范文一:记忆合金垫片在电力设备安全和节能中的应用试验研究
记忆合金垫片在电力设备安全和节能中的
应用试验研究
方晓临,陈天翔,苏晓艺,刘涛
,厦门理工学院电气工程与自动化学院,厦门市 361024,
Application Experiment Reserch of Memory Alloy Spacer on Power Device
Security and Energy Saving
Fang Xiaolin, Chen Tianxiang,Su Xiaoyi ,Liu Tao
(Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China )
ABSTRACT:Connector's contact resistance is the 合金垫片和普通弹簧垫片在相同温度和相同初始essential element of electrical equipment joint 接触电阻的情况下做对比试验为出发点的试验平heat,reduce the joint contact resistance can reduce 台,利用大电流发生器产生一定的电流,模拟接头power equipment joint heat.This Experiment is aimed 过热故障,对使用了记忆合金垫片和普通弹簧垫片
fy a fact that we can use shape memory alloy to veri的变压器两接头同时测量其各自接头温度和接触whose function can restore to the original shape at 电阻。试验结果表明记忆合金垫片相比普通弹簧垫high temperature to reduce the connector's contact 片能够更好的减小接头的接触电阻,减小接头发resistance,so as to reach the purposes of energy saving 热,具有显著的安全和节能的作用。and device security.In this paper,we build a 关键词:接头发热,记忆合金,垫片,节能,试验experimental platform which uses shape memory alloy 研究 spacer and general spring spacer on the transformer's
0 引言 connectors to do comparison experiment under the ame external temperature and initial contact s运行中的各种电气设备,都是通过导线resistance as the starting point in the laboratory,and 和接头连接起来的。这些设备接头是承载负create a certain current by high-current generator to 荷电流的关键部位,因此是维护与检修的重analog a situation of connectors overheating
要方面,它包括设备线夹、并沟线夹、开关fault,and measure the two connectors' temperature
柜母线接头、变压器导电杆等,这些部位都and contact resistance joints simultaneously.Taking 【1】into account of the results,we can get the point that 是维护与检修的重要方面。接头发热故障compared to the general spring spacer, shape memory 是线路安全的薄弱环节,其原因有接头联接alloy spacer can reduce the connector's contact 安装工艺不当,接头压力不当等,但根本原resistance,reduce the joint heat,and play a significant 因在于接头接触电阻的增大,所以减小电力role of device security and energy saving in the device 设备接头发热可以从减小接头接触电阻入using. 手,这就需要找到一种材料使得接头在发热KEYWORDS: joint heat,shape memory alloys, 初期就能够增大接头处的接触压力,来增大spacer,energy saving,experiment research 接头处各部件的有效接触面,进而减小接触摘要:接触电阻是引起电力设备接头发热的重要因电阻。当前市场上就有一种记忆合金材料能素,减小接头接触电阻可以减小电力设备接头发通过试验在高温下发生形变。因此本文就是热。本文研究的是借助记忆合金在高温下恢复原有验证是否可以利用记忆合金解决电力设备形状的功能来减小接头接触电阻,进而减少发热,接头发热的问题。本文对采用了记忆合金垫达到节能和安全的目的。通过在试验室搭建以记忆片和普通弹簧垫片的变压器两接头同时测
量其各自接头温度和接触电阻。如果相同试
验条件下,使用了记忆合金垫片的接头比使
用了普通弹簧垫片接头的接头温度低,同时
接触电阻小,则说明记忆合金垫片具有可以
节能和安全作用。
1 记忆合金材料温度形变性能
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,金属就产生塑性图1 形状记忆效应微观机制 【2】变形,应力消除后就产生永久变形。有些除高分子材料凭借链结构随温度升高金属在高温下定形后冷却到低温并施加变而出现形状记忆效应外,金属和陶瓷材料都形,从而形成残余形变。当材料加热时,材是通过可逆的马氏体相变而呈现形状记忆
【6】料的残余形变消失,并回复到高温下所固有效应的。
的形状,再进行加热或冷却时,形状保持不2 试验研究 变,这就是所谓的形状记忆效应(Shape
Memory Effect),它就像合金记住了高温状2.1 试验平台原理 态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通TT
常是两种以上金属的合金,因此称为形状记温度计温度计【3】忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)。
记忆合金垫片普通垫片接接触电阻触电阻
目前发现的记忆合金主要有三种:单程
双臂电桥双臂电桥记忆合金、双程记忆合金、全程记忆合金。
其中单程记忆合金的记忆效应只存在于加A热过程,即在较低温度下变形后可以加热过
程中恢复原有形状。双程记忆合金是在加热AC时恢复高温时的形状,在冷却时恢复低温时
开关的形状。全程记忆合金在加热时恢复高温时
