Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аграрний університет

УДК 621. 3: 631. 344. 8

05.09.16 - електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Електротермомеханічний привод фрамуг теплиць на основі сплаву з ефектом пам'яті форми

Волошин Семен Михайлович

Київ - 2007

Анотація

Волошин С.М. Електротермомеханічний привод фрамуг теплиць на основі сплаву з ефектом пам'яті форми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.16 - електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі. - Національний аграрний університет, Київ, 2007.

Дисертація присвячена проблемі підвищення надійності та енергоефективності систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту.

Проведено аналіз традиційних та альтернативних приводів систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту; сформульовано конструкцію електротермомеханічного приводу на основі СЕПФ для систем природної вентиляції СЗҐ та визначено залежності для розрахунку його параметрів; запропоновано методику та експериментально досліджено приводні елементи із СЕПФ та електротермомеханічний привод на основі СЕПФ; встановлено залежності зусилля від температури та параметрів приводного елементу, визначено питоме зусилля, що генерується одиницею об'єму СЕПФ при нагріванні на 1 єС; випробувано привод у виробничих умовах; проведено функціонально-вартісний аналіз електротермомеханічного приводу, визначено значимість та витрати на реалізацію функцій приводу.

Ключові слова: електротермомеханічний привод, природна вентиляція, електронагрівання, споруди захищеного ґрунту, енергоефективність, сплав з ефектом пам'яті форми, функціонально-вартісний аналіз.

Аннотация

Волошин С.М. Электротермомеханический привод фрамуг теплиц на основе сплава с эффектом памяти формы. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.16 - электротехнологии и электрооборудование в агропромышленном комплексе. - Национальный аграрный университет, Киев, 2007.

Диссертация посвящена проблеме повышения надежности и энергоэффективности систем естественной вентиляции сооружений защищенной почвы.

В диссертации проанализированы системы естественной вентиляции сооружений защищенной почвы и приводы, используемые в них. Кроме традиционных приводов рассмотрены и альтернативные типы приводов, отмечены их преимущества и недостатки. Обоснована возможность использования в сооружениях защищенной почвы приводов на основе сплавов с эффектом памяти формы (СЭПФ), представлены конструкции таких приводов с описанием условий их эффективной работы.

В работе получена математическая модель для определения параметров электротермомеханического привода на основе СЭПФ. При определении генерированного усилия учитываются как геометрические так и физические свойства приводных элементов. Усилие в большей степени зависит от начальной деформации приводного элемента и параметров синусоиды, чем от объема СЭПФ. То есть, при одинаковом объеме СЭПФ большое усилие развивает приводной элемент с большей начальной деформацией и меньшей амплитудой синусоиды. Это дает возможность при проектировании приводных элементов уменьшить расход СЭПФ благодаря оптимизации формы приводного элемента. Также представлен расчет электронагревателя для активации приводного элемента. Проведено компьютерное моделирование температурных полей частей електротермомеханического привода при прямом нагреве электрическим током.

Экспериментально исследованы приводные элементы на основе СЭПФ и электротермомеханический привод. По итогам экспериментальных исследований построены графические зависимости усилия созданного приводным элементом от температуры. Характер графической зависимости указывает на существование линейной зависимости между данными величинами. Экспериментально определено значение удельного усилия f0.

Производственные испытания электротермомеханического привода показали эффективность и надежность предложенных решений.

Функционально-стоимостный анализ электротермомеханического привода проведенный с целью определения функции составных частей привода и расходов на их реализацию, позволил оптимизировать конструкцию и увеличить эффективность привода.

Ключевые слова: электротермомеханический привод, естественная вентиляция, электронагрев, сооружения защищенной почвы, энергоэффективность, сплав с эффектом памяти формы, функционально-стоимостный анализ.

Annotation

Voloshyn S.M. The electrothermomechanical drive of systems of natural ventilation for constructions of the protected ground on the basis of the shape memory alloy. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.09.16 - Electrical technologies and an electric equipment in agriculture. - National Agrarian University, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to a problem of increase of reliability and energy efficiency systems of natural ventilation for constructions of the protected ground.

In the dissertation systems of natural ventilation of constructions of the protected ground and the drives used in them are analyzed.

The analysis of traditional and alternative drives of the systems of natural ventilation of constructions of the protected ground is conducted; construction of the electrothermomechanical drive is grounded on the basis of the shape memory alloy (SMA) the systems of natural ventilation of constructions of the protected ground and certain to dependence for the calculation of his parameters; the experimental research of the driving elements from SMA and an electrothermomechanical drive is lead; efforts are certain to dependence from a temperature and parameters of drive element, specific effort is certain, that is generated by unit of volume of SMA at heating on 1 єС; industrial tests of an electrothermomechanical drive have shown efficiency and reliability of the offered decisions; the functional-cost analysis of an electrothermomechanical drive lead with the purpose of definition of function of components of a drive and charges on their realization.

Keywords: an electrothermomechanical drive, natural ventilation, electroheating, constructions of the protected ground, energy efficiency, an alloy with shape memory effect, functional-cost analysis.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Козирський Володимир Вікторович, Національний аграрний університет, директор НДІ Техніки і технологій.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Савченко Петро Ілліч, Харківський національний технічний університет сільського господарства, професор кафедри застосування електричної енергії у сільському господарстві;

- кандидат технічних наук, доцент Катюха Анатолій Андрійович, Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри автоматизованого електроприводу.

Провідна установа - Національний науковий центр "Інститут механізації та електрифікації сільського господарства" УААН, відділ електрифікації та автоматизації сільськогосподарського виробництва, с.м.т. Глеваха, Васильківський район, Київська область.

