文章快速检索  
  高级检索
偏置弹簧对SMA驱动器输出性能影响规律
杨宝锋, 张小勇, 闫晓军    
北京航空航天大学 能源与动力工程学院, 北京 100191
摘要:偏置弹簧参数对形状记忆合金(SMA,Shape Memory Alloy)驱动器的输出性能有着非常大的影响.为获得其影响规律,通过试验研究了不同偏置弹簧刚度以及不同弹簧预压缩载荷下,SMA驱动器的作动位移、响应速度的变化规律以及循环次数对驱动器性能的影响规律.试验结果表明,驱动器最大作动位移及响应速度随弹簧刚度或预载的增大而降低;驱动器性能在前几次循环中衰减较大,随着循环进行性能逐渐趋于稳定;弹簧预载的增大使驱动器性能稳定所需的循环次数减少,而弹簧刚度对驱动器输出性能的循环变化规律影响不大.
关键词形状记忆合金     驱动器     循环性能     锁紧机构     偏置弹簧    
Relationship between bias spring parameters and output performances of SMA actuators
YANG Baofeng, ZHANG Xiaoyong , YAN Xiaojun     
School of Energy and Power Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China
Abstract:The parameters of the bias spring have great impacts on the output performances of the shape memory alloy (SMA) actuator. To investigate the rules of influences, the output stroke and response rate of a SMA actuator with different bias spring stiffness and precompression load were studied. The output degradation due to cyclic actuation was also investigated. Experimental results show that the strokes and response rates decrease with the increase of preloads or stiffness. The performance of the actuator degrades significantly in the first few cycles and stabilizes eventually with the increase of the number of cycles. The test results also indicate that less cycling is needed to stabilize the actuator when the preload is increased, and the stiffness seems to affect the cyclic performance of the actuator slightly.
Key words: shape memory alloys     actuator     cyclic performance     locking device     bias spring    

形状记忆合金(SMA,Shape Memory Alloy)是20世纪60年代初发现并逐步发展起来的一种新型功能材料[1],目前已广泛应用于航空航天、能源、医学等各个领域[2, 3].由于SMA材料内部特殊的热弹性马氏体相变,使其具有形状记忆效应和超弹性效应.其中,形状记忆效应是指材料在应力作用下发生塑性变形,应力卸除经加热后,材料发生奥氏体相变,塑性变形完全消失,材料能恢复到原来形状的现象[4].形状记忆合金驱动器(简称SMA驱动器)就是利用SMA材料的形状记忆效应工作的驱动器.

SMA驱动器,是以形状记忆合金作为驱动元件的一种新型的智能驱动器,具有功重比高、结构简单、体积小、反应快并且可靠性高等诸多优点[5, 6],容易实现驱动器的自动化与微型化,有着传统驱动器无法比拟的性能优点,已成为航天解锁装置以及仿生机器人等的理想驱动装置.

近年来,国内外学者已成功设计了多种类型的SMA驱动器,并对驱动器力学性能进行了相应的试验研究[7].然而,对SMA驱动器输出性能的试验研究主要集中在驱动器的加热方式[8, 9, 10]、加热电流[11]、冷却方式[12, 13]等与驱动元件(SMA丝或SMA弹簧)响应直接相关的参数对驱动器输出性能的影响方面.而对于SMA驱动器其他部件参数,如选用的偏置弹簧的刚度、装配时弹簧的预压缩载荷(简称预载)大小等对驱动器性能影响方面的研究还比较匮乏.尤其是针对偏置弹簧刚度以及弹簧预载对SMA驱动器单次输出性能及多次循环输出性能衰减影响方面的研究,还需要进一步开展.而实际上,选用不同弹簧刚度或不同初始预载大小对驱动器输出性能如作动位移、响应速度等参数有非常大的影响.因此,对不同参数配置下的SMA驱动器输出性能进行深入研究,掌握其影响规律,对SMA驱动器的输出性能优化设计有着重要的意义.

基于此,本文通过试验分别研究了选用不同偏置弹簧刚度以及在不同弹簧预载下SMA驱动器的力学循环特性.获得了驱动器作动位移、响应速度随弹簧刚度、预紧力的变化规律,并获得驱动器循环次数对其性能衰减的影响规律.