的形状,在冷却时得到形状相同取向相反的
【4】 低温相形状。
形状记忆效应一般基于热弹性马氏体相变,图2 试验平台原理图
在相变过程中,总能量的变化主要与化学自
试验平台原理图如图1所示,该试验由由能和弹性变形能有关,而界面能和塑性变
电力变压器的两个接头、电流发生器、两个形能很小可以忽略。马氏体相变过程中,会
相同规格的接触式温度计、两个同型号的双发生切变,微观上表现为发生较大的剪切变
臂电桥以及相同型号的记忆合金垫片和普形。母相与马氏体存在着非常严格的晶体相
通垫片各一个组成。在一个接头装上记忆合对应的关系。温度升高到一定温度,马氏体
金垫片,另一个接头装上普通弹簧垫片,按发生逆相变,回到母相,此时合金恢复到原
图在两接头接上相同型号的双臂电桥和接有形状。热弹性马氏体相变表现为相变时形
触温度计。 成的马氏体片,随温度的降低(升高),通过
在接头上通入电流一段时间,接头会发两相界面的移动长大(缩小),其变化尺寸由
热。当温度过高时,导体接触连接处的表面温度决定,随温度的变化表现其弹性特征如
【5】将强烈氧化,产生高电阻率的氧化物薄膜,图1所示为形状记忆效应微观机制。
同时弹簧垫片的弹性和压力下降,会使接触
电阻增加,温度便进一步升高,因而可能导
【7】致接触处松动或烧熔。对记忆合金而言,
当温度升高时,记忆合金发生形变,与接头头发热越明显。两接头均从相同室温23?开更加贴合,接头接触电阻会减小,由焦耳定始试验,使用了普通弹簧垫片初始温度为律得知,接头发热会缓解,接头温度的升高23?,而使用了记忆合金垫片的接头初始温会缓解。 度为22?。当通过两接头的电流为260A时,
使用了普通弹簧垫片的接头温度变为85?,2.2 试验步骤
1、按图接好设备后,调节两接头的松使用了记忆合金垫片的接头温度为69?,
紧状况,利用两双臂电桥使两接头的接触电
阻相同,由此断定试验前两接头处于相同的3.1试验两接头处于同等松动状态且在通有状态。记录此时的各接头接触阻值和温度。电流条件下的对比试验
2、将双臂电桥断电,接通电流发生器,
在两接头慢慢通入相同的电流10分钟,电
流从90A开始加。
3、10分钟后,重新调节双臂电桥,同
时记下两接头的接触电阻和当前的温度。
4、关闭电流发生器,切断电流,再次
调节双臂电桥,记录当前电桥示数和温度。
5、改变通入两接头的电流大小,每次
图3 电流与温度的对比 电流相差20A,从步骤1开始重复试验,直
到电流加到260A时结束。
2.3 试验中采取的减少误差的措施
1、对两接头通入相同大小的交流电流,此
交变的电流附近会产生交变的磁场,由电流
恒流定律有,闭合的导线会在交变的磁场中
产生感应电流,这个感应电流会影响双臂电
桥测得的数据,因此切断电流和接通电流测
得的数据不同,所以二者的数据都要采集。
2、在切断电流来测量试验数据时,试验会
面临裸铜导线散热快的影响,所以在切断电 流时,两接头的温度会比试验中的值偏小,
图4 电流与接触电阻的对比 因此试验采用先测接触电阻后测温度的做
法,保证在某一确切温度下的接触电阻是正
10分钟后,两接头温度相差了近16?.确的。
从两曲线走势上分析,随着电流的加大,使3 数据采集和分析 用了普通弹簧垫片的接头温度变化曲线的
斜率明显大于使用了记忆合金垫片的接头在试验过程中,得到两试验接头在同松
的温升曲线斜率。从两接头的温度变化曲线动、同紧固、同时通电流和同时切断电流下
可以推测出记忆合金垫片起了作用。 的四组数据并均进行了整合分析,根据这些
图4显示的是两接头接触电阻随电流数据绘制曲线图。
的变化曲线。为了保证试验的准确性,两接图3显示的是两个接头温度随电流的变
头在试验前初始电阻均为0.0003215Ω。由化曲线,可以看出在两接头同时通过相同电
图可知,使用了普通弹簧垫片的接头接触电流10分钟后,流过两接头的电流越大,接
阻从总体上讲变化不大,有微微下降的趋用了记忆合金垫片的接头的温升曲线斜率。
势,其中的几段曲线的变化不排除测量的误
差。这是由于接头处于松动状态,与垫片的图6显示的是切断电流后测得的两接头有效接触面积很小,当接头发热时因为金属接触电阻随电流的变化曲线。同图4所显示的膨胀效应反而使有效接触面积增大,从而的一样,使用了普通弹簧垫片的接头接触电减小接触电阻。而使用了记忆合金垫片的接阻从总体上讲变化不大,原因也和图4相近。头的接触电阻明显就下降了,通入260A的而使用了记忆合金垫片的接头的接触电阻电流十分钟后,其阻值从初始的0.0003215明显就下降了,通入260A的电流十分钟后,下降到0. 000097 Ω,减小了约69%的接触其阻值由初始的0. 0003215下降到 0. 电阻。由焦耳定律可得,相比使用普通弹簧0001885,减小了约41%的接触电阻。由焦垫片的接头,使用记忆合金垫片的接头节省耳定律可得,相比使用了普通弹簧垫片的接近60%的电量。 头,使用了记忆合金垫片的接头节省近40%
的电量。 3.2试验两接头处于同等松动状态且在切断
电流条件下的对比试验 3.3试验两接头处于同等紧固状态且在通有
电流条件下的对比试验
图5电流与温度的对比 图7电流与温度的对比
图6电流与接触电阻的对比 图8电流与接触电阻的对比
图5显示的是切断电流后测得的两个接图7显示的是两接头均处于相同紧固状头温度随电流的变化曲线,从两曲线走势上态且接通电流时,两接头温度随电流变化的分析,随着电流的加大,使用了普通弹簧垫曲线,有两接头同时通电10分钟,流过两片的接头温度变化曲线的斜率明显大于使接头的电流越大,接头发热越明显。由于试
验前两接头处于紧固状态,因此发热没有两
接头均处于松动状态下的严重。两接头均从
相同室温24?开始试验,两接头初始温度均
为26?。当通过两接头的电流为260A时,
使用了普通弹簧垫片的接头温度变为65?
而使用了记忆合金垫片的接头温度为61?,
两接头温度相差了近4?,虽然数据不大,
但还是存在一定温差。从两曲线走势上分
析,刚开始两接头温度曲线重合,当电流加
到140A以上时,随着电流的加大,使用了
普通弹簧垫片的接头温度变化曲线的斜率
开始大于使用了记忆合金垫片的接头的温图10电流与接触电阻的对比
升曲线斜率。
图9是在切断电流后测得的数据,从两图8显示的是两接头均处于相同紧固状
温度曲线走势上分析,随着电流的加大,两态且接通电流时,两接头接触电阻随电流变
曲线变化不大,当电流加大260A时,使用了化的曲线。试验前两接头初始电阻均为
普通弹簧垫片的接头温度变化曲线的斜率0.0001925Ω。由图可知,使用了普通弹簧垫
才大于使用了记忆合金垫片的接头的温升片的接头接触电阻相比图3中接触电阻变化
曲线斜率。 曲线,有逐渐上升的趋势,其中的几段曲线
图10是切断电流后,两接头接触电阻的变化不排除测量的误差。而使用了记忆合
随电流的变化曲线。试验前两接头初始电阻金垫片的接头的接触电阻明显就下降了,通
均为0.0001925Ω。从图上有,使用了普通入260A的电流十分钟后,从初始的0.