Захист дисертації відбудеться "12" червня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041 м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 15, навчальний корпус №3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041 м. Київ - 41, вул. Героїв Оборони, 13, навчальний корпус №4, к. 28.

Автореферат розісланий "4" травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Лут М.Т.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розробка принципово нового електрообладнання для теплиць та парників є основою для подальшого якісного розвитку овочівництва захищеного ґрунту. Це обладнання має бути надійним, енергоефективним, мати низьку металомісткість, забезпечувати високу точність роботи.

Дотримання нормованих параметрів мікроклімату споруд захищеного ґрунту, значно зумовлюється надійністю та ефективністю приводів системи природної вентиляції. Приводи, що використовуються у даний час (в основному, мотор-редуктори з системою передач), характеризуються низькою надійністю, значною металомісткістю, потребують значних витрат на монтаж та експлуатацію.

Перспективним є використання у спорудах захищеного ґрунту електротермомеханічних приводів на основі сплавів з ефектом пам'яті форми (ЕТМП на основі СЕПФ). Ці приводи, порівняно з традиційними, простіші конструктивно та в експлуатації, їм притаманні менші масогабаритні показники при рівних потужностях, не потребують великої кількості передавальних ланок та редукторів. Це дає можливість вирішити ряд проблем, а найголовніше - підвищити надійність та ефективність систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту.

Встановлення параметрів ЕТМП у кожному конкретному випадку (залежно від форми приводного елементу, способу активації, умов роботи приводу, тощо) вимагає індивідуального підходу та розробки моделей, які б враховували якомога більше факторів. Запропоновані раніше математичні моделі приводів із СЕПФ не враховують особливостей використання приводів у спорудах захищеного ґрунту, а саме поєднання значного зусилля та досить великого переміщення.

Отже, наукова задача підвищення надійності та ефективності роботи систем природної вентиляції, завдяки використанню ЕТМП на основі СЕПФ, вимагає вирішення ряду питань, основними з яких є проведення теоретичних та експериментальних досліджень режимів, характеристик та закономірностей його функціонування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі електропостачання сільського господарства Національного аграрного університету відповідно до теми "Розробка методів і технічних засобів підвищення надійності та ефективності сільських електричних мереж" № держреєстрації 0101U001711.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності роботи систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту, що базується на теоретичному та практичному обґрунтуванні, розробці та використанні енергоефективного приводу на основі сплаву з ефектом пам'яті форми.

Відповідно до поставленої мети визначено такі задачі дослідження:

1) провести аналіз існуючих і альтернативних приводів систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту (СЗҐ) та теоретичних передумов їх дослідження;

2) обґрунтувати принципи конструювання ЕТМП на основі СЕПФ;

3) розробити математичну модель та провести теоретичні дослідження закономірностей електротермомеханічного процесу у ЕТМП на основі СЕПФ та їх характеристик;

4) експериментально дослідити режими, характеристики та закономірності функціонування приводних елементів та ЕТМП.

5) проаналізувати показники функціональної якості ЕТМП на основі СЕПФ.

Об'єктом дослідження у роботі є процеси перетворення електричної, теплової та механічної енергій в ЕТМП систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту.

Предметом дослідження є встановлення закономірностей електротермомеханічного процесу та їх вплив на режими роботи і конструктивно-технологічні параметри приводу систем природної вентиляції СЗҐ на основі сплаву з ефектом пам'яті форми.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладено закони тепло- та масообміну при електронагріванні, термопружних перетворень та деформацій тіл. Чисельне моделювання виконано за допомогою програми MathCAD 2000 Professional. Комп'ютерне моделювання температурних полів при прямому електронагріванні проводилось за допомогою програмного комплексу Star-CD.

Експериментальні дослідження проведено з використанням розроблених методик та виготовлених спеціалізованих стендів. Обробка результатів експериментальних досліджень ґрунтувалась на використанні елементів математичної статистики (Microsoft Office Excel 2003). Перевірку адекватності результатів експериментів проведено за критерієм Стьюдента. Встановлено відповідність результатів теоретичних досліджень результатам експериментальних досліджень та виробничих випробувань. Максимальне відносне відхилення результатів становить 5%.

Наукова новизна отриманих результатів:

- теоретично обґрунтовано та експериментально доведено доцільність та ефективність використання ЕТМП на основі СЕПФ у спорудах захищеного ґрунту;

- вперше запропоновано методи дослідження приводів із СЕПФ, що враховують особливість роботи приводів у СЗГ, а саме необхідність поєднання значного зусилля та досить великого переміщення;

- вперше на основі одержаної математичної моделі визначено параметри і характеристики ЕТМП на основі СЕПФ для СЗҐ з урахуванням особливостей явища ефекту пам'яті форми;

- підтверджено гіпотезу про те, що зусилля значною мірою залежить від початкової деформації приводного елементу та його форми, ніж від об'єму СЕПФ. Для приводних елементів у формі синусоїди, при однаковому об'ємі СЕПФ, більше зусилля розвиває приводний елемент з більшою початковою деформацією та меншою амплітудою синусоїди;

- обґрунтовано показники приводного елементу, при яких доцільно використовувати пряме електронагрівання, або сторонній електронагрівач.

Практичне значення отриманих результатів полягає у вирішенні завдання підвищення надійності та енергоефективності систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту шляхом використання ЕТМП на основі СЕПФ.

На підставі проведених досліджень: запропоновано конструкцію приводу на основі СЕПФ для систем природної вентиляції СЗҐ; запропоновано математичну модель для дослідження параметрів ЕТМП; обґрунтовано і представлено конструктивне виконання ЕТМП.

