CN108190051A - 一种sma丝驱动的超大载荷解锁装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,该机构采用分瓣螺母和大螺栓作为连接件,涡卷弹簧作为紧固件,SMA丝作为分离的驱动元件;机构通过大螺栓与分离结构相连,分瓣螺母在涡卷弹簧的包裹下锁紧大螺栓;涡卷弹簧内端固定在分瓣螺母上,外端与框架相连;锁紧状态下框架被压块和卡销组成的约束系限位;分离时,对SMA丝通电,使其受热发生相变而收缩,驱动压块移动,解除对卡销的限位,失去约束的框架在涡卷弹簧回复力作用下,随涡卷弹簧一起转动,涡卷弹簧散开后,分瓣螺母在其薄板结构作用下张开,释放大螺栓,实现机构的分离。本发明驱动比高、释放载荷大、可靠性高,抗振动、冲击能力强。
Description
技术领域
本发明涉及航天器解锁装置的技术领域,特别涉及一种分瓣螺母解锁装置。
背景技术
航天器需要多种解锁装置实现连接与解锁功能,如多级运载火箭的分离、卫星或者宇宙飞船上太阳翼的展开等等。目前这种装置多为火工品螺栓(又称***螺栓)。目前这种装置多为火工品螺栓(又称***螺栓),火工品螺栓在解锁分离的过程中会造成冲击,并将***碎片、粉尘、化学气体等留在航天器中引发污染问题,随着技术的发展尤其是新一代小型卫星的出现,火工品螺栓的缺陷与急速增长的应用需求之间的矛盾日趋突出。
分瓣螺母解锁装置是一种在连接状态下通过完整螺纹实现连接功能,分离时通过螺母分瓣破坏螺纹连接关系进而实现解锁的机构。近几十年,在利用分瓣螺母研制新型解锁装置方面,有了一定的进展,提出了基于多种驱动原理的分瓣螺母解锁方案,如以电磁力为驱动力的电磁式分离装置、采用SMA丝进行驱动的箍筒限位锁紧机构等。这些分瓣螺母连接释放机构具有解锁彻底、同步性好等优点,但也存在如下的较大缺点:
(1)电磁驱动的机构,结构复杂,零件数量多,制造成本高且释放可靠性不易保证;
(2)电磁驱动的分瓣螺母释放装置采用电磁力驱动,产生的电磁场对空间环境影响大,应用范围有限;
(3)SMA驱动的机构,依靠SMA丝受热收缩来拉动箍筒脱离分瓣螺母进行解锁,抗振动、冲击能力差;
(4)依靠SMA丝收缩实现驱动,而SMA丝长度较短,使得机构的设计裕度较小,随着驱动次数的增加,SMA丝的性能发生衰减,机构的裕度会进一步降低;
(5)SMA丝驱动的机构没有冗余设计,分离可靠性差,应用范围有限;
(6)现有的SMA箍筒限位锁紧机构,驱动比低(本发明中的驱动比类似于省力杠杆的原理,其定义为:驱动比=机构能提供的释放载荷/驱动元件的驱动载荷),不能满足超大释放载荷的应用环境的需求。
发明内容
本发明主要解决现有技术中存在的驱动比低、不能进行超大载荷释放、未进行冗余设计及抗振动、冲击性能差的问题,提供了一种驱动比高、可以释放超大载荷、可靠性高、抗振动、冲击能力强的SMA丝驱动的分瓣螺母解锁装置。
本发明采用的技术方案为:一种SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其包括:SMA丝、绝缘轨道、复位弹簧、压块、卡销、框架、轴承、分瓣螺母、复位工装、涡卷弹簧、下盖、上盖、大螺栓、销钉。其中,分瓣螺母和大螺栓是连接件,涡卷弹簧是紧固件,SMA丝是分离的驱动元件;下盖与固定结构连接,大螺栓与分离结构相连,大螺栓与分瓣螺母采用螺纹副配合连接,分瓣螺母在涡卷弹簧的包裹下锁紧大螺栓;涡卷弹簧内端固定在分瓣螺母上,外端通过销钉与框架相连,分瓣螺母和框架分别与轴承的内环和外环配合;复位工装的头部固定在上盖上,下部***分瓣螺母顶面的六角孔内;SMA丝一端固定在下盖上,另一端穿过绝缘轨道连接到压块上,压块和绝缘轨道之间设有复位弹簧。
机构锁紧时,框架被压块和卡销组成的约束系限位,涡卷弹簧的内外两端均被约束,使分瓣螺母锁紧大螺栓。
分离时,对SMA丝通电,使其受热发生相变而收缩,驱动压块移动,解除卡销对框架的限位,在涡卷弹簧回复力作用下,框架与涡卷弹簧外端一起转动,涡卷弹簧散开,分瓣螺母张开,释放大螺栓,实现机构的分离。
需要复位时,旋转框架使卡销归位,压块在复位弹簧弹力的作用下回到约束位置,涡卷弹簧的外端重新被约束,这时旋转复位工装,带动分瓣螺母和涡卷弹簧内端转动,涡卷弹簧重新拉紧并锁紧分瓣螺母,使机构重新锁紧。
