CN101913436A - 一种两级冗余驱动的锁定解锁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两级冗余驱动的锁定解锁装置，属于两结构间的锁定与解锁技术领域；其特征在于，该装置包括两端敞开的圆柱形壳体，分别与壳体两端相连的壳体底座和壳体顶盖，壳体底座和壳体顶盖的中心均开有通孔；设置在壳体内轴线上的分瓣螺母，套于分瓣螺母12外周的套圈11，该套圈一端封闭；其特征在于，还包括设置在壳体内的一级驱动器、一级止动器、开合器和二级驱动器；本发明装置具有锁定、解锁可靠，解锁冲击力很小，承载能力强，可快捷的进行重置操作，结构紧凑，体积小。安装接口多样等诸多优点。

Description

一种两级冗余驱动的锁定解锁装置

技术领域

本发明属于两结构间的锁定与解锁技术领域，特别涉及能在指定的工作条件下对两结构进行紧固，并在规定条件下解除锁定的装置。

背景技术

航天器上一些部件和结构如舱体之间在地面和发射过程中处于连接状态，进入轨道后需要分离已实现其功能；太阳帆板在发射状态下由于空间的限制和减振的需要处于压紧收拢状态，抵达轨道后锁定装置解除，帆板展开后进入工作状态。再如太空大型展开式天线等，均需要能够实现锁定和解锁功能的装置。当卫星上携带高精度高灵敏仪器时，需要安装低频隔振系统。低频隔振系统对在轨状态下的微振动具有很好的隔离作用。但自身较为脆弱。需要使用锁定解锁装置在发射过程中将仪器牢固可靠的固定，承受发射过程中恶劣的过载、振动、冲击环境，并在达到轨道后指定的状态下解除锁定将仪器释放，同时隔振系统开始工作。

广泛使用的锁定解锁装置是爆炸螺栓，驱动力为火工品爆炸产生的冲击力。这种驱动方式优点是驱动力大、技术成熟。缺点是对被连接结构的冲击大，易产生污染。火工品一次性使用，不能重置，正样产品不可进行解锁测试。

近年来，以非火工品如形状记忆合金驱动的锁定解锁装置是这一领域的一个较新的发展方向。目前较普遍的形状记忆合金驱动锁定解锁装置内普遍采用记忆合金丝驱动与压紧弹簧配对使用的技术方案，如申请号为200810119580.0的专利中所公开的结构。在这类结构方案中，锁定解锁装置在锁定时，使用弹簧压紧对分瓣螺母起限位作用的结构，防止其解锁。解锁时，记忆合金丝通电加热直接驱动分瓣螺母的限位结构，解除对分瓣螺母的约束。这种驱动与弹簧配对，记忆合金丝直接驱动的方式在锁定和解锁可靠性方面存在一定的不足。

锁定时，对分瓣螺母起限位作用的结构仅被弹簧顶住，而无其他结构对其限位，装置经历振动时，限位结构可能发生共振并发生过大的位移，失去对分瓣螺母的限位作用，进而发生误解锁，锁定可靠性存在一定的不足。在解锁过程中，记忆合金丝必须克服很大的弹簧压紧力，并行进足够的长度。记忆合金驱动部分的负担较大，解锁的可靠性也存在一定的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种两级冗余驱动的锁定解锁装置，该装置具有锁定、解锁可靠，解锁冲击力很小，承载能力强，可快捷的进行重置操作，结构紧凑，体积小等诸多优点。

本发明提出的一种两级冗余驱动的锁定解锁装置，其特征在于，该装置包括两端敞开的圆柱形壳体，分别与壳体两端相连的壳体底座和壳体顶盖，壳体底座和壳体顶盖的中心均开有通孔；设置在壳体内轴线上的分瓣螺母，套于分瓣螺母外周的套圈，该套圈一端封闭；其特征在于，还包括设置在壳体内的一级驱动器、一级止动器、开合器和二级驱动器；

该一级驱动器包括压缩弹簧，驱动块，驱动块为中心带有一圆杆的圆盘，圆杆穿入压缩弹簧内；

该一级止动器包括具有中心通孔的止动器底座，多个与底座销连接的止动块；

该开合器为带有中心通孔的旋转对称体，该一端部的侧面为止动面，止动面间隔地开有多个凹槽；

该二级驱动器包括中心开有通孔的驱动器底座，与驱动器底座同轴安装并能转动的驱动盘，紧箍在驱动盘外部的绝缘壳，镶嵌在驱动器底座内的引线座；还包括设置在驱动器底座与驱动盘之间的弹性体，以及盘绕在绝缘壳外侧的形状记忆合金丝；形状记忆合金丝的一端头固定在绝缘壳上，另一端头与固定在引线座上，该形状记忆合金丝的两个端头分别与电源的两极相连；