Розроблено методику та створено спеціалізований стенд для дослідження приводних елементів із СЕПФ. Експериментально встановлено електрофізичні параметри сплаву Cu-Al-Mn та залежність зусилля від температури для приводних елементів у формі синусоїди із сплаву з ефектом пам'яті форми.

Особистий внесок здобувача. Автору належать: аналіз традиційних та альтернативних приводів систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту; формулювання конструкції ЕТМП на основі СЕПФ для систем природної вентиляції СЗҐ та визначення залежностей для розрахунку його параметрів; розробка методик та експериментальні дослідження приводних елементів із СЕПФ і ЕТМП на основі СЕПФ, випробування приводу у виробничих умовах; функціонально-вартісний аналіз ЕТМП.

Експериментальні дослідження проведено на дослідницьких установках створених автором. За результатами роботи виготовлено електротермомеханічний привод та макети для демонстрації запропонованих технічних рішень.

Участь в опублікованих у співавторстві роботах становить 40-70%.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та експериментальні положення дисертації доповідались на науково-технічних конференціях та семінарах:

- конференція викладачів та аспірантів Кам'янець-Подільського державного університету (КПДУ, Кам'янець-Подільський, 7-8 квітня 2004 р.);

- семінар Центру енергетики та автоматизації АПК Навчально-наукового технічного інституту Національного аграрного університету (НАУ, Київ, 14 жовтня 2004 р.);

- міжнародна конференція присвячена 75-річчю факультету механізації сільського господарства Національного аграрного університету "Ресурсозбереження та енергозабезпечення в АПК" (НАУ, Київ, 18-19 листопада 2004 р.);

- міжнародна конференція "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України" (ХНТУСГ, Харків, 9-11 листопада 2005 р.);

- міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми енергозберігаючих технологій в АПК" (НАУ, Київ, 22-23 червня 2006 р.).

Публікації. Основні результати досліджень викладено в 13 друкованих працях (4 одноособових), в тому числі 2 патентах.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 134 сторінках друкованого тексту, включає 22 таблиці, 64 рисунки, 4 додатки, список використаних джерел містить 103 найменування.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та основні завдання досліджень, сформульовано новизну, практичну цінність та реалізацію отриманих результатів.

У першому розділі "Стан питання та постановка задач дослідження" висвітлено аналіз роботи приводів систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту. Подано аналіз теоретичних передумов дослідження приводів на основі сплавів з ефектом пам'яті форми.

Встановлено, що більшість споруд захищеного ґрунту обладнано припливно-витяжною природною вентиляцією за допомогою вентиляційних фрамуг. Найпоширенішим є привод фрамуг, що здійснюється електродвигуном з редуктором (мотор-редуктором) і системою зубчастих, ланцюгових чи тросових передач. Щодо згаданих приводів слід зазначити наступне: вони характеризуються значною металомісткістю і вартістю; недостатньою надійністю; потребують значних затрат праці при монтажі, налагодженні та технічному обслуговуванні; використовуючи їх, неможливо забезпечити велику кількість зон регулювання температурного режиму (кількість зон дорівнює кількості виконавчих механізмів).

Підвищення надійності традиційних приводів систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту полягає, в основному, у використанні більш сучасних матеріалів, нових алгоритмів функціонування, впровадженні більш якісного обслуговування. Проте останнім часом було запропоновано чимало й альтернативних рішень щодо приводів систем природної вентиляції СЗҐ: приводи з робочим елементом у вигляді гідроциліндру; приводи з використанням матеріалів з різними коефіцієнтами розширення; приводи із використанням елементів із сплавів з ефектом пам'яті форми (СЕПФ).

За результатами порівняння приводів найбільш перспективними є приводи, виконані зі сплавів з ефектом пам'яті форми, де використовується примусове електронагрівання.

Отже, для вирішення завдання щодо підвищення надійності та енергоефективності, зменшення матеріаломісткості, зниження затрат праці на монтаж, налагодження та технічне обслуговування приводів систем природної вентиляції СЗҐ, сформульовано завдання на дослідження можливостей використання приводів на основі СЕПФ у СЗҐ та оптимізацію конструкції даних приводів.

Підходи до дослідження приводів на основі СЕПФ досить різноманітні і включають як аналітичні, так і графічні методи. Проте майже всі вони використовують моделі, що описують термомеханічну поведінку СЕПФ. Найбільш поширеними є моделі, розроблені І. Танакою, К. Ліангом та К. Роджерсом.

Розроблені раніше моделі вимагають урахування значної кількості залежностей і параметрів отриманих експериментально (наприклад, фазового складу, температур переходу, термопластичного тензору, тензору фазової трансформації і коефіцієнту впливу напруження), а їх визначення іноді досить проблематичне.

Крім того, при використанні приводів на основі СЕПФ у спорудах захищеного ґрунту головна проблема полягає у поєднанні значного зусилля та досить великого переміщення. Запропоновані моделі не дають можливості ефективно вирішити цю проблему, оскільки розглядають лінійні приводні елементи (пряма нитка, стержень) де генерація зусилля проходить лише за рахунок фазових змін матеріалу (перетворення мартенситу на аустеніт, і навпаки). У цьому випадку деформація (видовження) приводного елементу становить 4-8% і для забезпечення великого переміщення необхідне використання значних за розміром елементів із СЕПФ. Проте різноманітність форм виконання приводних елементів дає змогу обрати таку з них, що була б найкращою (за співвідношенням зусилля-переміщення) для систем природної вентиляції СЗҐ. Саме ця форма має бути взята за основу при розробці приводного елементу.

