石蠟熱力學(xué)特性及其無纜驅(qū)動器研究.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展，加強動力和能源的研究迫在眉睫。對于進入人體腔道進行“微創(chuàng)或無創(chuàng)”診查的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，或進入易燃易爆等危險區(qū)域的管道進行檢查與維修微機器人，所用的微驅(qū)動器要求輸出力大、位移大和溫度變化范圍不能太大。石蠟在熔點附近具有很大的體膨脹系數(shù)，以石蠟作為熱膨脹材料的熱驅(qū)動是解決這一問題的新途徑。而給驅(qū)動器供能是上述問題面臨的一個關(guān)鍵技術(shù)。有線方式限制了驅(qū)動器的移動和使用環(huán)境，同時導(dǎo)線對微驅(qū)動器也是一個不小的負擔。因此，實現(xiàn)無纜驅(qū)

2、動成為石蠟驅(qū)動器實際應(yīng)用的一個重要突破口。論文的主要工作和創(chuàng)新之處。 建立了水浴加熱石蠟性能試驗裝置，利用靜態(tài)和動態(tài)測定方法，獲得了石蠟整體的壓力、體積和溫度關(guān)系，熔化曲線的線性度，冷卻方式和彈簧壓力對熱滯后的影響等熱力學(xué)特性，為石蠟驅(qū)動器的研制奠定了基礎(chǔ)。研究表明了當壓力從0升高到0.36MPa時，在熔點附近很小的溫度范圍內(nèi)，石蠟的體膨脹系數(shù)達到10％，具有很大的體膨脹系數(shù)，輸出力完全可以操作醫(yī)用內(nèi)窺鏡。降低冷卻速度和采用彈性

3、系數(shù)小的恢復(fù)彈簧都可以減小石蠟的熱滯后程度，在保證有足夠快的冷卻速度下，盡量減小石蠟驅(qū)動器的熱滯后程度。 利用石蠟溫度控制驅(qū)動器位移時，熱滯后現(xiàn)象使控制變得復(fù)雜。為了掌握石蠟熱滯后現(xiàn)象的規(guī)律，首次對其影響因素進行了研究。 建立了電磁感應(yīng)加熱石蠟性能試驗裝置，利用電磁感應(yīng)加熱原理，實現(xiàn)了石蠟驅(qū)動器的無纜驅(qū)動，獲得了試驗裝置高功率因素的實現(xiàn)、線圈參數(shù)的匹配和感應(yīng)加熱特性。研究表明了石蠟溫度從25℃升高到60℃，電磁感應(yīng)加熱只

4、需要5-6s，能為驅(qū)動器提供足夠的能量和加熱速度。 結(jié)合實驗結(jié)果，并應(yīng)用ANSYS軟件，開發(fā)的石蠟驅(qū)動器軸對稱感應(yīng)加熱處理算法，完成了電磁場和溫度場的耦合分析、石蠟的相變分析、混合物導(dǎo)熱系數(shù)的確定、玻璃有效導(dǎo)熱系數(shù)的處理和材料物理性質(zhì)都是溫度的函數(shù)，獲得了無纜驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)材料、尺寸和實際感應(yīng)加熱參數(shù)與石蠟溫度場的關(guān)系，為驅(qū)動器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。研究表明了模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有非常好的一致性。 優(yōu)化設(shè)計了感應(yīng)線圈的