1 试验系统及方法 1.1 试验系统

为了更接近工程中实际使用的驱动器,本文直接采用了SMA空间磁悬浮飞轮锁紧机构[14, 15]中的解锁驱动器作为试验研究对象,如图 1所示(点划线线框中为SMA驱动器部分).图 2为相应的SMA驱动器结构原理图.

图 1 SMA空间锁紧机构 Fig. 1 SMA locking device
图 2 SMA驱动器结构原理图 Fig. 2 Schematic diagram of the SMA actuator

正常情况下,驱动器在偏置弹簧弹回复力的作用下处于一个确定状态,即图 2中作动块处于最顶端位置,对应于空间解锁机构的设计锁紧状态.当对驱动器进行通电加热时,SMA丝在很短的时间内收缩,产生巨大的回复力,驱动作动块发生作动,同时压缩偏置弹簧,使解锁机构完成解锁功能.断电后,SMA丝逐渐冷却,发生马氏体相变,输出力降低,在偏置弹簧回复力的作用下,SMA丝被拉长,驱动器完成复位.

驱动器作动过程中,需测量不同偏置弹簧刚度以及不同的弹簧预紧力下SMA驱动器的输出力F、作动位移u以及响应时间t.如图 2所示,采用位移传感器测量作动块的位移以获得驱动器的作动位移u;通过力传感器与SMA丝直接相连来获取驱动器输出力F;驱动器的响应时间t为驱动器刚开始通电到驱动器作动位移达到最大时所需时间,由响应时间t以及最大作动位移umax即可获得响应速度.偏置弹簧预紧力大小可通过图 2中调节螺母进行调整.整个试验系统如图 3所示.点划线框中为试验核心部分,其组成如图 4所示.

图 3 试验系统 Fig. 3 Testing system
图 4 试验系统核心组成部分 Fig. 4 Core part of the testing system
1.2 试验方法

SMA驱动器中的SMA丝选用沈阳天贺新材料有限公司提供直径0.7mm的NiTi形状记忆合金丝(原子百分比为Ni∶50.8%,Ti∶49.2%),奥氏体相变温度为As=50℃.试验前,将SMA丝在450℃退火5min,以消除加工硬化影响.此后,对每根丝进行5%的预拉伸应变.

试验过程中,通过延时继电器控制稳压直流电源对驱动器的间歇通电和断电,通电电流为3A,加热时间为60s,冷却时间为90s.

SMA驱动器的输出性能影响参数试验分为3类:

1) 不同偏置弹簧预载对输出性能影响.试验选择刚度为8.9N/mm的弹簧,调节偏置弹簧预载分别为100,130,160N下进行试验,研究驱动器的输出力、作动位移以及响应速度的变化规律.

2) 不同偏置弹簧刚度对输出性能影响.选取3根刚度为5.6,8.9,12.4N/mm的偏置弹簧,在预载为100N下进行试验,研究驱动器的输出力、作动位移以及响应速度的变化规律.

3) 循环次数对性能衰减的影响.分别对第1)、第2)类试验进行100次循环驱动,研究驱动器输出性能随循环次数的变化规律.

2 试验结果及分析 2.1 SMA驱动器输出性能 2.1.1 不同弹簧预载下的输出性能

不同偏置弹簧预载下,驱动器在第1次循环过程中的输出力与作动位移之间关系如图 5所示.图 6给出了驱动器最大位移随弹簧预载的变化规律曲线.

图 5 不同弹簧预载下输出力 Fig. 5 Force-displacement curve under different preloads
图 6 驱动器最大作动位移随预载变化曲线 Fig. 6 Stroke of actuator under different preloads

图 5图 6可以看出,随着弹簧预载的增加,驱动器的最大作动位移逐渐减小,而驱动器输出力却逐渐增加.这主要是由于驱动器作动过程中,必须克服偏置弹簧的回复力,弹簧预载越大,作动相同位移所需的力也就越大,因此,输出力也相应增大.可以推断,当弹簧预载超过一定值后,驱动器将失去作动能力.

