。决定了组织转变的程度，也就是奥氏体、马氏体在 在材料中的份额 相邻原子之间的关系保持不变，马氏体和奥氏体的化学组成是一样的 虽然这种形式的组织转变在很多材料上都有体现，但只有少部分材料体现 出形状记忆效应。出现形状记忆效应的一个前提是有形成孪晶的可能性。 7 第2 章形状记忆效应及其应用 图2 1 在微观上描述了形状记忆效应的过程： 高温时形状记忆材料以奥氏体形式存在，图中以a 一奥氏体结构作 为晶格的初始状态 在降低温度的过程中，奥氏体一步步的向低温相马氏体转变( 如图 中b 所示的菱形结构) 。由于在奥氏体向马氏体的转变中形成孪晶， 使得晶相结构变而形状记忆材料的外形没有变化。过程a b 称之为 “成孪” 在力的作用下，马氏体群之间的排列被改变。造成了形状记忆件外 形上的变化。这个过程b c 称之为解孪 通过加热，马氏体向奥氏体转变。奥氏体的内部平衡性保证了原子 的排列状态。转变结束，形状记忆材料恢复了原来的形状 哺a f 温度 图2 2 奥氏体转变和温度的关系【2 】 8 第2 章形状记忆效应及其应用 形状记忆材料奥氏体和马氏体之间的转变不是在某一时刻完成的，而是存 在一个转变的温度区间。在温度区间之外形状记忆材料是百分之百的马氏体或 奥氏体。温度区间内是马氏体和奥氏体的共存状态。如图2 2 所示存在a f 、 气、m 3 、m f 四个晶相转变的理论临界温度【3 】。 马氏体转变起始温度m 。( m a r t c n s i t cs t a r t ) 和马氏体转变结束m f ( m a r t c n s i t ef i n i s h ) 表示了从高温到低温组织转变的温度区间。奥氏体转变起 始温度a s ( a u s t c n i t es t a r t ) 和奥氏体转变结束温度a f ( a u s t c n i t cf i n i s h ) 表示了 从低温到高温组织转变的温度区间。如图所示这四个温度的大小关系是： a f a s m 。 m f 。但根据形状记忆材料类型不同也存在着这样的温度排列： a f m s k m f 。 在奥氏体与马氏体转变过程中可能出现如下的形状记忆效应【3 】： 形状记忆单程效应 形状记忆双程效应 超弹性，伪弹性 2 2 形状记忆单程效应 t 图2 3 单程效应 单程效应是指如下过程：通过提高材料温度，形状记忆材料产生强大的 力，使形状记忆材料回复到因受外力而变形前的形状。在降温形成马氏体孪晶 的过程中，因为不存在转变形状的倾向性，形状保持不变。 如图2 3 所示，若将温度t 轴上转变中的温度最高点作为起点，首先经过 第2 章形状记忆效应及其应用 一个从奥氏体向马氏体转变的过程( 即m 。一m f ) 形成马氏体孪晶。接着，马 氏体在应力6 e 应变平面内受力解孪，形状记忆材料件变形( 存在部分弹性变 形) 。图中所示的e - w 表示其最大变形量。最后，在温度卜e 应变平面内随着 温度的升高进行从马氏体向奥氏体的转变( 即a s a f ) ，形状恢复到设定状 态。形状记忆材料单程效应的应用主要是在进行单次变形激发的应用场合。当 然，这不是说单程效应只能进行一次变形。 2 3 形状记忆双程效应 t 图2 4 双程效应 图2 4 描述的双程效应的过程。如果将形状记忆材料作为驱动器来应用， 必须要有确定的驱动运动。也就是说要能够在从高温到低温的晶格转变过程中 有确定的形状变形，这种形状记忆运动也可以称之为复位运动。双程效应存在 如下两种形式： 外因性双程效应，也可以称之为系统内双程效应 内应性双程效应 就外因性双程效应而言，通过外部力的施加促使其在冷却过程中实现复位 运动，实现形状记忆。