У другому розділі "Електротермомеханічні приводи систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту на основі сплавів з ефектом пам'яті форми" описано характерні особливості сплавів з ефектом пам'яті форми, обґрунтовано можливість використання приводів із СЕПФ у системах природної вентиляції споруд захищеного ґрунту. Подано результати експериментального дослідження електрофізичних параметрів сплаву з ефектом пам'яті форми Cu-Al-Mn.

Матеріал у вигляді стрічки, дроту і т.д., що володіє ефектом пам'яті форми, пластично деформують при температурі ТД вище температури прямого мартенситного перетворення МП з метою надання йому певної форми. Потім охолоджують до температури, що забезпечує протікання (повне чи часткове) мартенситного перетворення і деформують у цих температурних межах до одержання попередньої форми.

При нагріванні вище температури зворотного мартенситного перетворення иК зразок знову відновлює форму, що була йому надана при температурі ТД > МП.

При відновленні форми генерується зусилля, що може бути використане для виконання певної роботи. Ця властивість широко використовується у багатьох галузях техніці, зокрема в електротехніці, авіації, медицині, робототехніці. На сьогодні ефект пам'яті форми виявлено у широкого кола сплавів, зокрема в сплавах Nі-Ті, Cu-Аl, Cu-Аl-Мn, Au-Cd, Cu-Аl-Nі.

Принцип стабільної роботи силового елемента на основі матеріалу з ефектом пам'яті форми полягає в наступному. Спеціально підготовлений термосиловим тренуванням силовий елемент з'єднаний з попередньо розтягнутою чи стиснутою пружиною. При нагріванні силового елементу зменшується величина мартенситних доменів і елемент змінює свої розміри. При цьому через обмеження можливості деформуватись він починає генерувати механічне напруження. Спочатку на здійснення роботи для деформації пружини і самого себе, а потім - після вибору холостого ходу - і проти інших зовнішніх сил. Потім силовий елемент охолоджується і в діапазоні температур прямого мартенситного перетворення в ньому виникають і розростаються мартенситні домени, що формуються під дією зовнішніх сил зі сторони здеформованої пружини. Після завершення зворотного мартенситного перетворення силовий елемент готовий для здійснення наступного робочого циклу. Роль пружини може виконувати будь-яке навантаження, що діє на силовий елемент.

Враховуючи викладені вище аспекти, сформульовано конструкцію приводного елементу для систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту. Сплав з ефектом пам'яті форми, який доцільно використовувати, - Cu-Al-Mn. Даний сплав дешевший за Ni-Ti, але має схожі характеристики. Крім того, сплав Cu-Al-Mn має значно вищу теплопровідність (що є важливим при використанні в приводних елементах, що активуються тепловою дією).

Формою приводного елементу вибрана пластина здеформована до форми синусоїди. Така форма дає можливість поєднувати прийнятні значення зусилля та переміщення, а також ефективно нагрівається (завдяки великій площі теплового впливу).

Для активації приводного елементу використовуємо нагрівання за допомогою електронагрівання (пряме або стороннім електронагрівачем). Цей спосіб активації дає можливість створювати приводні елементи, керовані автоматикою. Так, змінюючи потужність нагрівання, можна регулювати швидкість спрацювання приводу, зусилля, що ним розвивається. Для повернення приводного елементу у вихідне положення буде використовуватись вага конструкції, що відкривається (фрамуга теплиці чи парникова рама).

Працює привод таким чином. На основі інформації датчиків блок керування генерує сигнал на відкривання фрамуг. Подається живлення на нагрівач пружини із СЕПФ та на блок живлення фіксатора 6. При нагріванні до температури відновлення форми, пружина, розжимаючись, передає зусилля на шток 5. При досягненні потрібного кута відкривання фрамуг вимикається живлення нагрівача пружини та електромагніту фіксатора. Фіксатор під дією пружини входить в отвір на штокові, чим блокує його переміщення.

За необхідності закривання фрамуг подається живлення на електромагніт фіксатора, який розблоковує шток і він під дією ваги фрамуг, стискаючи пружину, переміщується у напрямку закривання. При досягненні необхідного положення фрамуг живлення з електромагніту знімається і шток блокується.

Приводні елементи із СЕПФ без додаткового електронагрівача використані при створенні терморегульованого парника, в якому здійснюється позонне регулювання температури. Парник містить бічні та центральний приводні елементи зі сплаву з ефектом пам'яті форми, що мають різні температури спрацювання (відновлення форми). Завдяки спеціальному розміщенню приводних елементів виділяються певні зони регулювання температури, досить вдало використовується ефект "тяги" при організації повітрообміну в парнику.

Температура спрацювання бічних приводних елементів нижча за температуру спрацювання центрального приводного елемента. Зазначимо, що температура початку відновлення форми СЕПФ для виготовлення даних приводних елементів повинна бути у межах від 15 до 25 єС.

Терморегульований парник працює таким чином. При заданій температурі в парнику рама 2 знаходиться у закритому положенні. При підвищенні температури до певного рівня спрацьовують (починають відновлювати форму) бічні термочутливі приводні елементи 4. Відкриваються рами парника у нижній частині. За подальшого підвищення температури спрацьовує центральний приводний елемент 3. Відкриваються рами парника у центральній частині.

При зниженні температури у парнику приводні елементи зменшують генероване зусилля, і рами під дією власної ваги закриваються.

В процесі дослідження експериментально визначено основні електрофізичні параметри сплаву Cu-Al-Mn, що були використані при чисельному моделюванні ЕТМП: питомий електричний опір - е =0,246 Оммм2/м; питома теплоємність - с =490,8 Дж/(кг.К); питома теплопровідність сплаву - = 264,6 Вт/(м.К); густина сплаву - = 7671,82 кг/м³; температура початку відновлення форми - иК = 37-45С; температура плавлення - и =1020С.