驱动器第1次循环的响应速度随弹簧预载的变化规律如图 7所示.可以看出,随着弹簧预载的增加,驱动器的响应速度呈线性降低的趋势.这是因为SMA丝中存在应力会导致其相变温度升高,而且基本呈线性比例增大.弹簧预载越大,SMA丝中的应力就越大,在同样加热电流作用下,其响应时间也就越长,响应速度也相应降低.

图 7 驱动器响应速度随预载变化曲线 Fig. 7 Response rate of actuator under different preloads

因此,在实际工程应用中,为增加驱动器作动位移、提高驱动器响应速度,可适当降低驱动器装配时偏置弹簧的预载.

2.1.2 不同弹簧刚度下的输出性能

不同偏置弹簧刚度下,驱动器在首次循环过程中,输出力与作动位移之间关系如图 8所示.最大作动位移随弹簧刚度变化规律如图 9所示.

图 8 不同弹簧刚度下输出力-位移曲线 Fig. 8 Force-displacement curve under different stiffness
图 9 驱动器最大作动位移随弹簧刚度变化曲线 Fig. 9 Stroke of actuator under different stiffness

图 8图 9可以看出,随着弹簧刚度的增加驱动器最大作动位移逐渐减小.此外,从驱动器作动位移与输出力的关系可以看出不同弹簧刚度下,驱动器循环曲线斜率有所改变,随着弹簧刚度的增加曲线斜率也逐渐增大.对比图 5中,同一弹簧在不同预载下,曲线斜率基本相同,则可以看出,驱动器作动过程中,作动位移与输出力之间关系主要由偏置弹簧弹性刚度决定.

驱动器稳定后的响应速度随弹簧刚度的变化规律如图 10所示.可以看出,随着弹簧刚度增加,驱动器响应速度呈线性减小趋势.

图 10 驱动器响应速度随弹簧刚度变化曲线 Fig. 10 Response rate of actuator under different stiffness

因此,工程应用中,可通过选用刚度较小的弹簧来提高驱动器响应速度和作动位移,以提升驱动器作动能力.

2.2 SMA驱动器循环性能 2.2.1 循环过程中输出力/位移关系

图 11所示偏置弹簧刚度为8.9N/mm、预紧力为100N时,SMA驱动器前100次循环试验中所得到的输出力-位移曲线.

图 11 循环过程中的输出力-位移曲线 Fig. 11 Force-displacement curve in different cycles

图 11可以看出,在每次循环过程中,SMA丝通电加热,驱动器输出力逐渐增大,当输出力达到可以克服系统阻力大小时,对应图中120N左右,驱动器才开始作动,作动过程中,输出力随作动位移增加而增大,最终达到稳定状态(最大位移状态);由2.1.2 节分析可知,作动过程中,输出力增大幅度主要由偏置弹簧刚度大小决定.当驱动器停止加热时,输出力降低,但作动位移并没有随之立即减小,而是表现出迟滞现象,等输出力降低一定值后,作动位移才开始减小,最后达到复位.驱动器作动过程同样也表现出迟滞现象.

循环过程中出现的迟滞现象,主要是由于驱动器作动过程中,作动块与驱动器内壁之间摩擦引起的.驱动器在通电加热时,SMA丝的输出拉力FSMA迅速增大,与此同时,作动块与内壁之间的静摩擦力f以及弹簧回复力Fs也逐渐增大,并且与FSMA方向相反(如图 12(a)所示),因此驱动器没有立即作动,表现出迟滞现象;当SMA丝拉力大于弹簧回复力与最大静摩擦力时,驱动器开始作动.

驱动器达到最大作动位移并稳定后,弹簧回复力保持不变,摩擦力f减小为0;在驱动器复位过程中,断电一瞬间,FSMA开始减小,而作动块与内壁之间的摩擦力f却逐渐增大,并且方向与FSMA相同(如图 12(b)所示),两者之和保持不变,与弹簧的回复力Fs相等,因此位移保持不变,表现出迟滞现象.当FSMA减小幅度大于最大静摩擦力fmax的时候,即两者之和小于弹簧回复力Fs时,作动位移开始减小,驱动器逐渐复位.因此,为减小驱动器迟滞现象,应尽量保证驱动器内壁以及作动块光滑,减小两者之间摩擦力.