一般来说，这个外力的加载是同时存在于加热和冷却两 个过程中的，而不是只在奥氏体向马氏体转变过程中才加载上去。 形状记忆材料在一定条件下也能实现内部双程效应，即能够同时“记忆” 高温相和低温相的形状。如何实现降温向马氏体转变时候的形状记忆呢? 通过 双程训练，使材料内部出现应力场。在向马氏体转变的过程中，材料有倾向性 的向设定的形状变形。实际中，形状记忆材料的内因性双程效应和外因性双程 效应通常同时存在。另外，双程效应实现的变形量要小于单程单程反应所实现 l o 第2 章形状记忆效应及其应用 的变形。 2 4 超弹性伪弹性 t 图2 5 超弹性 在温度高于奥氏体转变温度a f 形状记忆合金材料就会表现出超弹性。如图 2 5 所示，在在超弹性变形的区域中，在应力的作用下奥氏体向马氏体转变。在 这个区域内可达到最大变形量为e p e 。在c p e 范围内卸载应力，形状记忆件的变 形就可以完全回复，这种在弹性变形范围之外的可恢复的变形被称为超弹性或 伪弹性。与传统的金属材料相比，形状记忆合金可以实现材料的5 到1 0 倍的拉 伸或压缩量。 2 5 形状记忆的效应区域研究 图2 6 中描述的是复位应力和温度对形状记忆合金晶相转变的影响。m f 左 端是纯马氏体组织，右端是纯奥氏体组织。m f 到m 。之间的带状区域是从高 温相奥氏体向低温相马氏体转化的区域。氏到a f 之间的带状区域是从低温相 马氏体向高温相奥氏体转化的区域。转化区域内是奥氏体和马氏体组成的混合 用p 字母标识的区域是塑性变形区。图中对两种相变的特殊情况进行了表示， 分别是等温和等应力两种情况下的相变。l 和2 之间的线段表示在恒定应力o o 条件下，仅仅由温度引导产生的奥氏体和马氏体之间的相变。于3 和4 之间的 1 1 第2 章形状记忆效应及其应用 线段表示在等温t 1 的条件下，由纯应力引导下产生的相变。那么，在非等温和 非恒定应力的条件下将由温度和外应力协同引导形状记忆材料的相变。宏观 上，就是通过温度和外力的加载实现形状记忆变形。 o oo m fm sa s 丁1 图2 6 形状记忆的效应区域【1 3 j t 图2 6 中复位应力和温度对形状记忆效应的影响，对实验台所研究的形状 记忆双程效应下执行器的加载特性具有重要意义。它定性的指出复位应力的加 载提高了形状记忆执行器的相变温度。 实验台研究的就是不同复位应力加载对执行器形状记忆变形的时间响应和 执行速度等的影响。是对此图描述的形状记忆特性的深化和量化。利用实验台 进行不同外力作用下执行特性的实验和分析，将得出执行器加载特性的具体数 据和规律，为形状记忆微型驱动器的实现打下坚实的理论基础。 第2 章形状记忆效应及其应用 2 。6 形状记忆合金作为驱动器的应用 图2 7 微型夹钳 图2 7 所举的例子是关于形状记忆效应的双程效应的应用p 1 】【1 “。是利用形 状记忆合金丝及形状记忆合金弹簧作为执行器实现的微型夹钳。左图是利用直 径为o 2 r a m 的形状记忆合金丝作为执行器的微型曲杆夹钳。在形状记忆效应 下，形状记忆合金丝发生收缩伸长变形。执行器的变形拉动薄片关节的运动， 实现夹钳的开合。此夹钳的夹紧力为2 n ，微型夹钳的开合周期为2 秒。右图中 微型夹钳利用的执行器是两根形状记忆合金弹簧。同样通过形状记忆变形拉动 薄片关节的运动，实现夹钳的开合动作。其中一根形状记忆台金弹簧负责打开 夹钳，另外一根执行器是用来闭合夹钳。此微型夹钳可以实现周期为0 5 秒的 夹紧、闭合动作。 2 7 本章小结 对形状记忆合金执行器加载特性分析实验台的研究必须了解形状记忆合金 及形状记忆效应的基础知识，尤其是形状记忆双程效应的特点。 本章首先对形状记忆合金及其形状记忆效应的基础知识进行了介绍。