У третьому розділі "Моделювання параметрів електротермомеханічного приводу" представлено аналітичне визначення параметрів ЕТМП. Проведено комп'ютерне моделювання температурних полів елементів приводу. Розраховано діаграми навантаження електротермомеханічного приводу.

Складовою розрахунку параметрів електротермомеханічного приводу є визначення зусилля генерованого приводним елементом та параметрів електронагрівача для забезпечення температурного режиму роботи приводного елементу. Специфічним при проведенні моделювання приводних елементів із СЕПФ є необхідність врахування досить великих деформацій приводних елементів, які співмірні з розмірами самих елементів. Це значною мірою ускладнює використання розробленого математичного апарату для СЕПФ в області відновлюваних деформацій (незначний гістерезис). З іншого боку, деформації елемента із СЕПФ відбуваються за час, який набагато більший, ніж характерний час тривалості процесів перетворення мікроструктури. Така ситуація потребує введення процедури ієрархії часових масштабів і технічні аспекти проблеми розглядати як статичні.

Розглянемо пластину шириною w, товщиною h і довжиною L, верхня границя якої має форму, яку до деформації можна описати відрізком функції (х). Слід мати на увазі, що деформації можуть бути різними. Розглянемо поздовжню деформацію, в результаті якої форму верхньої границі пластини можна описати графіком деякої функції (х), x[x1,x2]. За низьких температур ( < к) пластина залишається в стані спокою, за ( ? к) починається її деформація, зумовлена розподіленим навантаженням q(x,t), вектор якого є дотичним до кривої.

Для подальшого визначення зусилля слід задатися функціями y0(x) і y0(x). Цей вигляд визначає величину b0.

Слід зазначити, що не враховано класичні температурні видовження пластини, оскільки вони значно менші за деформації.

Припустимо, недеформована пластина довжиною L, мм, розміщена таким чином, що має осьову лінію, яку ми приймаємо за вісь абсцис (ОХ). В результаті деформації ця пластина отримує форму частини синусоїди з амплітудою а, мм, частотою щ, мм-1, і з кількістю півхвиль п. При цих припущеннях обчислимо початкову довжину приводного елементу b0 ().

Оскільки в процесі випрямлення змінюються довжина синусоїди b(x), величина зусилля F змінюється.

Запропонована математична модель дає змогу визначати параметри приводних елементів, виконаних зі сплавів з ефектом пам'яті форми. При визначенні генерованого зусилля враховуються як геометричні, так і фізичні властивості приводних елементів. Аналізуючи аналітичну залежність, можна сформулювати гіпотезу про те, що зусилля значною мірою залежить від початкової деформації приводного елементу та його форми (параметрів синусоїди), ніж від об'єму СЕПФ. Тобто, при однаковому об'ємі СЕПФ більше зусилля розвиває приводний елемент з більшою початковою деформацією та меншою амплітудою синусоїди. Це дає можливість при проектуванні приводних елементів зменшити витрату СЕПФ завдяки оптимізації форми приводного елементу, а саме, амплітуда синусоїди приводного елементу повинна бути мінімально можливою для даного приводного елементу, а її початкова деформація максимально великою.

Швидкість відновлення форми залежить від швидкості підводу тепла і зв'язків, накладених на пружину. Розглянемо наступну модель.

Приводний елемент синусоїдальної форми довжиною L початково здеформований до величини b0, похилений під кутом до горизонту і в результаті нагрівання розпрямляється до величини b. При цьому піднімається вантаж G. Нагрівач повинен забезпечити передачу енергії Q пластині зі СЕПФ, причому

, , (1)

привод електротермомеханічний теплиця вентиляція

де Qп - теплота, необхідна для нагрівання пластини до температури к; Qн - теплота, що витрачається на нагрівання безпосередньо нагрівача.

Нагрівання приводного елементу можна реалізувати за допомогою стороннього електронагрівача або прямим нагріванням (пропусканням струму через нього).

Доцільність використання того чи іншого способу нагрівання визначається економічним чинником. Для цього порівнюються витрати на генерацію певного зусилля (або витрати на нагрівання певного об'єму СЕПФ, здатного генерувати певне зусилля). До витрат належать вартість нагрівача чи трансформатора, а також витрати на електроенергію. Вартість приводного елементу та інших елементів електротермомеханічного приводу у цьому випадку не враховуємо, оскільки вони будуть однакові та не залежать від типу нагрівача. На діаграмі наведено витрати на нагрівання залежно від генерованого приводним елементом зусилля (витрати враховують вартість нагрівального пристрою та вартість електроенергії для проведення 1000 робочих циклів).

Аналіз діаграми показує, що електроконтактне нагрівання доцільно використовувати для приводного елементу із зусиллям до 120 Н (точка А). При використанні приводного елементу з більшим за 120 Н зусиллям доцільним є застосування стороннього електронагрівача.

При прямому нагріванні тепло виділяється при проходженні струму безпосередньо у приводному елементі. Тому актуальною є задача визначення теплофізичних характеристик приводних елементів із СЕПФ. У цій задачі передбачається наявність джерел і втрат теплоти. Під джерелом розуміється просторово-локалізоване теплове джерело постійної електричної потужності.

Розглянемо приводний елемент у формі необмеженої пластини товщиною 2R. Початковий розподіл температури рівномірний і відповідає температурі навколишнього середовища Т0 = const. В деякий момент часу в площині х = 0 починає діяти джерело теплоти постійної потужності q. Температура поверхні пластини протягом процесу теплообміну підтримується постійною і рівною початковій.

Загальне рішення сформульованої задачі має такий вигляд:

. (2)

У даній формулі прийняті позначення: q - густина теплового потоку, Вт/м²; мn = f(Bi) - корені характеристичних рівнянь (функції Бесселя нульового порядку першого роду); - число Фур'є; - число Біо; Т, Т0 - відповідно температури поверхні тіла і середовища, С.