进一步地,所述分瓣螺母采用弹性材料制成。
进一步地,所述分瓣螺母被涡卷弹簧紧密包裹,借助涡卷弹簧各圈之间的摩擦力,可以保证分瓣螺母即使受到很大的径向载荷,也不会张开。
进一步地,所诉分瓣螺母顶部中心设有六角形孔,与复位工装配合,可使分瓣螺母在复位工装的带动下转动,从而拉紧涡卷弹簧,实现机构的复位。
进一步地,所述分瓣螺母上部外表面呈阶梯状,与上盖及轴承内环配合。
进一步地,所述分瓣螺母下部为分瓣体,分瓣体个数是3或者4,拼合起来是一个底部带锥形台阶的圆柱,圆柱外表面被涡卷弹簧包裹锁紧,内表面的螺纹可与大螺栓配合。
进一步的,所述的分瓣螺母下部的锥形台阶,通过底面的圆锥面与下盖配合,具有自定心作用,提高了抗冲击和振动的能力。
进一步地,所述分瓣螺母中部为多个薄板结构,薄板结构的个数与分瓣体个数对应,沿周向均布,起到弹簧钢片的作用,具有外张的趋势,在没有涡卷弹簧约束的情况下,薄板结构可带动分瓣体向外张开。
进一步地,所述复位工装头部中心设有六角孔,与内六角扳手配合,用于预紧载荷的施加以及复位时转动复位工装。
进一步地,所述复位工装头部边缘均布有3个弧形通孔,锁紧状态下,利用该弧形通孔配合螺钉,可将复位工装固定在上盖上,对复位工装进行限位,从而间接对分瓣螺母的转动自由度进行限制;需要复位时,拆除螺钉,即可转动复位工装,并带动分瓣螺母旋转,复位后再次用螺钉对复位工装进行限位。
进一步的,所述的SMA丝,并行设置两根,两根SMA丝同时工作,互为备份,实现驱动元件的冗余设计。
进一步的,所述的涡卷弹簧,其内外两端分别固定在分瓣螺母和框架上,而分瓣螺母和框架又分别与轴承的内环和外环配合,因此涡卷弹簧内外端的运动相互独立。
进一步的,所述的涡卷弹簧,由弹簧钢制成,通过设计弹簧钢带的厚度和圈数,可以调整涡卷弹簧的紧箍能力。
本发明与现有的技术相比,具有释放载荷大、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强等特点,具体表现在经下几个方面:
(1)本发明采用了一个分段的分瓣螺母,其自由度被底盖、涡卷弹簧、复位工装和上盖完全约束,能承受大的振动和冲击载荷,不会发生意外分离,连接可靠性更高。
(2)本发明通过SMA丝受热缩短来解除涡卷弹簧的约束,进而使分瓣螺母张开,释放大螺栓,和现有技术相比,驱动比更高,在SMA丝驱动力不变的前提下,能提供超大释放载荷,适用的场合更广泛。
(3)本发明采用了两根并行SMA丝作为驱动元件,需要分离时,无论哪一根SMA丝加热,都可以保证大螺栓成功释放,这种冗余设计提高了机构释放可靠性。
(4)本发明的整个机构,在涡卷弹簧散开前,不存在未进行约束或约束不彻底的部位,且分瓣螺母和下盖之间通过圆锥面配合,具有自定心作用,使得机构在承受任何方向的大的振动和冲击载荷时,都不会有部件发生运动而造成连接失效,抗振动和冲击能力强。
(5)本发明中SMA丝外有绝缘轨道保护,不仅可以防止热量散失,缩短SMA丝加热变形的时间,还能有效避免外部环境对SMA丝的损伤,进一步提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明的总体结构图示意图;
图2为本发明的总体结构剖面图;
图3为本发明的部分结构俯视图;
图4为本发明分瓣螺母结构示意图;
图5为本发明卡销结构示意图;
图6为本发明涡卷弹簧内圈应力与涡卷弹簧外径的关系曲线。
附图标记含义:1.SMA丝;2.绝缘轨道;3.复位弹簧;4.压块;5.卡销;6.框架;7.轴承;8.分瓣螺母;9.复位工装;10.涡卷弹簧;11.下盖;12.上盖;13.大螺栓;501.转轴;502.压块配合面;503.框架配合面;801.六角孔;802.上盖配合面;803.轴承配合面;804.薄板结构;805.分瓣体;806.锥形台阶。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明做进一步的详细介绍。