弹簧垫片的接头接触电阻和图8中接通电流0001925下降到0. 0001085Ω,减小了约43%
测接触电阻所得到的接触电阻变化曲线相的接触电阻。由焦耳定律可得,相比使用了
似,都有逐渐上升的趋势。使用了记忆合金普通弹簧垫片的接头,使用了记忆合金垫片
垫片的接头的接触电阻有明显下降,其中的的接头节省近40%的电量。
几段曲线的变化不排除测量的误差,通入3.4试验两接头处于同等紧固状态且在切断
260A的电流十分钟,其阻值从初始的电流条件下的对比试验
0.0001925Ω下降到0.00014Ω,减小了约
27%的接触电阻。由焦耳定律可得,相比使
用了普通弹簧垫片的接头,使用了记忆合金
垫片的接头节省近27%的电量。
4 结语
1) 使用记忆合金垫片和普通弹簧垫片做
对比试验,不管是接头处于松动还是紧固状
态,使用了普通弹簧垫片的接头发热明显大
于使用了记忆合金垫片的接头发热。
2) 当接头处在松动、紧固、通有电流和切
断电流四种情况下,记忆合金垫片可以平均图9电流与温度的对比 减小接头近40%的接头电阻,可以平均减小
接头近40%的能量损耗,特别是在两接头处
在同等松动状态且在通有电流条件下,记忆
合金垫片可以减小接头约69%的接触电阻,
可以节省近60%的电量,有效避免接头发热
故障的发生。从试验结果来看,记忆合金垫片完全可以替代普通弹簧垫片使用到电力设备中。
3) 3) 按平均售电电价0.5元/Kwh来计算,装有记忆合金垫片的接头在紧固状态且通有260A电流条件下运行,每年可以节省38元。
参考文献
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基金项目:厦门市科技计划3502Z20123043、3502Z20111008
项目资助
作者简介:
方晓临(1988-),女,硕士研究生,研究方向为高电压绝缘及试验技术。
邮箱:474458610@qq.com
地址:厦门市理工路600号厦门理工学院电气学院 361024
电话:15759216805
范文二:记忆合金垫片在电力设备安全和节能中的应用试验研究
::武汉大学学报工 学版 第 卷 第 期,,,,,,,,,, ,,,
,,,,,,,年 月,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,
:::文章编号 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
记忆合金垫片在电力设备安全和 节能中的应
用试验研究
,,,陈天翔方晓临苏晓艺刘涛
:厦门理工学院电气工程与自动化学院 ,福 建 厦门 :,,,,,,
:,摘要接触电阻是引起电力设备接头发热的重要因素 借 助记忆合金在高温下恢复原有形状的功能来减小接头接 触电阻 ,进 而减少发热 ,达到节能和安全的目的 通过在试验室搭建以记忆合金 垫片和普通弹簧垫片在相同温度和 ,
,,相同初始接触电阻的情况下做对比试验为出发点的试 验 平 台利用大电流发生器产生一定的电流 模 拟 接 头 过 热 故障 ,对使用了记忆合金垫片和普通弹簧垫片的变 压器两接头同时测量其各自接头温度和接触电阻 试 验 结 果 表 ,
,,明记忆合金垫片相比普通弹簧 垫 片能够更好地减小接头的接触电阻减 小 接 头 发 热具有显著的安全和节能的 作用,
:;;;;关键词接 头发热记忆合金垫片节能试验研究
:中图分类号:文献标志码 ,, ,,, ,
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:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,
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:;;;;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
、、、,运行中的各种电气设备都是通过导线和接头连 夹并沟线夹开关柜母线接头 变压器导电杆等这
,,,,些部位都是维护与检修的重要方面接 头发热故 接起来的这些设 备接头是承载负荷电流的关键部 ,,,,位因此是 维 护 与 检 修 的 重 要 方 面 它 包 括 设 备 线 障是线路安全的薄弱环节 其原因有接头连接安装
:收稿日期 ,,,,,,,,,, :::,,,,,,,作者简介 陈 天翔男 教 授 主 要从事电力设备绝缘在线监测技术和记忆合金材料电力电器应用技术研究 ,,,,,,, :,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
第 期 陈天翔 ,等 :记忆合金垫片在电力设备安全和节能中的应用试验研究 , ,,, 、,工艺不当接头压力不当等但根本原因在于接头接
,触电阻的增大所 以减小电力设备接头发热可以从
,减小接头接触电阻入手 这就需要找到一种材料使
, 得接头在发热初期就能够增大接头处的接触压力
,来增大接头处各部件的有效接触面 进 而减小接触
电阻记忆合金材料能在高温下发生形变 本文通过 ,,
试验验证是否可以利用记忆合金解决电力设备接头
图 形状记忆效应微观机制 发热的问题本文 对采用了记忆合金垫片和普通弹 , ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 簧垫片的变压器两接头同时测量其各自接头温度和
,接触电阻相同试验条件下使用了记忆合金垫片的 除高分子材料凭借链结构随温度升高而出现形 ,
,,状记忆效应外金 属和陶瓷材料都是通过可逆的马 接头比使用了普通弹簧垫片接头的接头温度低 同 ,,,,时接触电阻小说 明记忆合金垫片具有节能和安全 氏体相变而呈现形状记忆效应, 作用, 试验研究 ,
记忆合金材料温度形变性能 , 试验平台原理,,,
,一般金属材料受到外力作用后 首 先发生弹性 ,试验平台原理如图 所示该 试验由电力变压 ,
,,,变形达到屈服点金 属就产生塑性变形 应 力消除 、、器的两个接头电流发生器两个相同规格的接触式 ,,,后就产生永久变形有 些金属在高温下定形后冷 ,、温度计两个同型 号的双臂电桥以及相同型号的记
,却到低温并施加变形从而形成残余形变 当材料加 ,忆合金垫片和普通垫片各一个组成 在 一个接头装 ,
,,热时材料的残余形变消失 并回复到高温下所固有 ,,上记忆合金垫片另一个接头装上普通弹簧垫片 按
,,,的形状再进行加 热或冷却时 形 状保持不变这 就 电 桥 和 接 触 温 度 图在两接头接上相同型号的 双 臂
::,,是所谓的形状记 忆 效 应 它 计用于测量接头的电阻和温度 ,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,
就像合金记住了高温状态的形状一样 具 有形状记 ,,在接头上通入电流一段时间 接头会发热当温 ,
,忆效应的金属通常是两种以上金属的合金 因 此称 ,,度过高时导体接触连接处的表面将强烈氧化 产生
:,:为形状记忆合金,,,,,,,,,,,,,,,,,,高电阻率的氧化物薄膜 同时弹簧垫片的弹性和压 力,,,,,,:, 目前发现的记忆合金主要有 单 程记,,,种而, 下降会使接触 电阻增加 温度便进一步升高 因
,,,忆合 , 可能导致接触处松动或烧熔对记忆合金 而言,当、、金双程记忆合金全 程记忆合金其中单程记忆合 ,,,,温度升高 时记 忆 合 金 发 生 形 变与 接 头 更 加 贴 合
,金的记忆效应只存在于加热过程 即在较低温度下 ,,热会接头接触电阻 会减小 由焦耳定律得知 接 头发 变形后可以在加热过程中恢复原有形状 双 程记忆 ,,缓解接头温度的升高会缓解 , ,合金是在加热时恢复高温时的形状 在 冷却时恢复
低温时的形状全 程记忆合金在加热时恢复高温时 ,
,的形状在冷却时 得到形状相同取向相反的低温相
,,, 形状,
,形状记忆效应一般基于热弹性马氏体相变 在
,相变过程中总能 量的变化主要与化学自由能和弹
,性变形能有关而 界面能和塑性变形能很小可以忽
,,略马氏体相变过 程中 会 发生切变微 观上表现为,
发生较大的剪切变形 母相与马氏体存在着非常严 ,
,格的晶体相对应的关系 温度升高到一定温度 马氏 ,图 试验平台原理图 , ,,体发生逆相 变回 到 母 相此 时合金恢复到原有形 ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 状热弹性马氏体 相变表现为相变时形成的马氏体 ,试验步骤,,, ::,片随温度的降低升 高 通过两相界面的移动长大 :,按 图 接 好 设 备 后调 节 两 接 头 的 松 紧 状 ,, ::,,缩小其变化尺寸由温度决定 随温度的变化表现 ,,况利用两双臂电桥使两接头的接触电阻相同 由此 其 弹 性 特 征 如 图 所 示 为 形 状 记 忆 效 应 微 观 , 断定试验前两接头处于相同的状态 记 录此时的各, ,,, 机制,
武汉大学学报:工 学版: 第 卷,,, ,,
,接头接触阻值和温度片初始温度为而使用了记忆合金垫片的接头 初, ,, ?