У результаті комп'ютерного моделювання проаналізовано температурне поле приводного елементу (пластина здеформована до форми синусоїди) при прямому нагріванні електричним струмом, а також розподіл температур в корпусі ЕТМП.

Моделювання проводилось за допомогою програмного продукту STAR-CD. Даний програмний продукт використовує сучасні високоефективні чисельні алгоритми (метод контрольного об'єму), що дають можливість розв'язувати задачі тепло- та масообміну практично будь-якої складності.

Процес розв'язання даної задачі полягав у наступному: вибір фізичної моделі теплової взаємодії приводного елементу з оточуючим середовищем; побудова геометричної моделі циклічної ділянки; побудова розрахункової сітки задачі теплообміну; формулювання початкових та граничних умов.

У процесі моделювання розглянуто фізичну модель приводного елементу у формі синусоїди.

Приводний елемент нагрівається шляхом пропускання через нього електричного струму. При нагріванні приводного елементу відбувається теплообмін з навколишнім середовищем. В розглянутому випадку тепло передається трьома способами: теплопровідністю, вільною конвекцією та випромінюванням.

Розглядається задача нестаціонарного теплообміну між робочим елементом та навколишнім середовищем при проходженні електричного струму через приводний елемент. Тепло передається через повітря (вільна конвекція, випромінювання, теплопровідність), азбестовий картон (теплопровідність) і стальний корпус (теплопровідність) в навколишнє середовище. На зовнішній поверхні корпусу задана гранична умова третього роду ( = 5 Вт/(м²К) і Т = 20С). Тривалість процесу теплообміну 180 с, або до досягнення температури приводного елементу 100С.

Основою для математичної моделі є рівняння, що виражають закони збереження маси, імпульсу та енергії в розглянутому малому контрольному об'ємі (корпус з приводним елементом обмеженим повітрям).

При нагріванні приводного елементу його температура по перерізу є майже однорідною. Спостерігається незначне відхилення температури (0,1-0,2^оС), що зумовлене рухом повітря в корпусі приводу.

Максимальна температура спостерігається у точках перегину приводного елементу, оскільки там майже відсутній конвективний рух повітря.

Загалом пряме нагрівання дає змогу забезпечити необхідний температурний режим роботи ЕТМП. Перевагою цього способу є більша швидкість нагрівання порівняно з використання стороннього нагрівача. Крім того забезпечується рівномірне прогрівання приводного елементу, що необхідно для ефективного відновлення форми СЕПФ.

При аналізі розрахованих діаграм навантаження електротермомеханічного приводу відзначимо, що: відхилення величини зусилля для відкривання фрамуги, залежно від кута відкривання, незначне і становить 10%; навантаження на приводі встановленому горизонтально чи вертикально (фрамуга вагою 40 кг) становить відповідно 218 Н і 237 Н.

У четвертому розділі "Експериментальне дослідження електротермомеханічного приводу" описано методику виконання експериментальних досліджень та наведено їх результати.

Використовуючи результати моделювання параметрів ЕТМП, слід зауважити те, що зусилля, створене приводним елементом із сплаву з ефектом пам'яті форми (СЕПФ), залежить від багатьох факторів. Найважливішими, на нашу думку, є форма приводного елементу, об'єм СЕПФ та температура приводного елементу.

Встановлення залежності зусилля від параметрів та режиму нагрівання приводного елементу є визначальним при проектуванні приводних елементів із СЕПФ (а отже і приводів) з певними, наперед визначеними характеристиками.

При проведенні досліджень установка працює таким чином. Досліджуваний приводний елемент із СЕПФ у вигляді синусоїди закріплюється на направляючій осі 2 (вісь проходить через отвори, розміщені на осі синусоїди). При спрацьовуванні привода створюється зусилля, що діє через брус 4 на шток 5. Шток 5 діє на пружини динамометра. За показниками на шкалі динамометра проводиться зчитування зусилля, створеного приводним елементом.

Для кожного приводного елементу передбачалось дослідження при трьох рівнях початкової деформації (35 мм, 55 мм та 75 мм).

За результатами експериментальних досліджень побудовано графічні залежності зусилля, створеного приводним елементом з СЕПФ від температури. Характер графічної залежності вказує на існування лінійної залежності між даними величинами (лише в кінцевій фазі нагрівання при температурі близько 150С, настає стабілізація зусилля).

Вид залежностей для приводних елементів з довжинами півхвиль 55, 45, 25 та 20 мм аналогічний, з відповідним збільшенням та зменшенням розвинутих зусиль.

Для можливості проектування приводних елементів з певними параметрами, визначено питоме зусилля - зусилля, що генерується одиницею об'єму СЕПФ приводного елементу певної геометричної форми при нагріванні на 1^оС.

Питомі зусилля, розраховані для приводних елементів з різними геометричними параметрами, представлено в таблиці 1.

Таблиця 1

Питомі зусилля приводних елементів, Н/мм^3оС

Відношення L/b0 *	Довжина півхвилі синусоїди, мм
	55	45	35	25	20
2	0,61·10-3	1,01·10-3	2,27·10-3	4,56·10-3	7,75·10-3
3	1,03·10-3	1,63·10-3	3,56·10-3	6,75·10-3	12,2·10-3
5	1,82·10-3	3,03·10-3	6,12·10-3	11,4·10-3	20,3·10-3

* Відношення довжини пластини приводного елементу до початкового розміру приводного елементу.