主要 是关于奥氏体、马氏体晶相组织及其相变的特性，形状记忆效应过程及其边界 温度的论述。接着对形状记忆单程效应，形状记忆双程效应及超弹性分别进行 了论述。在形状记忆效应区域的研究中，针对影响形状记忆双程效应的两个条 件温度和应力对效应区域的影响进行了定性的分析。最后对形状记忆材料 的应用进行了举例。 第3 章实验台及研究内容分析 第3 章实验台及研究内容分析 3 1 实验台的功能分析 为实现对形状记忆合金执行器加载特性的研究，实验台主要由两个部分三 大模块组成。 图3 1 实验台模块组成 3 1 1 双程效应实验条件的创造 第一部分是实现对执行器双程效应实验条件创造，即对执行器发生外因性 双程效应的温度和复位应力条件的创建。主要有两大模块组成： 执行器温度控制模块 复位模块，即复位力加载模块 执行器温度控制模块的任务是按照实验周期对实验元件进行温度的控制。 具体实现是：在加温阶段，调节实验电流的输出大小，接通加载电流。执行器 在电流回路内作为一个电阻存在，将电能转化为热能。由基础的物理知识可以 知道，电阻一定，功率和电流大小有关。电流的大小决定了执行器从马氏体到 奥氏体转变的时间。在降温阶段，通过形状记忆合金执行器本身的散热达到冷 却，实现执行器从奥氏体到马氏体双程效应的转变。 复位模块的任务是在周期内对执行器进行复位力的加载。实验台通过简单 1 4 第3 章实验台及研究内容分析 的机械装置实现了复位模块。图3 2 为利用悬挂体和弹簧作为复位件实现的双 程效应所需的线性复位应力。 在温度控制模块和复位模块的作用下，保证执行器双程效应的发生及执行 器形状的完全复位。 8 - i s o 图3 2 复位件实现的复位应力 3 1 2 实验数据采集及实验协助部分 第二部分是检测模块，实现实验台对实验数据的采集和协助实验条件创建 功能。主要由各种传感器和微型计算机及相关检测软件组成( 参图3 6 ) 。实现 对形状记忆合金执行器变形量的检测和对加载力的检测，当然还包括电压检 测。 检测模块在实验台上主要起到三部分作用： 协助实验条件“外因性双程效应产生条件”的创建。通过对变形量 及力的检测，协助复位系统实现复位力加载部分的功能 在实验台投入使用时，获取分析用实验数据，为加载特性分析提供 实验数据。也就是实验台得出的直接结果 对实验电压，应力等进行检测监控 3 2 实验台组成分析 3 2 1 硬件组成 为了进行执行器加载特性的实验分析，建造了形状记阮合金加载特性分析 实验台。如图3 3 所示是此实验台的硬件组成。此状态下的实验台的实验对象 第3 章实验台及研究内容分析 是形状记忆合金丝，复位力的加载是通过复位弹簧实现。通过实验台右端夹紧 元件不同位置的安装可以对不同长度的执行器进行加载特性实验。 实验台右端，合金丝通过夹紧元件和力接收器相连。为了减小干扰因素 ( 特别是空气漩涡) 对实验的影响，在合金丝外使用了一个有机玻璃制成的保 护管。实验台左端，同样利用了一个夹紧元件将合金丝与线性单元相连。当执 行器在实验中收缩伸长的时候，在线性单元导向棍的引导下沿变形方向起随动 的作用。线性单元与位移接收器相连以采集执行器的变形量信息。同时，线性 图3 3 实验台硬件组成 单元左端与一钢制绞索相连，用以和悬挂体或复位弹簧连接，进行复位拉力的 加载。实验台左端，通过悬挂体实现恒定复位力的加载通过简单机械装置中 的线性弹簧的作用实现线性复位力的加载。 位移测量系统是使用的h b m 公司的t a u c h a n k e r 型标准传感器，它的优点 是稳定性高，对灰尘等不敏感，不易损坏，对被测物体的反作用力小及经济性 高。由于此传感器的测量行程为3 0 0 r a m ，远大于执行器的变形量，所以利用传 感器中间部分的测量区域。