:,,,将 双臂电桥断电接通电流发生器 在 两接 始温 度 为 当 通 过 两 接 头 的 电 流 为 时,,, ?,,,, ,
,,头慢慢通入相同的电流 电 流 从 开 使用了普通弹 簧垫片的接头温度变为 使 用了记,, ,,,,, , ,, ?
,, 始加忆合金垫片的接头温度为后两接头, ,, ?,,,,,:,,, 后重 新调节双臂电桥同 时记下两 温度相差了近 从 两曲线走势上分析,,, ,,, ,, ?,随着电流
,的加大使用了普通弹簧垫片的接头温度 接头的接触电阻和当前的温度,
:,,关 闭电流发生器切 断电流再 次调节双臂 变化曲线的斜率明显大于使用了记忆合金垫片的接 ,
,头的温升曲线斜率从两接头的温度变化曲线可以 电桥记录当前电桥示数和温度 ,,
推测出记忆合金垫片起了作用:,, 改变通入两接头的电 流大小 每 次电流相差,
,,从步骤开始重复试验直到电流加 到 图 为两接头接触电阻随电流的变化曲线为 ,,,,,,, , , ,
时结束, ,了保证试验的准确性 两 接头在试验前初始电阻均
,为由 图可知使 用了普通弹簧垫片 试验中采取的减少误差的措施,,,,,,,,, Ω,,,,
:,对两接头通入相同大 小的交流电流 此 交变 ,,的接头接触电阻从总体上讲变化不大 有 微微下降
,的趋势其中几段曲线的变化不排除测量的误差 这 ,, ,的电流附近会产生交变的磁场 由电流恒流定律有
,,是由于接头处于松动状态 与垫片的有效接触面积 闭合的导线会在交变的磁场中产生感应电流 这 个
,,很小当接头发热 时因为金属的膨胀效应反而使有 感应电流会影响双臂电桥测得的数据 因 此切断电
,,效接触面积增大从而减小接触电阻而使用了记忆 流和接通电流测得的数据不同 所 以二者的数据都 ,
, 接 头 的 接 触 电 阻 明 显 就 下 降 了 通 入 合金垫 片 的要采集,
,的 电 流 后其 阻 值 从 初 始 的,,, , ,, ,,, :,在切断电流来测量试 验数据时 试 验会面临 ,
,下降到减 小了约 的 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, Ω,,裸铜导线散热快的影响 所以在切断电流时 两接头
,接触电阻由焦耳定律可得相比使用普通弹簧垫片 ,,的温度会比试验中的值偏小 因此 试验采用先测接
,,的接头使用记忆合金 垫片的接头节省近 的 触电阻后测温度的做法 保证在某一确切温度下的 ,,,
电量接触电阻是正确的, ,
数据采集和分析 ,
,、在试验过程中得到两试验接头在同时松动 同
、, 时紧固同时通电流和同时切断电流下的四组数据
,均进行了整合分析 根据 这些数据绘制曲线如图 ,
所示,
图 电流与接触电阻的对比 ,
,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
试验两接头处于同等松动状态且在切断电流 ,,, 条
件下的对比试验 图为切断电流后测得的两个接头温度随电流 ,
,,的变化曲线从 两 曲 线 走 势 上 分 析随 着 电 流 的 加
图 电流与温度的对比 ,, 大使用了普通弹 簧垫片接头温度变化曲线的斜率 ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 明显大于使用了记忆合金垫片的接头的温升曲线斜 试验两接头处于同等松动状态且在通有电流 率,,, 条,
图为切断电流后测得的两接头接触电阻随电 件下的对比试验 ,
,流的变化曲线同图所显示的一样使用了普通弹 图显 示 的 是 两 个 接 头 温 度随电流的变化曲 ,,,
,,线可以 看 出在两接头同时通过 相 同电 流 簧垫片的接头接触电阻从总体上讲变化不大 原 因 ,, ,,,
,,也和图相近而 使用了记忆合金垫片的接头的接 后流过两接头的 电流越大 接头发热越明显 两 接 ,,,
,,触电阻明 显 就 下 降 了通 入 的 电 流 头均从相同室温开始试验使用了普通弹簧垫,,, , ,, ,,, ,, ?