本发明提供一种SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其结构如图1~图3所示。下盖11与固定结构连接,大螺栓13与分离结构相连,大螺栓13与分瓣螺母8采用螺纹副配合连接,分瓣螺母8在涡卷弹簧10的包裹下锁紧大螺栓13,从而实现连接功能;涡卷弹簧10的内端固定在分瓣螺母8上,外端通过销钉与框架6相连,分瓣螺母8和框架6分别与轴承7的内环和外环配合;复位工装9的头部固定在上盖12上,下部***分瓣螺母8顶面的六角孔内;SMA丝1一端固定在下盖11上,另一端穿过绝缘轨道2连接到压块4上,压块4和绝缘轨道2之间设有复位弹簧3。
分瓣螺母8是本发明的连接件之一,图4给出了其结构示意图。包括六角孔801、上盖配合面802、轴承配合面803、薄板结构804、分瓣体805和锥形台阶806。其中,六角孔801用于与复位工装9下部配合,转动复位工装时,可带动分瓣螺母转动,从而拉紧涡卷弹簧;上盖配合面802与上盖12配合;轴承配合面803与轴承7的内环配合;分瓣体805的个数是3或者4(图中给出的是4个分瓣体的方案),每一瓣的结构都相同,拼合起来是一个圆柱,圆柱外表面被涡卷弹簧10包裹锁紧,内表面上的螺纹可与大螺栓13配合;薄板结构804沿周向均匀分布,其个数与分瓣体805的个数匹配,具有外张的趋势,解除涡卷弹簧10的约束时,薄板结构804可带动分瓣体805向外张开;锥形台阶806处在分瓣体805之下,其底面的圆锥面与下盖配合,具有自定心作用,提高了抗冲击和振动的能力。
卡销结构是本发明约束系中的重要组件,整个卡销结构实际上由两个零件组成,即转轴部分和卡销主体部分。按照图5所示的方位,卡销主体部分左端设有通孔,转轴501安装在该通孔内,卡销主体部分可绕转轴501转动;锁紧状态下,压块配合面502与压块4接触,框架配合面503与框架6接触,卡销5在压块4和框架6的共同作用下受力平衡,保持静止;分离时,压块4受SMA丝驱动而发生移动,压块配合面502上失去约束,导致卡销5失去平衡,绕转轴501发生转动,由此解除卡销5对框架6的限位作用。
涡卷弹簧10是本发明的紧固件,包裹在分瓣螺母8外以实现对大螺栓13的紧固,其内外两端分别固定在分瓣螺母8和框架6上,而分瓣螺母8和框架6又分别与轴承7的内外环配合,使得涡卷弹簧10两端的运动相互独立。工作中涡卷弹簧10所承受的主要载荷,来自分瓣螺母8对其作用的由内而外的压力,其最内圈的应力最大(简称内圈应力)。涡卷弹簧10的设计参数包括圈数和钢带厚度,这两个参数均与涡卷弹簧的外径正相关。实际应用中,参数的具体数值,可根据分析内圈应力—弹簧外径的关系来确定。由于涡卷弹簧箍紧后整体看来近似盘状结构,所以将其看作是等厚度的空心圆盘,并根据应力法进行求解。经分析,涡卷弹簧10的内圈应力与其外径的关系曲线如图6所示。优选地,涡卷弹簧10的材料选择65Mn弹簧钢,钢带厚度为0.2mm,圈数为8圈,这样的设计能获得最佳的锁紧性能。
本发明工作过程如下:
本发明的机构完整的工作过程包括锁紧、分离、复位三个阶段。锁紧时,框架6被压块4和卡销5组成的约束系限位,涡卷弹簧10的内外两端均被约束,裹紧分瓣螺母8,从而锁紧大螺栓13,实现固定结构和分离结构的连接。分离时,对SMA丝1通电,使其受热发生相变而收缩,驱动压块4移动,解除对卡销5的限位,进而使框架6失去约束,在涡卷弹簧10的回复力作用下,框架6跟随涡卷弹簧10外端一起转动,涡卷弹簧10散开,分瓣螺母8下部的分瓣体805在薄板结构804带动下张开,大螺栓13被释放,完成分离。复位时,旋转框架6使卡销5归位,压块4在复位弹簧3弹力的作用下回到约束位置,涡卷弹簧10的外端重新被约束,这时旋转复位工装9,带动分瓣螺母8和涡卷弹簧10的内端转动,涡卷弹簧10重新被拉紧并裹紧分瓣螺母8,机构复位完成,重新进入锁紧状态。
