Проблемы машиностроения и надежности машин, 2020, № 3, стр. 65-71

В настоящее время в Российской Федерации создаются новые реакторные установки на быстрых нейтронах [1]. Учитывая сложность и опасность реакторных установок, последние должны оснащаться дополнительными устройствами безопасности, в том числе предназначенными для перерезания электрического жгута при аварийном повышении температуры окружающей среды выше допустимой.

В литературе приведено много информации о перерезающих устройствах [2–12]. Недостатками известных изобретений является сложность их конструкции, необходимость дистанционного управления и недопустимость использования порохов в ряде изделий машиностроения.

Поэтому для устранения перечисленных недостатков, нами разработано устройство безопасности, обеспечивающее разрыв электрической цепи путем перерезания электрических жгутов при повышении температуры окружающей среды выше допустимой с использованием привода на основе тарельчатых деталей, изготовленных из сплавов с памятью формы (СПФ) с широким мартенситным гистерезисом. Устройство имеет упрощенную конструкцию, обладает меньшими габаритами и массой, обеспечивает возможность проверки температуры аварийного срабатывания как перед постановкой устройства в изделие машиностроения, так и в процессе его эксплуатации [13].

В настоящей статье описана конструкция предложенного устройства безопасности и приведены результаты исследований по отработке его работоспособности.

Описание устройства безопасности на основе сплавов с памятью формы. На рис. 1 схематично изображена конструкция перерезающего устройства.

Рис. 1.

Схема макета устройства безопасности на основе сплава с памятью формы.

Для обеспечения работоспособности устройства необходимо на опорную пластину 9 положить электрический кабель 11, часть кабеля 11 закрыть основанием 8. Электрический кабель 11 должен лежать в канавке, которая выполнена в основании 8. Основание 8 жестко соединяется с пластиной 9 винтами 12. В резьбовую часть основания 8 вкручивается корпус 4, который имеет отверстия для подвода тепла к термочувствительным элементам 3 данного устройства. Далее нож 6 при помощи штифта 5 соединяется с поршнем 2, который в свою очередь устанавливается в корпус 4, таким образом, чтобы лезвие ножа 6 находилось перпендикулярно электрическому кабелю 11. Нож 6 изготовлен из токонепроводящего материала. Далее на поршень 2 надеваются тарельчатые термочувствительные элементы 3, которым перед установкой в устройство задается в мартенситном состоянии деформация сжатием. На резьбовую часть корпуса 4 накручивается крышка 1, в которой также выполнены отверстия для подвода тепла к термочувствительным элементам 3. При повышении температуры до пороговых значений термочувствительные элементы 3, изготовленные из СПФ, начинают восстанавливать свою первоначальную форму и, разжимаясь, преодолевая сопротивление пружины 7, толкают вниз поршень 2 с ножом 6. Лезвие ножа 6 упирается в электрический кабель 11 и перерезает его. Для увеличения хода или усилий термочувствительных элементов 3 перерезающего устройства вместо шайбы 10, заполняющей свободное пространство, можно использовать дополнительный набор термочувствительных элементов 3, изготовленных из СПФ, в зависимости от конкретных требований к устройству.

Исследование свойств формовосстановления термочувствительных тарельчатых деталей, изготовленных из сплавов с памятью формы. Тарельчатые детали изготавливали из сплавов систем Ti–Ni–Nb [14] партии № 193-11-п и Ti–Ni–Nb–Zr [15] партии № 252. После изготовления их подвергали вакуумному отжигу и проводили замеры исходной высоты H₀. Затем на испытательной машине UTS-100K при температурах Т = (–60…–70)°С; (‒100…–110)°С и 23°С деталям наводили деформацию сжатием со скоростью деформации $\dot {\varepsilon }$ ≈ 4.8 × 10^–3 с^–1 до величины усилия F = 20 кН. Далее измеряли высоту деталей H_Д после деформации и нагревали до температуры Т = (85–90)°С для определения их термомеханических характеристик (ТМХ). При нагреве тарельчатые детали восстанавливали исходную форму – наблюдалось проявление эффекта памяти формы (ЭПФ). Измеряли высоту деталей H_ЭПФ после нагрева.