第 期 陈天翔 ,等 :记忆合金垫片在电力设备安全和节能中的应用试验研究 , ,,,
,,, 从后其 阻 值 由 初 始 的 下 降 到 的接触电阻明显下降通入的电流后,,,,, ,,, , Ω ,,,, ,, ,,,
,减小了约的 接触电阻由 焦耳 ,,,,,,,,,,,,,,初始的下降到减 小 Ω,,,,,,,,,,,,,,,,,,了ΩΩ
,,,定律可得相比使用了普通弹簧垫片的接头 使用了 约的接 触 电 阻由 焦 耳 定 律 可 得 相 比 使 用 ,,,,了普记忆合金垫片的接头节省近 的电量,,,,, 通弹簧垫片的接头 使用了记忆合金垫片的接 头节省近的电量,,,,
图 电流与温度的对比 ,
,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 图 电流与温度的对比 , ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
图 电流与接触电阻的对比 , 图 电流与接触电阻的对比 , ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,
试验两接头处于同等紧固状态且在通有电流 ,,, 条试验两接头处于同等紧固状态且在切断电流 ,,, 条件下的对比试验 件下的对比试验 图为两接头均处于相同紧固状态且接通电流 ,,图是在切断电流后测得的数据 从 两温度曲 ,线,,时两接头温度随电流变化的曲线 两接头同时通电 ,
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第 期 刘姜涛 ,等 :基于粒子群算法的电力变压器噪声有源控制系统优化 , ,,, 化算法的多馈入直流输电系统优化协调直流调制 :参考文献 ,,():,,,,,,电工技术学报 ,,,,,,,,,,, ,, ,, 沈艳 ,郭 兵 ,古 天祥粒子群优化算法及其与遗传算法 ,,,, 刘姜涛 ,刘 震 宇 ,应 黎 明 ,李 靖 基 于 广 义 滤 波 器 ,,,,, ,,,,():的比较电子科技大学学报 ,,,,,,,,,,,,,,,,,的电力 设 备 有 源 噪 声 控 制 ,,电 网 技 术 ,,,,,,,,,, ,, 张勇军,王京,李 华 德基 于 遗 传算法优化的定子磁 ,,():,,,,,,,,, 链扩展卡尔曼估计方 法 ,,电 工 技 术 学 报, ,,,,,,,,, ,, 陈克安 ,李 海英 ,孙 进才自由声场自适应有源噪声控 ,,():,,,,,, ,制中误 差传感器的布放 ,,振 动 工 程 学 报 ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,():,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,, 李海英 ,陈 克安 ,孙 进才自由声场自适应有源消声中 ,,,,():,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 误差传 感器的最优布放 ,,西北工业大学学 报, ,,,, 江岳文,陈冲,温 步 瀛含风电场的电力系统机组组 合,,,():,,,,,,,,,,,,,, 问题 随机模拟粒子群算法 ,,电 工 技 术 学 报, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,():,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, , , ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,():,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,():,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,, ,,,, 刘姜 涛电力变压器有源降噪的关键技 术 研 究 ,,,,,():,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,武汉 :武 汉大学 ,,, ,,,,, ,, 周孝法,陈 陈,杨 帆,等基于自适应混 沌 粒 子 群 优,,
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:参考文献
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范文三:形状记忆合金
形状记忆合金的驱动性能
形状记忆合金材料兼有传感和驱动的双重功能,是一种智能结构中技术成熟性很高的功能材料,可以实现机械结构的微型化和智能化。形状记忆效应(SME)即某种材料在高温定形后,冷却到低温(或室温),并施加变形,使它存在残余变形[1,2]。当温加热超过材料的相变点,残余变形即可消失,恢复到高温时的固有形状,如同记住了高温下的状态。SMA及其驱动控制系统具有许多的优点,如高功率重量比,适于微型化;集传感、控制、换能、致动于一身,结构简单,易于控制;对环境适应能力强,不受温度以外的其他因素影响等,有着传统驱动器不可比拟的性能优点。
1 形状记忆合金的驱动原理
形状记忆合金的特点主要有:形状记忆效应(Shape Memory Effect,缩写为SME)相变超性性能(Super Elasticity),弹性模量随温度变化特性和阻尼特性。其中起驱动作用的主要是形状记忆效应和弹性模量随温度变化特性。
形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复至它在奥氏体状态下的形状的能力。如果在低温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形,那么将SMA加热至一定温度后,马氏体就会转为奥氏体,SMA将回复到它刚刚开始时的形状,随后再进行冷却或加热,合金形状都将保持不变。上述过程可以周而复始,称为单程形状记忆。此外还有双群形状记忆合金和全方位记忆合金。这种回复应力可用作结构控制时的驱动力,也可以用来直接控制结构的刚度。
弹性模量随温度变化特性是指,奥氏体SMA在高温下它的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上[7]。这种特性主要可以用米改变的固有频率,从而避免共振。
2 形状记忆合金驱动器件
在结构智能控制中,高性能驱动器件是实现控制的基础。利用形状记忆合金在加热变形时其回复力可以对外做功的特点,能够做成各种形式的驱动器。这类驱动机构结构简单,灵敏度高,可靠性好,能够满足智能控制的要求。记忆合金驱动器的驱动力源于合金内部的固态相交,因而易于结构设计,可以在拉伸、压
缩、扭转状态下操作。其力和位移的输出方式也有多种,还可以利用绕制的弹簧提供很大的驱动力[8]。
3 形状记忆合金埋入材料进行主动控制
形状记忆合金在相变时产生很大的回复应力和显著应变,利用这种驱动力,可以实行对结构的主动控制。最简单的原理是:通常将SMA预先拉伸变形,使它存在较大的塑性变形(一般小于70%),然后将其埋入构件材料中。加热激励SMA丝后,塑性变形要消失,并且产生很大的作用力。当激励消失后,SMA丝因构件材料的弹性回复产生新的变形。通过这一方法可以改变结构的应力状态和自振频率,从而实现对结构的形状控制、强度控制和振动控制。
4 SMA的热激励方式
传统的SMA的热激励方式分为内部加热和外部加热2种。通电加热属于内部加热,这种方式便于控制。水加热、辐射加热都属于外部加热,外部加热时供热装置庞大,对机构的微小型化不利。目前国外正在研究采用激光加热形状记忆合金,材料吸收光能并转变为热能.使温度升高。SMA的常规的冷却手段不仅不利于结构的集成和小型化而且也难以达到快速冷却的效果。冷却是制约SMA响应性的直接因素。
M.A.Thraster[3]和D.c.Lagoudas[4-6]先后提出将热电材料与SMA组成复合结构,以提高其响应性。热电材料具有Peltier效应。Peltier效应是指材料中通以一定方向的电流时,相应地在的两端分别产生吸放热现象,改变电流方向,吸放热端也随向。利用Peltier效应,热电材料应用于冷却电子器件等许多重要领域。与常规制冷技术相比,热电材料制冷无需机械运动部件,寿命长,性能稳定可靠.无噪声,无振动,无需致冷剂,易于小型和微型化等特点。