图 12 SMA驱动器作动块受力图 Fig. 12 Force diagram of the SMA actuator
2.2.2 不同弹簧预载下的循环性能

不同弹簧预载下,在100次循环中,驱动器最大作动位移变化趋势如图 13所示.

图 13 不同预载下最大作动位移循环变化曲线 Fig. 13 Stroke-cycle curve under different preloads

图 13可以看出,在驱动器的前几次循环中,作动位移衰减幅度较大,随着循环进行,衰减现象逐渐减小,最后趋于稳定状态.这种规律在其他各组试验中,均可发现.此外,随着弹簧预载的增加,驱动器前几次循环衰减幅度增大,最大作动位移达到稳定时所需的循环次数逐渐减小.当预载为160N时,由于循环衰减严重,驱动器在完成1次循环之后,已几乎失去作动能力,输出位移接近0.

图 14所示的是不同弹簧预载下驱动器的响应速度随循环次数的变化情况.可以看出,驱动器响应速度大小在前几期循环中波动较大,但随着循环的进行,驱动器稳定后,响应时间也逐渐稳定下来.此外,弹簧预载仅影响响应速度大小,对响应速度循环变化规律的影响较小.

图 14 不同弹簧预载下响应速度循环变化曲线 Fig. 14 Response rate-cycle curve under different preloads

工程应用中,要保证驱动器运行的可靠性,在驱动器使用之前,应先对驱动器进行多次预循环,使驱动器达到性能稳定状态,以防止由于衰减效应而导致驱动器在实际使用中失效.此外,为使驱动器在更少的循环次数下稳定,在满足所需作动位移下,可适当增大弹簧预紧力.

2.2.3 不同弹簧刚度下的循环性能

不同弹簧刚度下,驱动器在前100次循环中的最大作动位移变化趋势如图 15所示.

图 15 不同弹簧刚度下最大作动位移循环变化曲线 Fig. 15 Stroke-cycle curve under different stiffness

图 15可以看出,随着弹簧刚度的增加,驱动器作动位移逐渐减小,但驱动器最大作动位移随循环次数变化趋势基本相同,驱动器最大位移达到稳定所需循环次数也基本一致,由此可见弹簧刚度对驱动器的循环作动能力影响很小.

图 16所示的是不同弹簧刚度下驱动器的响应速度随循环次数的变化曲线.可以看出,与图 13类似,驱动器在前几次循环中,响应速度大小波动较大,随着循环进行逐渐稳定下来.总的来说,弹簧刚度的增大,会使驱动器响应速度降低,但对驱动器响应速度随循环的整体变化规律影响不大.

图 16 不同弹簧刚度下响应速度循环变化曲线 Fig. 16 Response rate-cycle curve under different stiffness
3 结 论

1) SMA驱动器最大作动位移随偏置弹簧刚度、预载的增大逐渐减小;驱动器响应速度也随弹簧刚度、预载的增加而逐渐降低.

2) SMA驱动器在前几次循环中性能衰减很大,随着循环次数增加性能逐渐趋于稳定.在实际使用中,应对驱动器进行多次预循环使其性能稳定,防止由于性能衰减效应而造成的驱动器工作失效.

3) 弹簧预载的增大,会使驱动器性能稳定所需的预循环次数减少.而弹簧刚度对驱动器输出性能循环变化规律影响不大.

4) 驱动器循环过程中,会出现迟滞现象.为降低迟滞效应,应使驱动器作动块与驱动器内壁尽可能光滑或采取其他措施,以减小两者之间摩擦力.