За результатами експериментальних досліджень приводних елементів, виконаних з СЕПФ, при сторонньому електронагріванні, можна зробити наступні висновки:

– підтверджено гіпотезу про те, що зусилля більше залежить від початкової деформації та форми приводного елементу, ніж від об'єму СЕПФ. Тобто, при однаковому об'ємі сплаву більше зусилля розвиває приводний елемент з більшою початковою деформацією та меншою амплітудою синусоїди;

– максимальне зусилля розвивається приводним елементом при нагріванні до температури, що в 3-4 рази перевищує температуру початку відновлення форми.

Загалом дані, отримані в результаті експериментальних досліджень приводних елементів при прямому електронагріванні, відповідають результатам комп'ютерного моделювання.

Аналізуючи отримані графічні залежності, можна зауважити, що:

? зусилля при збільшенні температури зростає нерівномірно. Максимально зусилля зростає, починаючи з температури початку відновлення форми (ик) до температури, що дорівнює 2·ик;

? швидкість нагрівання збільшується при зростанні густини струму. Тобто, зменшується час нагрівання приводного елементу, але не збільшується генероване зусилля.

Метою експериментального дослідження ЕТМП на основі СЕПФ системи природної вентиляції СЗҐ було встановлення адекватності реальних показників приводу параметрам, що отримані аналітичним шляхом.

Як видно з результатів, при досягненні температури приводного елементу значення початку відновлення форми (приблизно 37-45°С) відбувається різке зростання генерованого зусилля. Потім зусилля стабілізується і за температури 65°С, набуває максимального значення (458 Н) для заданого часового проміжку (3 хвилини). При теоретичному розрахунку даного ЕТМП отримано за значення максимального зусилля у 484 Н, що на 5% більше експериментального значення. Отже, можна говорити про адекватність теоретичних залежностей.

У п'ятому розділі "визначення функціональної якості електротермомеханічного приводу (функціонально-вартісний аналіз)" наведено визначення функціональної ефективності ЕТМП систем природної вентиляції СЗҐ.

Дослідження систем при ФВА базується на функціональному підході, при якому система розглядається як сукупність функцій, що нею виконуються. Далі ведуться пошуки кращого принципу реалізації цих функцій.

В результаті пошуку були визначені дві альтернативні конструкції ЕТМП на основі СЕПФ систем природної вентиляції в СЗГ. Головна відмінність цих варіантів - тип нагрівача для активації пружини з СЕПФ. У першому випадку використовується нагрівач, виготовлений з ніхромового проводу вкритого тефлоновою ізоляцією. Цей нагрівач намотується безпосередньо на пружину з СЕПФ. Другий варіант нагрівача - використовуємо трубчастий нагрівач, зігнутий таким чином, що охоплює пружину з двох боків. Вибір ефективного варіанта здійснюємо за показником приведених витрат: перший варіант - 780,95 грн.; другий варіант - 571,00 грн.

В результаті аналізу встановлено місце функцій приводу в ранжированому ряду та їх ваговий коефіцієнт. Основними функціями системи визначено функції нагрівання пружини із СЕПФ та переміщення штоку, а носіями даних функцій відповідно є нагрівач та пружина із СЕПФ. Тому особливу увагу при конструюванні та виготовленні електротермомеханічного приводу слід приділити саме цим вузлам та деталям.

Порівняння економічних показників систем природної вентиляції з ЕТМП та систем з мотор-редукторами довело перевагу перших. Зокрема приведені витрати зменшуються на 7,1%, а металомісткість на 46%. Використання електротермомеханічних приводів дає змогу покращити точність регулювання температурного режиму, зменшити експлуатаційні витрати.

Висновки

У дисертаційній роботі проведено теоретичне й експериментальне узагальнення та вирішення наукової задачі - підвищення надійності та ефективності роботи систем природної вентиляції СЗҐ завдяки використанню електротермомеханічних приводів на основі сплавів з ефектом пам'яті форми (ЕТМП на основі СЕПФ).

Отримані теоретичні та експериментальні результати дають можливість зробити наступні загальні висновки:

1. Аналіз існуючих приводів систем природної вентиляції СЗҐ показав, що вони мають низький рівень надійності, порівняно дорогі, металомісткі (2,7 кг/м2), вимагають значних затрат праці на монтаж та технічне обслуговування.

Використовуючи теоретичні та експериментальні дослідження фізичних властивостей СЕПФ та розроблені на їх основі приводи, доведено можливість та доцільність застосування електрично активованих приводів на основі СЕПФ для підвищення надійності та ефективності роботи систем природної вентиляції в СЗҐ.

2. Для забезпечення необхідних технологічних параметрів роботи систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту визначено конструкцію електротермомеханічного приводу на основі СЕПФ. Основні елементи приводу: - сплав з ефектом пам'яті форми - Cu-Al-Mn; - форма приводного елементу - пластина здеформована до форми синусоїди; - активація за допомогою електронагрівача.

Експериментально визначено основні електрофізичні параметри сплаву Cu-Al-Mn, що були використані при чисельному моделюванні електротермомеханічного приводу: питомий електричний опір - е = 0,246 Оммм2/м; питому теплоємність - с = 490,8 Дж/(кг.К); питому теплопровідність - = 264,6 Вт/(м.К); температуру плавлення - и = 1020 С; густину - = 7671,82 кг/м3.

3. Розроблена математична модель приводу дає змогу встановлювати взаємозв'язок параметрів приводного елемента, виконаного із СЕПФ. При цьому враховано як геометричні (степінь початкової деформації та параметри форми), так і фізичні властивості приводного елементу.

Моделювання параметрів приводу враховує специфіку приводних елементів з СЕПФ, а саме їх досить великі деформації (збільшення початкового розміру приводного елементу у 2-3 рази), які співмірні з розмірами самих елементів.