传感器这部分存在的线性偏差最小。力测量系统使 用的是h b m 公司的s 2 型力传感器，用以精确测量拉力。通过应变传感器在钢 1 6 第3 章实验台及研究内容分析 制铝制力接收器上的作用进行复位力测量。 3 2 2 复位件研究 复位件对于实验台有十分重要的意义，因此对实验台硬件组成中复位件进 行单独的研究。如上所述，复位模块是组成实验台完整功能的三个模块之一。 复位, f e f 复位系统所实现的复位应力是形状记忆合金加载特性分析的实验中必需 的。复位力的存在保证形状记忆材料的形状记忆双程效应和执行器的完全复 位。由悬挂体或复位弹簧组成的复位件机构简单，可以实现线性复位力的加 载。其中悬挂体复位件结构及力加载原理十分直观，本节主要研究复位弹簧组 成的复位件机构及其复位力的实现过程。图3 4 所示弹簧复位件的示意图及实 物照片。实验台左端的圆盘的作用是实现复位力传递方向的转换。通过弹簧上 方的预紧螺栓调节预紧力的大小。 图3 4 使用复位弹簧的复位件 上图利用压弹簧实现复位力的加载。同样可以利用拉弹簧设计复位件。现 将复位弹簧实现的复位应力的过程描述为如下( 参图3 5 ) ： 实验准备阶段根据执行器的应力要求，调节预紧螺栓确定预紧力瓯 实验开始，接通加载电流对执行器进行加热。当执行器温度低于奥 氏体开始转变温度氏时，执行器为纯马氏体，执行器变形量近似为 零。相应弹簧的变形量不变，加载应力为预紧力( f f f e d 。= 0 0 当执行器温度高于气时，形状记忆合金执行器发生奥氏体转变，执 第3 章实验台及研究内容分析 行器收缩。由于弹簧的后继变形量等于执行器的收缩量，加载应力 增加o f e d 。， 0 0 。当温度高于等于奥氏体转变结束温度a f 时，执行器 形状记忆变形结束，收缩量达到最大，复位应力达到最大值 ( j f e d c r = ( 3 m a x 在执行器的冷却阶段，当温度降至低于马氏体开始转变温度m 。 时，执行器伸长，进行复位运动。弹簧相应伸长，复位应力减小 ( ，f e d e r c m 。当温度降至低于马氏体转变结束温度m f 时，执行器完 全复位。复位弹簧的加载应力为预紧力o f 。d 。= 0 0 t a ft m f 0 h 旷哂c y f q d t r 2 0 n m x o h d 一岛 图3 5 弹簧复位应力的实现过程 3 2 3 控制检测部分研究 如图3 6 所示，形状记忆合金执行器是通过电压可控的直流电源电流的加 载进行加热的。利用c o n r a de l e c t r o n i c 公司的继电器进行电流输入的控制( 订 货号9 6 7 7 2 0 ) 。r s 2 3 2 接口将计算机和继电器相连。在c o n r a de l e c t r o n i c 公司 l c c 计算机软件的基础上可以对实验周期以及周期内的加热和冷却时问进行编 程。 测量信号放大器使用的是h b m 公司的产品s p i d e r 8 。s p i d e r 8 中有8 个用于 动态测量数据获取的通道可供支配。其通过d r u c k c r p o r t 并口与计算机相连。在 s p i d e r 8 中的每个通道为信号接收器、放大器、过滤器和自带a d 转换器提供信 号。所有的a d 转换器同时工作，每秒提供不超过9 6 0 0 个的测量值。分辨率 第3 章实验台及研究内容分析 图3 6 记忆合金执行器加载特性分析实验台的初步设计 1 9 第3 章实验台及研究内容分析 为1 6 b i t 。实验使用的测量速率为5 0 h z 。位移测量系统和力测量系统通过两个 负通道实现其功能。为了测量形状记忆执行器的电阻使用了两个正通道。在加 热和冷却阶段电阻测量的方法不同。