参考文献
[1] 高滨. 形状记忆合金在航天器分离机构上的应用[J].航天返回与遥感,2005,26(1):48-52. Gao B.Shape memory alloys and their application to aerospace separation mechanisms[J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2005,26(1):48-52(in Chinese).
Cited By in Cnki (16)
[2] 赵连城, 郑玉峰.形状记忆与超弹性镍钛合金的发展和应用[J].中国有色金属学报,2004,14(1):323-326. Zhao L C,Zheng Y F.Development and applications of nickel-titanium alloys with shape memory effect and superelasticity[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2004,14(1):323-326(in Chinese).
Cited By in Cnki (59)
[3] Zhang X Y, Yan X J,Yang Q L.Design and experimental validation of compact,quick-response shape memory alloy separation device[J].Journal of Mechanical Design,2014,136(1): 011009.
Click to display the text
[4] 贺玉珊. 形状记忆效应[J].教学仪器与实验,1990,6(2):34-36. He Y S.Shape memory effect[J].Educational Equipment and Experiment,1990,6(2):34-36(in Chinese).
[5] 张义辽. SMA直线驱动器结构原理及实验研究[D].合肥:中国科学技术大学,2010. Zhang Y L.The theory of structure and experimental research on SMA linear actuator[D].Hefei: University of Science and Technology of China,2010(in Chinese).
Cited By in Cnki (2)
[6] 王宏. 用于仿生推进的SMA驱动器研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007. Wang H.Research on SMA actuator applied to biomimetic propel[D].Harbin:Harbin Engineering University,2007(in Chinese).
Cited By in Cnki (1)
[7] Zhang X Y, Yan X J.Continuous rotary motor actuated by multiple segments of shape memory alloy wires[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2012,21(12):2643-2649.
Click to display the text
[8] 杨汝清,桑子刚. 机器人形状记忆合金(SMA)驱动器及其控制探讨[J].机器人,1990,12(6):50-53. Yang R Q,Sang Z G.The explore of the shape memory alloy(SMA) actuator and its control on robot[J].Robot,1990,12(6): 50-53(in Chinese).
Cited By in Cnki (6)
[9] 熊克,沈文罡. SMA丝缠绕角对扭力驱动器驱动性能影响的试验研究[J].机械工程学报,2004,39(12):123-128. Xiong K,Shen W G.Experimental research on the relationship between SMA wire wound angle and SMA torsion actuator primary performances[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2004,39(12):123-128(in Chinese).
Cited By in Cnki (13)
[10] Lee H J, Lee J J.Evaluation of the characteristics of a shape memory alloy spring actuator[J].Smart Materials and Structures,2000,9(6):817-823.
Click to display the text
[11] 唐森,董二宝, 许雯,等.新型SMA扭转驱动器设计及实验研究[J].功能材料与器件学报,2011,17(4):407-411. Tang S,Dong E B,Xu W,et al.Design and experimental study of new SMA rotary actuator[J].Journal of Functional Materials and Devices,2011,17(4):407-411(in Chinese).
Cited By in Cnki (1)
[12] 王社良,薛凌云, 苏三庆.形状记忆合金驱动器的力学性能[J].西安建筑科技大学学报,1999,31(3):233-236. Wang S L,Xue L Y,Su S Q.Mechanical behavior of shape memory alloy actuator[J].Journal of Xi'an University of Architecture & Technology,1999,31(3):233-236(in Chinese).
Cited By in Cnki (6)
[13] 李宝成,董二宝, 李永新,等.新型SMA丝致动器的结构设计与实验研究[J].机械与电子,2010(1):7-8. Li B C,Dong E B,Li Y X,et al.Structrue design and experiment research of a novel actuator based on SMA wire[J].Machinery & Electronics,2010(1):7-8(in Chinese).
Cited By in Cnki (1)
[14] 闫晓军,张小勇, 聂景旭,等.采用SMA驱动的小型空间磁悬浮飞轮锁紧机构[J].北京航空航天大学学报,2011,37(2): 127-131. Yan X J,Zhang X Y,Nie J X,et al.Prototype SMA actuated locking device for small space magnetic bearing flywheels[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2011,37(2):127-131(in Chinese).
Cited By in Cnki (10)
[15] Zhang X Y, Yan X J,Zhang S W,et al.Development of a novel shape memory alloy-actuated resettable locking device for magnetic bearing reaction wheel[J].Review of Scientific Instruments,2014,85(1):015006.
Cited By in Cnki (0)
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0297
北京航空航天大学主办。
0

文章信息

杨宝锋, 张小勇, 闫晓军
YANG Baofeng, ZHANG Xiaoyong, YAN Xiaojun
偏置弹簧对SMA驱动器输出性能影响规律
Relationship between bias spring parameters and output performances of SMA actuators
北京航空航天大学学报, 2015, 41(4): 707-712
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2015, 41(4): 707-712.
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0297

文章历史

收稿日期:2014-05-23
录用日期:2014-08-20
网络出版日期: 2014-09-22

相关文章

工作空间