4. Підтверджено гіпотезу про те, що зусилля в більшій мірі залежить від початкової деформації приводного елементу та його форми (параметрів синусоїди), ніж від об'єму СЕПФ.

Визначено, що для приводного елементу у формі синусоїди оптимальні робочі характеристики досягаються при дотриманні співвідношення - амплітуда синусоїди приводного елементу є мінімально можливою для даного приводного елементу, а початкова деформація максимально допустимою.

5. Встановлено, що безпосереднє нагрівання електричним струмом доцільно використовувати для приводних елементів із зусиллям до 120 Н. При використанні приводних елементів з більшим за 120 Н зусиллям доцільним є застосування стороннього електронагрівача.

Проведене комп'ютерне моделювання процесів в електротермомеханічному приводі дозволило визначити температурні поля на частинах приводу, визначити динаміку їх нагрівання.

6. Експериментально визначено питоме зусилля - зусилля, що генерується одиницею об'єму приводного елементу певної геометричної форми при нагріванні на 1^оС (максимальне значення питомого зусилля - 20,3·10-3 Н/мм^3оС).

Експериментально перевірено відповідність аналітично визначених параметрів електротермомеханічного приводу на основі СЕПФ реальним показникам приводу (відхилення результатів становить до 5%).

7. Результатом функціонально-вартісного аналізу стало визначення функцій складових електротермомеханічного приводу та затрат на їх реалізацію, запропоновано напрями вдосконалення конструкції приводу.

Порівняння економічних показників систем природної вентиляції з електротермомеханічними приводами та систем з мотор-редукторами довело перевагу перших. Зокрема приведені витрати зменшуються на 7,1%, а металомісткість - на 46%. Проведені виробничі випробування підтвердили ефективність та надійність електротермомеханічного приводу на основі СЕПФ.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Козирський В.В., Волошин С.М. Аналіз систем природної вентиляції теплиць // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. - №1(6) 2004. - С. 30-35. (Подано характеристику систем природної вентиляції теплиць та приводів, що в них використовуються).

2. Волошин С.М. Дослідження процесу нагрівання термочутливого приводного елементу із сплаву з ефектом пам'яті форми // Збірник наукових праць Подільського державного аграрно-технічного університету. - Кам'янець-Подільський: ПДАТУ, 2004. - Вип. 12. - С. 375-378.

3. Волошин С.М. Використання сплавів з ефектом пам'яті форми у сільському господарстві // Наукові праці Кам'янець-Подільського державного університету. Збірник за підсумками звітної наукової конференції викладачів та аспірантів (7-8 квітня 2004 р.). - Кам'янець-Подільський: КПДУ, 2004. - Вип. 3, Том 1. - С. 223-225.

4. Пат. 68239А Україна, МКИ4 А 01 G 9/24, 9/14 Система регулювання температури повітря в теплиці / В.В. Козирський, С.М. Волошин, В.А. Марчинський. - Опубл. 15.07.2004, Бюл. №7.

5. Волошин С.М. Альтернативні приводи систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту // Збірник наукових праць Кам'янець-Подільського державного університету. - Кам'янець-Подільський: КПДУ, 2004. - Вип. 10. - С. 147-149.

6. Волошин С.М. Привод для відкривання фрамуг теплиць, що містить елементи зі сплаву з ефектом пам'яті форми // Науковий вісник Національного аграрного університету. - К.: НАУ, 2004. - Вип. 73 (частина 2). - С. 259-264.

7. Козирський В.В., Волошин С.М. Метод определения температурного поля с внутренним источником теплоты // Праці Інституту електродинаміки НАН України. - К.: ІЕД, 2005. - №1 (10). - С. 87-90. (Сформульовано вихідні умови для розробки моделі температурного поля з внутрішнім джерелом теплоти).

8. Козирський В.В., Волошин С.М. Експериментальне дослідження приводних елементів зі сплаву з ефектом пам'яті форми // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. - Харків: ХНТУСГ, 2005. - Вип. 37, Том 1. - С. 66-73. (Розроблено дослідну установку для проведення експериментальних досліджень приводних елементів, проведено аналіз результатів дослідження).

9. Козирський В.В., Волошин С.М. Моделювання термомеханічного зусилля приводного елементу зі сплаву з ефектом пам'яті форми // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. - 2005. - №4 (13). - С. 84-90. (Подано особливості розробки математичної моделі електротермомеханічного приводу проведено моделювання залежності зусилля приводу від температури).

10. Козирський В.В., Волошин С.М. Електротермомеханічний привод із сплаву з ефектом пам'яті форми // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. - 2006. - №1 (16). - С. 55-62. (Представлено конструктивне виконання електротермомеханічного приводу та принцип його роботи)

11. Козирський В.В., Каплун В.В., Волошин С.М. Електротермомеханічний привод систем природної вентиляції споруд захищеного ґрунту // Електротехніка і механіка. - 2006. - №1. - С. 102. (Описано призначення та галузі застосування електротермомеханічного приводу на основі СЕПФ).

12. Козирський В.В., Волошин С.М. Дослідження електротеплофізичних параметрів сплаву з ефектом пам'яті форми Cu-Al-Mn // Науковий вісник Національного аграрного університету. - К.: НАУ, 2006. - Вип. 100. - С. 221-227. (Розроблено методику для проведення експериментальних досліджень електротеплофізичних параметрів сплаву з ефектом пам'яті форми Cu-Al-Mn, проведено аналіз результатів дослідження).

13. Пат. 16934 Україна, МПК(2006) A 01 G 9/00 Терморегульований парник / В.В. Козирський, С.М. Волошин. - Опубл. 15.09.2006, Бюл. №9.

Размещено на Allbest.ru

...