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****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.
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| 图 1 SMA空间锁紧机构 Fig. 1 SMA locking device |
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| 图 2 SMA驱动器结构原理图 Fig. 2 Schematic diagram of the SMA actuator |
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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.
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| 图 3 试验系统 Fig. 3 Testing system |
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| 图 4 试验系统核心组成部分 Fig. 4 Core part of the testing system |
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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0.7mm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5min,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60s,冷却时间为90s.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8.9N/mm的弹簧,调节偏置弹簧预载分别为100,130,160N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5.6,8.9,12.4N/mm的偏置弹簧,在预载为100N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.
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| 图 5 不同弹簧预载下输出力 Fig. 5 Force-displacement curve under different preloads |
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| 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 |
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由图 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.
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| 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 |
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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.
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| 图 8 不同弹簧刚度下输出力-位移曲线 Fig. 8 Force-displacement curve under different stiffness |
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| 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 |
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由图 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.
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| 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 |
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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8.9N/mm、预紧力为100N时,SMA驱动器前100次循环试验中所得到的输出力-位移曲线.
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| 图 11 循环过程中的输出力-位移曲线 Fig. 11 Force-displacement curve in different cycles |
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由图 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120N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.
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| 图 12 SMA驱动器作动块受力图 Fig. 12 Force diagram of the SMA actuator |
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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.
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| 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 |
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由图 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160N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.
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| 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 |
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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.
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| 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 |
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由图 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.
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| 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 |
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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.
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