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[8]赵连城,蔡伟,郑玉峰.合金的形状记忆效应与超弹性.北京:国防工业出版社,2002
范文四:形状记忆合金
一般金属受到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,就产生塑性变形, 外力消除后留下永久变形。 1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首先观测到记 忆效应 (SME ) , 即合金的形状被改变之后, 一旦加热到一定的跃变温度时, 他又 可以变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金成为形状记忆合金 (SMA ) [1]。
至今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开 发、 汽车工业各方面都得到广泛的医用。 作为一种新型的功能材料, 形状记忆合 金的应用前景无可限量。 但这些材料在纺织业的应用刚刚开始, 国内外对形状记 忆合金纺织物的研究尚处于起步阶段。由于形状记忆合金特有的形状记忆效应, 将其应用到纺织品后能赋予织物特殊的动感和变化, 从而在外观上给人们较大的 视觉冲击。
1. 形状记忆合金的工作原理及主要的记忆合金
当合金的母相 (用 P 表示) 在应力下诱发成马氏体 (用 M 表示) , 发生性状改变, 而在去除应力后形状并不回复, 或母相经相变成马氏体后发生塑性变形, 但通过 加热后, 回复形状。 比如 Ni-Ti 合金丝在较高温度有一定的形状 (如密排的弹簧) , 在低温时使其变形(弹簧被拉长),外力去掉后,其变形保留下来,但当加热到 一定温度时,合金丝就能自动回复到原先的形状(密排弹簧)。
目前 , 人们已发现的形状记忆合金有 50种 , 根据合金相组成和相变特征 , 具有较 完全形记忆效应的合金主要分为钛 -镍系列形状记忆金、铜基系列形状记忆合金 和铁基系列形状记合金 [1]。
钛 -镍系列合金是目前形状记忆合金中研究最全面、记忆性能最好、实用性强的 合金材料。 并且可以通过加入第 3种元素、 增加镍的含量、 低温时效处理等方法 提高合金的形状记忆性能和加工性能 , 拓宽应用范围。如用于航天、舰艇、海上 石油平台等方面的液压管路接头 ; 核反应堆工程中的热敏元件等。
铜系列形状记忆合金种类比较多 , 主要包括 Cu-Zn-Al 及 Cu-Zn-Al-X(X=Mn、 Ni),Cu-Al-Ni 及 Cu-Al-Ni-X(X=Ti、 Mn) 和 Cu-Zn-X(X=Si、 Sn 、 Au) 等系列。但 是 , 铜系列合金的形状记忆效应明显低于钛 -镍合金。 提高这类合金的形状记忆性 能的主要方法是加入适量的稀士和 Ti 、 Mn 、 V 、 B 等元素。 另外 , 由于这类合金的 优点在于原料充足、容易加工、价格低、转变温度宽、热滞后小、导热性好 , 因 此 , 具有一定的发展空间 [1]。
铁系列形状记忆合金开发的比较晚 , 但因其具有便宜、易于加工、强度高、刚性 好等特点而受到国内外的普遍重视 , 虽然铁合金的形状记忆效应不如钛 -镍系列 合金 , 但通过加入 Ti 、 Cr 、 Co 、 Ni 等元素进行改进 , 因此 , 发展的前途非常大。
2. 国外形状记忆合金织物的发展
自 1932发现记忆效应之后,到 20世纪 80年代初期,日本就有人发明了包含形 状记忆合金的机织和针织物, 该织物不需要粘合剂和外力就能保持三维外形。 气
候形状记忆合金织物在日本得到了长足发展, YOSHIDA M 推出了可以用于织物上 的特殊纱线, 该纱线由切断的贵重金属作基础材料的形状记忆合金制得。 MARUKO KK 制作了带有形状记忆合金的塑性内衣,其由形状记忆 Ni-Ti 合金丝织成的机 织或针织物构成, 利用记忆丝的形状记忆特性塑身衣服能很好的成形, 不但对穿 着者体型有修整功能,而且提高舒适性 [4]。
同时形状记忆纤维可纺成具有各种外观的花式纱线。 如苏格兰 Herior-Watt 大学 纺织学院的 Chan 等在 Gemmel and Dunsmone 花式包缠纺纱机上 , 将金属丝纱线从 一组牵伸罗拉喂入机器 , 作为芯纱被加捻或包缠。 通过改变计算机程序 , 控制罗拉 中纱线的位置 , 生产出品种繁多的花式线 [4]。 各种纱线组合需要的加捻程度不一 样。设计捻度时 , 需要考虑 2个因素 , 一个是金属丝的覆盖 , 一个是纱线要适合于 终端用途。纱线可纺成各种线密度 , 并可与粘胶、金银丝、 Tencel 、羊绒、合成 纤维混纺。为了覆盖金属丝以及避免纱芯被挤出 , 包缠纤维线密度要低 [3]。
3. 国内形状记忆合金织物的发展
进入 90年代,中国也开始研究形状记忆合金织物,并迅速将其应用于纺织的各 个领域。 目前国内尚未见采用形状记忆合金纺纱和织布的相关报道, 但有一些采 用形状记忆合金丝用于文胸和内衬的专利。
其中, 公开号为 CN1422563公开号为 CN1422563的专利“一种保形保健文胸内衬、 文胸和内衣”,采用了记忆合金丝网与收口组成文胸内衬 , 记忆合金丝网透气性 好 , 形状保持能力强 , 金属丝头及记忆合金丝网的边缘被收口包覆 , 避免了记忆合 金丝头及记忆合金丝网边缘对人体皮肤的刺激 , 同时用形状记忆合金制作的收口 能进一步增强内衬的形状保持能力。 公开号为 CN2378955的专利“一种具有形状 记忆能力的文胸”,特征在于其内衬包括镍钛形状记忆合金或其他超弹性合金丝 网 , 被包覆着并开有若干透气孔。此内衬可用各种纺织品、非织造布、皮革为面 罩制成文胸或带这种文胸的内衣。 此外还有专利“网格状记忆合金超弹性文胸托 杯”和“智能健美乳罩”等 [2]。
公开 (公告 ) 号为 CN2419851的专利“一种具有形状记忆能力的内衬”,是用形状 记忆合金的单丝、片或细丝作为鞋帽等载体或其某一部分的内衬 , 或以硅胶包覆 合金丝网或其他结构 , 形成硅胶包覆合金丝网内衬 , 能够持久保持鞋帽等载体的 原有造型 , 美观耐用。这种内衬可置于鞋、帽、包、服装等载体或其某一部分 , 制成以各种织物、非织造布、皮革为面料的鞋、帽、包、服装垫肩等。公开号为 CN2443628的专利“使用形状记忆合金的运动鞋”,在其鞋面内嵌入高弹性的形 状记忆合金。 运动鞋配有相互缝合的前鞋面、 足背鞋面、侧鞋面、 后鞋面和护垫 带 , 其中由高弹性材料制成的形状记忆合金至少嵌入运动鞋的一个部分 , 以阻止 外部冲击和足部扭曲 [2]。
4. 展望
形状记忆织物的开发研究表明 , 形状记忆合金在织物上的应用是可行的。形状记 忆织物可产生某些特定功能如抗皱、保形等 ; 其双层织物可以创造出三维效果 ; 形状记忆合金文胸具有良好的保形效果 , 有较大的实际应用潜力 [2]。
形状记忆合金因其独特的形状记忆效果赋予了织物与众不同的功能以及外观造 型 , 使其前所未有地具有了活力和动感 , 带给人们以视觉冲击 [4]。形状记忆织物 的开发研究目前尚处于起步阶段 , 许多方面如纤维加工、纱线生产、织物织造等 尚需要进一步的改进 ; 很多产品有待开发 , 例如不同原始形状的、 更细的、 不同反 应时间、 不同激发温度、 不同回复力的产品等。 功能织物和装饰织物的开发将成 为未来形状记忆合金织物的主要研究开发方向。 随着研究的进一步深入和加工技 术的不断提高 , 形状记忆合金必将在纺织业有更为广泛的应用前景。
参考文献:
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4. 赵立环 ; 王府梅 ; 形状记忆织物的发展及展望 ; 纺织导报 ;2008,2, 50-54 很多都是直接抄的,不过还是组织了一下
范文五:记忆合金丝
1656 2004年增刊(35)卷
TiNi形状记忆合金在电流激励下的驱动性能研究*
刘志强,李 惠
(哈尔滨工业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090)