另外,可以理解,分立的薄板结构804属于弹簧钢片类的弹性元件,当然也可采用公知的其它弹性元件来代替;涡卷弹簧10的材料和参数,也可根据需要加以调整。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,包括:SMA丝(1)、绝缘轨道(2)、复位弹簧(3)、压块(4)、卡销(5)、框架(6)、轴承(7)、分瓣螺母(8)、复位工装(9)、涡卷弹簧(10)、下盖(11)、上盖(12)、大螺栓(13);其中,分瓣螺母(8)和大螺栓(13)是连接件,涡卷弹簧(10)是紧固件,SMA丝(1)是分离的驱动元件;下盖(11)与固定结构连接,大螺栓(13)与分离结构相连,大螺栓(13)与分瓣螺母(8)采用螺纹副配合连接,分瓣螺母(8)在涡卷弹簧(10)的包裹下锁紧大螺栓(13);涡卷弹簧(10)内端固定在分瓣螺母(8)上,外端与框架(6)相连,分瓣螺母(8)和框架(6)分别与轴承(7)的内环和外环配合,使分瓣螺母(8)内外端的运动相互独立;复位工装(9)的头部固定在上盖(12)上,下部***分瓣螺母(8)顶面的六角孔内;SMA丝(1)一端固定在下盖(11)上,另一端穿过绝缘轨道(2)连接到压块(4)上,压块(4)和绝缘轨道(2)之间设有复位弹簧(3);
机构锁紧时,框架(6)被压块(4)和卡销(5)组成的约束系限位,涡卷弹簧(10)的内外两端均被约束,使分瓣螺母(8)锁紧大螺栓(13);
分离时,对SMA丝(1)通电,使其受热发生相变而收缩,驱动压块(4)移动,解除对卡销(5)的限位,失去约束的框架(6)在涡卷弹簧(10)回复力作用下,随涡卷弹簧(10)外端一起转动,涡卷弹簧(10)散开,分瓣螺母(8)张开,释放大螺栓(13),实现机构的分离;
需要复位时,旋转框架(6)使卡销(5)归位,压块(4)在复位弹簧(3)弹力的作用下回到约束位置,涡卷弹簧(10)的外端重新被约束,这时旋转复位工装(9),带动分瓣螺母(8)和涡卷弹簧(10)内端转动,涡卷弹簧(10)重新拉紧并裹紧分瓣螺母(8),使机构重新锁紧。
2.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述分瓣螺母(8),采用弹性材料制成。
3.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述分瓣螺母(8),顶部中心设有六角形孔,与复位工装(9)配合。
4.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述分瓣螺母(8),上部外表面呈阶梯状,与上盖(12)及轴承(7)内环配合。
5.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述分瓣螺母(8),下部为若干个分瓣体,拼合起来是一个底部带锥形台阶的圆柱,圆柱外表面被涡卷弹簧包裹锁紧,内表面设有与大螺栓(13)配合的螺纹。
6.根据权利要求5所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述分瓣螺母(8)下部的分瓣体个数,可设为3或4。
7.根据权利要求5所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述分瓣螺母(8)下部的锥形台阶,其底面为圆锥面,与下盖配合。
8.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述分瓣螺母(8),中部为若干个薄板结构,薄板结构的个数与分瓣体个数对应,具有外张的趋势。
9.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述复位工装(9),其头部中心设有六角孔,与内六角扳手配合。
10.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述复位工装(9),其头部边缘均布有三个弧形通孔。
11.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述SMA丝(1),并行设置两根,两根SMA丝同时工作,互为备份。
12.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的超大载荷解锁装置,其特征在于,所述涡卷弹簧(10),材料选用65Mn弹簧钢,钢带的厚度为0.2mm,圈数为8圈。
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