По диаграммам формовосстановления тарельчатых деталей (рис. 2) определяли характеристические температуры $A_{{s{\text{ЭПФ}}}}^{{\text{н}}}$ и $A_{{f{\kern 1pt} {\text{ЭФП}}}}^{{\text{к}}}$, соответственно, на начальной и конечной стадии всего этапа формовосстановления при проявлении ЭПФ. Методом касательных определяли характеристические температуры А_sЭПФ и А_fЭПФ (характеризуют основное формовосстановление внутри диапазона температур $A_{{s{\text{ЭПФ}}}}^{{\text{н}}}$, $A_{{f{\kern 1pt} {\text{ЭФП}}}}^{{\text{к}}}$) и рассчитывали температурный интервал |А_sЭПФ – А_fЭПФ|. Величину термически обратимой деформации ε_ЭПФ и степень восстановления формы η_ЭПФ при проявлении ЭПФ определяли по формулам (1) и (2), соответственно

Рис. 2.

Типичные диаграммы формовосстановления тарельчатых деталей, изготовленных из сплава Ti–Ni–Nb после предварительно наведенной деформации сжатием со скоростью $\dot {\varepsilon }$ ≈ 4.8 × 10^–3 с^–1 при разных температурах: 1 – Т = (–60…–70)°С; 2 – Т = (–100…–110)°С; 3 – Т = 23°С.

Полученные результаты представлены в табл. 1, из которой следует, что тарельчатые детали сработали на величину ∆H_ЭПФ = (1.3–1.7) мм, что составило (37.1–48.6)% от ее высоты H₀ до деформации, при этом значение η_ЭПФ составило 0.76–0.92. Увеличение температуры деформации от (–100…–110)°С до 23°С тарельчатых деталей, изготовленных из сплава Ti–Ni–Nb, приводит к снижению величины термически обратимой деформации ε_ЭПФ, степени восстановления формы η_ЭПФ, высоты детали ∆H_ЭПФ, температур начала основного формовосстановления А_sЭПФ и наоборот к повышению значений тех же величин (кроме А_sЭПФ, которая понижается) в тарельчатых деталях, изготовленных из сплава системы Ti–Ni–Nb–Zr. Однако, значения величин, наиболее важных для разработанного устройства безопасности рабочих характеристик, таких как температура А_sЭПФ, которая в устройстве характеризует температуру начала перерезания электрического жгута (температурой $A_{{s{\text{ЭПФ}}}}^{{\text{н}}}$ в данной конструкции устройства можно пренебречь, так как зазор между ножом и кабелем (0.6–0.7) мм, а величина перемещения ножа в интервале изменения температур от $A_{{s{\text{ЭПФ}}}}^{{\text{н}}}$ до А_sЭПФ составляет ≈0.15 мм), а также ∆H_ЭПФ, которая в устройстве характеризует величину перемещения ножа, изменяются незначительно. С целью сокращения времени и упрощения процесса наведения деформации, было решено тарельчатые детали, изготовленные из сплава Ti–Ni–Nb, перед установкой в макет устройства безопасности деформировать при температуре Т_Д = 23°С, а детали из сплава Ti–Ni–Nb–Zr в районе температур (–90…–100)°С.

Определение усилия, необходимого для перерезания жгута. Усилие, необходимое для перерезания электрического жгута, определили в эксперименте с макетом устройства безопасности без рабочих элементов, изготовленных из СПФ. В результате эксперимента установлено, что максимальное усилие, необходимое для перерезания жгута, составило 175 Н, при этом ход рабочих элементов (соответствует величине перемещения ножа) должен быть не менее 2.2 мм. Учитывая тот факт, что ход одного рабочего элемента составляет (1.3–1.7) мм (табл. 1), а также принимая во внимание, что необходим дополнительный запас хода (преодоление зазора между ножом и жгутом величиной 0.6–0.7 мм), было решено использовать в разработанном устройстве безопасности четыре рабочих элемента (рис. 1).

Определение усилий, развиваемых рабочими элементами устройства безопасности. В первом эксперименте тарельчатым деталям, изготовленным из сплава Ti–Ni–Nb, наводили деформацию сжатием при температуре Т_Д = 23°С до величины усилия F = 20 кН; тарельчатым деталям, изготовленным из сплава Ti–Ni–Nb–Zr, при температуре (‒90…–100)°С. Затем деформированные рабочие элементы устанавливали в макет устройства безопасности и проводили его сборку. При этом нож с поршнем не соединяли, а вместо этого поршень жестко заневоливали с помощью зажимов.