冷却阶段利用s p i d e r 8 直接对执行器电阻 值进行测量。加热阶段，通过电流测量电路中1 欧的电阻获取执行器中的电流 值i ，再通过另一通道电压u 的测量计算得到执行器加热阶段的电阻值。 3 3 研究内容分析 如前所述，实验台的搭建已经基本完成。但要进行执行器加载特性的实 验，还需要确定实验参数。在没有实验参数的情况下进行的实验及其分析没有 价值和意义。需要确定的实验参数为： 与形状记忆合金执行器温度直接相关的加载电流的大小 实验周期中难以确定的执行器冷却时间 实验参数要考虑实验台的因素，形状记忆双程效应的要求，执行器的差别 三方面的内容。实验台的因素如：复位力，温度的加载形式，执行器的夹紧方 式等。形状记忆双程效应的要求包括：复位应力的取值范围，加热温度的高低 等。执行器的差别主要是：执行器的尺寸( 长度，截面积) ，类型等。客观上要 求参照实验台、形状记忆双程效应的要求，对具体执行器逐一进行实验参数的 确定。不仅要对现有执行器进行参数确定，还要考虑实验研究执行器的扩展。 这就提出了很高的要求。理想的方法是建立实验参数的计算模型，针对各型号 执行器具体求值。加载电流的大小和实验周期的确定要利用热力学中的内容， 对各型号的执行器的散热能力进行计算。散热能力主要考虑三方面，即热辐 射，热对流和热传导。拟建立热平衡方程，通过电流和执行器温度的关系计算 出需要加载的电流的大小。拟通过散热时间和温度的关系计算具体执行器的冷 却时间。 对实验台复位系统的研究，是执行器加载特性研究提出的具体要求。用复 位系统替代复位件实现线性应力以及其他类型应力的加载。对复位系统研究的 目标是理论上确立复位系统方案，实现全面复位力的加载。 研究内容和步骤如下： 综合考虑执行器的变形量要求和目标执行次数，选取复位应力范围 各型号执行器复位力的计算，求出复位力的范围 第3 章实验台及研究内容分析 对复位系统实现功能、实现条件和开发条件进行明确和总结，建立要求 列表 对气动、电动和液压系统进行比较 在气动系统内进行方案的研究、比较和模拟 确立最终方案 3 4 本章小结 要确定实验台的实验参数以及设计与开发实验台复位系统，对实验台的分 析是基础。 本章首先从实验台功能的角度对实验台的三个功能模块进行了论述，这三 个功能模块是温度控制模块、复位模块和检测模块。接着分析了实验台的组 成，包括实验台的硬件组成和控制检测部分。硬件中的复位件由于其功能及对 复位系统设计的重要性，被单独进行了分析。实验台的台身的硬件组成除复位 件外包括：夹紧元件，力接收器，位移接收器，线性单元，钢制绞索和保护管 等。实验台控制检测部分的组成包括微型计算机，继电器，测量信号放大器， 实验电流控制器，力传感器，位移传感器及其控制测量软件。 最后对本课题的研究内容及研究进行了深入的论述。 第4 章实验参数的研究 第4 章实验参数的研究 本章主要针对常用执行器形状记忆合金丝进行实验参数的研究。研究 实验参数的目的是为了指导实验的正确进行。保证实验中对执行器形状记忆双 程效应晶相转变温度的控制。本章主要是在传热学的基础上建立热平衡数学模 型，计算与形状记忆合金执行器传热量相关的加载电流大小和实验周期中难以 确定的执行器冷却时间。在建立传热量数学模型的过程中，还对执行器温度、 长度、直径及环境温度等因素对传热及其三种形式( 热辐射、热对流、热传 导) 的影响进行了研究。 进行完全的形状记忆双程效应所需的加载电流的大小与形状记忆合金丝的 传热状况直接相关。能够通过建立电流加载功率和执行器传热量的热平衡方程 对电流的大小进行求值。 完全的形状记忆双程效应中，形状记忆合金执行器的执行周期只和一个因 素相关，就是合金丝被加热到奥氏体转变的结束温度a f 的速度，以及相应到达 马氏体的转变结束温度m f 的冷却速度。