摘 要:通过试验对电流激励下的TiNi形状记忆合金丝的约束回复应力和温度的关系进行了初步研究。主要考虑了电流的施加方法、恒定电流的大小、热循环的次数以及最大预拉应变对约束回复应力的影响。试验结果表明,台阶式施加电流和始终恒定电流的方法相比,加热速率较小,达到同一目标温度的响应时间较长,从而达到所要求的回复应力所需要时间较长。回复应力随着温度的升高而增大,最终达到最大回复应力。最大预拉应变相同时,在较大恒定电流激励下回复应力比率较大。采用相同恒定电流激励时,较大的最大预拉应变的TiNi丝会产生更大回复应力。随着恒定电流的增加TiNi丝回复应力的热循环稳定性变得稍差。即便如此,在较大恒定电流激励下其回复应力仍然拥有很好的热循环稳定性,能够满足土木工程损伤应急修复的需要。
关键词:TiNi形状记忆合金;驱动性能;回复应力;
损伤应急修复
中图分类号:TU352.11 文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2004)增刊
程领域中的应用奠定理论基础。
2 试验材料和方法
本文所用TiNi形状记忆合金是国产直径2mm的记忆合金丝,由西安赛特金属材料开发有限公司生产。该TiNi形状记忆合金为近似等原子比记忆合金,材料成分为49.2%Ti和50.8%Ni。试件标距统一为200mm。经DSC测定可知,TiNi形状记忆合金丝含有R相,各相变温度见表1。试件首先在冰水和沸水中各浸1min,循环50次,以稳定其材料性能,然后从零摄氏度升温到室温。
表1 TiNi形状记忆合金相变温度 Table 1 Phase transition temperature of TiNi SMA
Mf (℃)
Ms (℃)
Rf(℃)
Rs(℃)
As (℃)
Af
(℃)
70.9
本文全部试验在哈尔滨工业大学空间材料实验室的MTS-810试验机上进行。用大功率的恒流电源给形状记忆合金试件提供多种台阶式电流和恒定电流。温度通过热电偶测得,并由自行开发的数据采集系统和回复应力一起进行同步采集,整个试验测试系统如图1所示。
图1 试验测试系统示意图 Fig 1 Setup of the testing apparatus
恒流电源
热电偶
1 引 言
TiNi形状记忆合金是目前工程中应用非常广泛的一种记忆合金材料。有预应变的TiNi形状记忆合金丝在马氏体逆相变过程中因受到约束而产生较大的回复力,因此已被许多研究者认为是较有发展前途的智能驱动材料。然而形状记忆合金回复力的产生是通过加热或冷却的方法得以实现,因此其响应频率较低从而很难应用于结构振动控制。但是,形状记忆合金可以通过产生静态回复力从而抑制已损伤结构构件裂缝的进一步发展乃至使裂缝闭合,从而对结构构件进行损伤应急修复,确保结构安全可靠。相关研究已经在世界范围内引起广泛注意。本文旨在研究TiNi形状记忆合金丝在电流加热时的约束回复应力产生规律从而为其在土木工程损伤应急修复以及其它工
* 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50238040及50178025)
收稿日期:2004-03-03 通讯作者:刘志强 作者简介:刘志强(1976-),男,山东海阳人,博士研究生,从事智能材料与结构的研究工作。
(E-mail: liuzhiqiang@hit.edu.cn), Tel: 0451-86282068.
刘志强 等:TiNi形状记忆合金在电流激励下的驱动性能研究
1657
3 电流的施加方案及其激励下的形状
记忆合金丝升温曲线
本文主要采用两种电流施加方案对形状记忆合金进行加热。电流方案1为台阶式电流,加热时电流每隔一定时间增加一定电流值直到所计划的目标电流;降温时按照升温时的电流速度减小电流直到为零,如图2所示。电流方案2:升温时电流自始至终恒定,而降温时则断电在空气中自然冷却,如图3所示。
图2 台阶式电流方案示意图
Fig 2 Sketch map of loading program of terraced currents
图
3 恒定电流方案示意图
Fig 3 Sketch map of loading program of constant currents
图4中为本文所用直径为2mm的TiNi记忆合金在两种电流方案下的升温曲线,这里仅考虑升温曲线。电流方案1为从零增加到16A,每10s增加0.1A,然后按照同一电流速度从16A降到零。电流方案2为16A的恒定电流。从图4不难看出,两种电流方案的加热速度相差悬殊,方案2的加热速度远远高于方案1。加热到同一目标温度150℃,方案1平均加热速度为0.084℃/s,而方案2却达到了0.572℃/s,为方案1的6.8倍。另外,方案1和方案2加热到150℃的响应时间分别为29.64 min和4.37min。和方案1相比,方案2因其响应快而能够更好地用于土木工程的损伤应急修复中。图5所示为不同恒定电流下
的升温曲线,能够看出随着恒定电流的增大加热速度迅速提高,响应时间迅速缩短。表2所示为各恒定电流下达到目标温度65℃时的响应时间比较。
图4 两种不同电流方案的升温曲线
Fig 4 Temperature vs. time curve for the both approaches
图5 不同恒定电流的升温曲线
Fig 5 Temperature vs. time curve for different constant
currents
表2 加热到目标温度各电流方案的响应时间 Table 2 Response time of SMA wire heated to a target
temperature by different constant currents
目标温度( 65 ℃)
恒定电流 (A)响应时间 (s)
115.764.74 试验结果及分析
试件经处理后从零摄氏度升温至室温,这样其在室温下就处于马氏体状态。然后试件在室温下加载拉伸到设计的最大预拉应变εm后卸载,过程如图6所示。随后试件被MTS两端固定保持恒定应变,并通电加热。约束回复应力和温度试验数据由图1所示的试验测试系统同步采集。
4.1 电流施加方法对约束回复应力的影响
这里所采用的电流方案1为从零起每10s增加0.1A直到最大目标电流14A,然后按照同一电流速度从14A降到零。电流方案2为14A的恒定电流加热,
1658 2004年增刊(35)卷
然后断电在空气中自然冷却。
图6 SMA丝预拉到最大预拉应变示意图 Fig 6 Sketch map of pre-straining SMA wire to some
maximum strain
图7~10所示分别为最大预拉应变3%和5%的TiNi形状记忆合金在两种电流方案下升温和降温时的约束回复应力和温度的关系曲线。
图7 电流方案2最大预拉应变5%时约束回复应力-温度关系曲线
Fig 7 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 5% using Program 2
从图中可以看出,升温过程中随着温度升高约束回复应力迅速增加,而降温过程中随着温度降低回复应力迅速减小。两种电流方案下回复应力和温度的关系曲线在升温和降温过程中的差别很大。最大预拉应变为5%的形状记忆合金采用电流方案1加热时,同一温度时升温过程的回复应力比降温过程的要小,而电流方案2的规律正好相反。最大预拉应变为3%的形状记忆合金无论采用方案1还是方案2,同一温度时升温过程的回复应力一般比降温过程的要小。这里,回复应力比率被定义为回复应力对温度的导数,即dσ/dT。不难看出,采用电流方案2时形状记忆合金的回复应力比率较方案1时的要大得多,即升高单位温度所获得的回复应力更大。这就表明,恒定电流加热形状记忆合金可以更好地应用于土木工程的损伤应急修复。但是在最大预拉应变相同时,两种电流方案加热所能够获取的最大回复应力几乎相同。对于最大预拉应变为5%的情况,升温过程中最大回复应力在320 MPa左右,而3%情况则为80 MPa左右。
图8 电流方案1最大预拉应变5%时约束回复应力-温度关系曲线
Fig 8 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 5% using Program 1
图9 电流方案2最大预拉应变3%时约束回复应力-温度关系曲线
Fig 9 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 3% using Program 2
图10 电流方案1最大预拉应变3%时约束回复应力
-温度关系曲线
Fig 10 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 3% using Program 1