Во втором эксперименте определяли усилия, развиваемые рабочими элементами устройства безопасности при перерезании электрического жгута из двух кабелей марки КИМЭПМ. Макет устройства нагревали в печи VST 12/-/200 до температуры Т_Д = = 100°С. Усилия, развиваемые рабочими элементами, регистрировали по показаниям монитора управляющего компьютера испытательной машины UTS-100K. В результате исследований макета устройства безопасности с рабочим приводом, изготовленным из сплава Ti–Ni–Nb, установлено, что максимальное усилие F_max, развиваемое им в заневоленном состоянии, составляет 610 Н, а при перерезании электрического жгута 190 Н (рис. 3а). Выявлено, что данный макет устройства является работоспособным. Усилия, развиваемые тарельчатыми деталями при нагреве, возрастают, толкая нож дальше, и при температуре 74°С он полностью перерезает электрический жгут; перемещение ножа при перерезании составляет 2.9 мм, а ширина температурного интервала срабатывания 38°С.

Рис. 3.

Диаграммы зависимости усилий от температуры, развиваемых устройством безопасности в заневоленном состоянии и при резке жгута с термочувствительными тарельчатыми деталями, изготовленными из сплава Ti–Ni–Nb, деформированного при Т_Д = 23°С (а); и из сплава Ti–Ni–Nb–Zr, деформированного при Т_Д = (–90…–100)°С (б); 1 – в заневоленном состоянии; 2 – при резке жгута.

У макета с рабочим приводом из сплава Ti–Ni–Nb–Zr выявлено, что максимальное усилие F_max, развиваемое им в заневоленном состоянии, составляет 745 Н, а при перерезании электрического жгута 120 Н (рис. 3б). Установлено, что данный макет устройства является также работоспособным. Усилия, развиваемые тарельчатыми деталями, при температуре 60°С позволяют полностью перерезать электрический жгут; перемещение ножа при этом составляет 2.9 мм, а ширина температурного интервала срабатывания 28°С.

В результате экспериментов было установлено, что максимальное усилие F_max, развиваемое тарельчатыми деталями из СПФ в процессе восстановлении формы при нагреве в заневоленном состоянии, значительно превышает максимальные усилия перерезания электрического жгута, состоящего из двух кабелей марки КИМЭПМ. Показано, что конструкция макета устройства для перерезания кабеля является работоспособной, как с рабочим приводом в виде тарельчатых деталей из СПФ системы Ti–Ni–Nb, так и Ti–Ni–Nb–Zr, поскольку в процессе нагрева нож полностью перерезал электрический жгут.

Выводы. Описана конструкция устройства безопасности перерезающего типа, созданная на основе использования сплавов с памятью формы.

Исследованы свойства формовосстановления термочувствительных тарельчатых деталей, изготовленных из сплавов с памятью формы систем Ti–Ni–Nb и Ti–Ni–Nb–Zr. При выбранных размерах, величина формовосстановления составляет ∆H_ЭПФ = = (1.3–1.7) мм. Увеличение температуры наведения деформации тарельчатым деталям из сплава Ti-Ni–Nb приводит к уменьшению термомеханических характеристик, а у деталей из сплава Ti–Ni–Nb–Zr к увеличению.

Установлено, что разработанная конструкция макета устройства для перерезания кабеля с рабочим приводом в виде тарельчатых деталей из сплавов с памятью формы систем Ti–Ni–Nb и Ti–Ni–Nb–Zr является работоспособной, поскольку нож полностью перерезает электрический жгут, состоящий из двух кабелей марки КИМЭПМ при нагреве макета до температуры (60–74)°С, величина перемещения ножа при этом составляет 2.9 мм.

Применение предлагаемого устройства позволяет отказаться от использования недопустимого в ряде областей машиностроения, в частности, в ядерной технике, порохового заряда для привода, отказаться от дистанционного управления, упростить конструкцию и обеспечить большую компактность устройства безопасности.