合金丝的加热是通过控制电流强度直接 控制的，相对来说具有很快的加热效果。那么对于执行器周期，其自然冷却的 时间对其实验周期的确定具有决定性意义。通过动态热平衡方程的建立能够计 算出具体形状记忆合金丝的散热时问。 本章实验参数研究的目标：按照数学模型建立m a t l a b 计算程序。利用程序 中参数的不同赋值，确定不同型号形状记忆合金丝及环境温度条件下的加载电 流和计算实验周期中的冷却时间。 4 1 形状记忆合金丝的传热 下面对合金丝的传热进行的研究。文中不作特别说明时按照传热学中的习 惯：传热量指在单位时间内的传热量。 在温度差的作用下，热量从一个物体传递到另外一个物体，或者在同一个 物体的各个部分之间进行传递的过程称为传热。只要存在温度的差异就会有传 热现象，存在从高温到低温的热量流。这个过程持续到没有温度梯度存在为 止。传热学中存在三种熟知的传热形式：热辐射、热对流和热传导 s i n 。 第4 章实验参数的研究 4 。1 1 热辐射 凡温度高于绝对零度的物体都会向外界以电磁波的形式发射能量，物体以 电磁波的形式来传递热能的方式称为热辐射。热辐射区别于热传导和热对流， 物体发射的电磁波所具有的能量称为辐射能。物体消耗热力学能，向外发射辐 射能，其温度有下降的趋势。物体发射辐射能的大小和物体的表面温度有关， 温度越高，发射辐射能就越多，但并不是成正比例关系。物体辐射能力的大小 还受到表面状况的复杂影响，湿度相同而表面状况( 粗糙度、金属的氧化情况 等) 不同的物体，其辐射能力可能存在很大的差别。 对合金丝来说，以热辐射形式进行的传热圣。，可以通过它的表面积来计 算： 反。一气盯。 f a k 4 一瓦4 j ( 4 1 ) 其中，物体表面发射率岛和实体表面状况有关，根据表面质量在0 到1 之间进 行选取1 4 】f 5 1 。因为等式中最终确定的结果是合金丝温度和环境温度( 殇和嘞四 次方的差，所以结果能较好的表现临界温度状态下的差异。热辐射常数 f ( s t e p h a n b o l z m a n 常数) 取5 7 1 0 r 8w m 2 k 4 。 4 1 2 热对流： 流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递现象叫 热对流，简称对流。热对流是在流体微团水平上进行的热量传递。在热对流传 递热量的同时，流体中也存在导热。工程上经常遇到的是运动流体和温度不同 的固体表面之间的对流和导热联合作用的热量传递过程。这种热量传递过程称 为表面对流传热，简称对流传热，以区别于一般意义上的对流。 确定以热对流形式存在的传热相对比较复杂，可以根据如下公式计算： q mt a 爿一巧j ( 4 2 ) 对流传热系数a 的确定是比较复杂的。它与合金丝的规格及其性质，例如 热导率a 或运动粘度，以及环境温度有关。对于直径为d 的合金丝来说，口能够 通过“n u b e l t 数”通过如下公式确定： 口。n u a ( 4 3 1 三d 。 2 第4 章实验参数的研究 针对水平圆柱体的对流情况，利用c h u r c h i l l c h u 公式。羽以通过合金丝 温度，环境温度，直径以及热导率a ，运动粘度仰p r a n d t l 数p r 来表达。公式 最终表达式如下n ： 扣d 2 i ( 0 7 5 + 0 3 8 7 p r d 3 g - t o 矗- t v 。 1 + ( 科6 r 卜， a ， ，和p r 的取值在参考文献【5 】中以表格的形式被列举出来，如表4 1 所示。其 中，重力加速度g 取9 8 1 n s 2 。 表