刘志强 等:TiNi形状记忆合金在电流激励下的驱动性能研究 1659
4.2 恒定电流大小对约束回复应力的影响
土木工程损伤应急修复要求在短时间内获得更大的回复力,因此本节研究在升温过程中恒定电流大小对回复应力的影响规律。不同恒定电流的响应时间前面已经做了研究。图11和12所示分别为最大预拉应变为3%和5%的形状记忆合金在不同恒定电流加热时的回复应力和温度的关系曲线。从图中不难看出,回复应力比率dσ/dT在马氏体逆相变完成前随着电流增大而增大,即采用大电流加热在相同温度时能获得比小电流更大的回复应力。因此,采用大电流加热可以在较短的时间内获得更大的回复应力。然而在一定电流范围内,电流大小对最大回复应力几乎没有影响。
图11 最大预拉应变5%采用不同恒定电流时约束回
复应力-温度关系曲线
Fig 11 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 5% using different constant currents
图12 最大预拉应变3%采用不同恒定电流时约束回
复应力-温度关系曲线
Fig 12 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 3% using different constant currents 4.3 电流加热时约束回复应力的热循环稳定性能
在土木工程中,对特别重要和大型复杂结构有
可能要进行多次损伤应急修复。因此,对形状记忆合金在大电流加热时约束回复应力的热循环稳定性能进行研究是非常必要的。
图13~15所示分别为最大预拉应变为3%和5%的形状记忆合金回复应力和温度关系曲线。对最大预拉应变为5%情况,第五圈热循环的回复应力和第一圈相比稍微降低,特别是最大回复应力降低相对明显。而且和电流为14A时的情况相比,多次热循环后电流为16A时的回复应力降低得更多一些。也就是说,回复应力热循环稳定性随着加热电流的增加而降低。和最大预拉应变为5%的情况相比,最大预拉应变为3%时第五圈热循环和第一圈的回复应力和温度关系曲线几乎重合,回复应力热循环稳定性非常好。然而无论那种情况,采用较大电流加热时TiNi形状记忆合金热循环稳定性对土木工程损伤应急修复来说都能令人满意的。
图13 最大预拉应变5%恒定电流为14A反复热循环
时回复应力-温度关系曲线
Fig 13 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 5% using I=14 A
图14 最大预拉应变5%恒定电流为16A反复热循环
时回复应力-温度关系曲线
Fig 14 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 5% using I=16A
1660 2004年增刊(35)卷
图15 最大预拉应变3%恒定电流为14A反复热循环
时回复应力-温度关系曲线 Fig 15 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to 3% using I=14 A
4.4 最大预拉应变对约束回复应力的影响
为试验方便,本文采用最大预拉应变εm代替相应的残余应变作为试验参数。相同恒定电流加热时最大预拉应变分别为3%和5%时形状记忆合金约束回复力和温度关系曲线如图16所示。从图中可以看出,无论是3%还是5%的最大预拉应变,随着温度升高回复应力均增加。但是最大预拉应变为5%的回复应力比率远远大于3%的情况,而且其最大回复应力也远远高于3%的情况。5%时的最大回复应力为298.6MPa ,比3%时的81.7MPa 增加了265.5% 。因此,最大预拉应变为5%时形状记忆合金因其更大的回复应力和响应速度而能够更好地适用于土木工程损伤应急修复。
图16
εm为3%和5%的回复应力-温度曲线
Fig 16 Recovery stress vs. temperature of TiNi SMA
pre-strained to5% and 3%
5 结 论
本文研究了TiNi形状记忆合金在大电流加热时
的约束回复应力和温度的影响关系,详细讨论了其主要参数对约束回复应力的影响,为其在土木工程损伤应急修复中的应用奠定了理论基础。
(1)与台阶式电流相比,采用相应的恒定电流加热时可以获得更高的加热速度和较短的响应时间。
(2)和较小的恒定电流相比,采用较大恒定电流加热时加热速度更高、响应时间更短,而且所得到的回复应力比率更大,但是对最大回复应力几乎没有影响。
(3)加热电流的增加会导致回复应力热循环稳定性的稍微下降。而且与最大预拉应变为5%相比,3%时其稳定性下降得更小一些。但是总的来说,回复应力热循环稳定性能够满足损伤应急修复的需要。
(4)采用相同恒定电流加热时,最大预拉应变为5%的最大回复应力以及回复应力比率都比3%时的要大得多。 参考文献:
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刘志强 等:TiNi形状记忆合金在电流激励下的驱动性能研究 1661
Study on actuated property of TiNi shape memory alloy heated by a current
LIU Zhi-qiang, LI Hui
(School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,China)
Abstract:In this paper, restrained recovery stress-temperature relations of TiNi shape memory alloy heated by a current are experimentally examined. The parameters of loading approaches of currents, values of constant currents, numbers of thermal cycling and maximum pre-stretching strain have been considered. Test results show that TiNi SMA heated by terraced currents has less heating rate and longer response time, as compared with these heated by constant currents. Restrained recovery stress increases with increasing of temperature, and the maximum recovery stress is achieved after reverse martensitic phase transition is finished. With the same maximum pre-stretching strain, larger constant currents can lead to larger recovery stress rate. With the same constant currents, TiNi SMA with larger maximum pre-stretching strain can generate larger recovery stress. The thermal cycling stability of TiNi SMA becomes worse with increasing of currents. However, the thermal cycling stability of TiNi SMA heated by relatively large constant currents is enough for damage emergency repair of civil engineering.
Key words:TiNi shape memory alloy;actuated property;recovery stress;damage emergency repair
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