其中，

一级驱动器设置在套圈内的封闭端部，一级驱动器的驱动块的圆盘与分瓣螺母的顶端接触；

一级止动器的止动块与套圈封闭端的外表面接触，一级止动器的止动器底座与二级驱动器的驱动器底座固定，二级驱动器的驱动器底座固定在顶盖内并与壳体固定；开合器一端部的止动面或凹槽与一级止动器的止动块的圆柱面相接触；开合器的另一端面通过同步轴与二级驱动器的驱动盘固定。

本发明的特点及有益效果：

1、锁定强度高。锁定、解锁可靠，解锁冲击力很小。

本发明装置锁定时，分瓣螺母与套圈保持面接触，能够承受很大的剪切力。使用形状记忆合金做为驱动器，驱动过程冲击力小。解锁消耗的功率小，与航天器搭载电源兼容。

2、可便捷的进行重置操作。

本发明解锁过程中所有零件不发生破坏，可重复多次进行实验，正样产品也能够进行解锁测试。

3、采用两级驱动，锁定、解锁可靠性高。

本发明锁定时使用一级止动器阻止解锁，其运动方向垂直于一级驱动器的运动方向，两者的接触面与止动结构的运动方向接近相互垂直，但不致使止动结构自锁。开合器用于阻止一级止动结构的运动，其运动与一级止动器的运动方向相互垂直，与接触面也相互垂直，因而开合器能够自锁，配合使用弹性体固定，锁定解锁装置在经历高频和大量级振动时，依然能够可靠的保持锁定。

螺栓螺母拧紧后，螺母与套圈之间有很大的压紧力。推动套圈时必须使用很大的力来克服静摩擦力。使用有源的驱动器来直接推动势必需要消耗很大的能量，可靠性难以得到保证。在本装置中，有源的二级驱动器经过转换后间接推动套圈运动，仅需要很小的驱动力就能使装置解锁，解锁的可靠性大幅增强。

4、装置的驱动采用了冗余的设计，可靠性大大增强。

驱动力与解锁具有冗余设计。两组记忆合金丝中的任何一组正常工作都能够驱动装置解锁。

5、结构紧凑、体积小。

本发明可应用于航天器各舱体的锁紧分离，航天器上可展开结构的收拢锁定和释放展开。

附图说明

图1为本发明的锁定解锁装置实施例外观立体示意图；其中(a)为装置横向放置的示意图，(b)为装置竖向放置的示意图；

图2为本实施例的锁定解锁装置处于锁定状态的结构示意图；

图3为本实施例的外壳、底座、分瓣螺母、一级驱动器、套圈的装配分解示意图；

图4为本实施例的一级止动器、开合器、二级驱动器、顶盖的装配分解示意图；

图5为本实施例的一级驱动器的组成分解示意图；

图6为本实施例的分瓣螺母的组成分解示意图；

图7为本实施例的一级止动器的组成分解示意图；

图8为本实施例的二级驱动器的组成分解示意图；

图9为本实施例的二级驱动器与形状记忆合金丝的组成示意图。

具体实施方式

本发明的两级驱动高度锁定解锁装置结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种两级冗余驱动的锁定解锁装置。两端敞开的圆柱形壳体，分别与壳体两端相连的壳体底座和壳体顶盖，壳体底座和壳体顶盖的中心均开有通孔；设置在壳体内轴线上的分瓣螺母，套于分瓣螺母外周的套圈，该套圈一端封闭；其特征在于，还包括设置在壳体内的一级驱动器、一级止动器、开合器和二级驱动器；

该一级驱动器包括压缩弹簧，驱动块，驱动块为中心带有一圆杆的圆盘，圆杆穿入压缩弹簧内；

该一级止动器包括具有中心通孔的止动器底座，多个与底座销连接的止动块；

该开合器为带有中心通孔的旋转对称体，该一端部的侧面为止动面，止动面间隔地开有多个凹槽；

该二级驱动器包括中心开有通孔的驱动器底座，与驱动器底座同轴安装并能转动的驱动盘，紧箍在驱动盘外部的绝缘壳，镶嵌在驱动器底座内的引线座；还包括设置在驱动器底座与驱动盘之间的弹性体，以及盘绕在绝缘壳外侧的形状记忆合金丝；形状记忆合金丝的一端头固定在绝缘壳上，另一端头与固定在引线座上，该形状记忆合金丝的两个端头分别与电源的两极相连。

其中

一级驱动器设置在套圈内的封闭端部，一级驱动器的驱动块的圆盘与分瓣螺母的顶端接触(没有导向块的一端)；

一级止动器的止动块与套圈封闭端的外表面接触，一级止动器的止动器底座与二级驱动器的驱动器底座固定，二级驱动器的驱动器底座固定在壳体顶盖内并与壳体固定；开合器一端部的止动面或凹槽与一级止动器的止动块的圆柱面相接触；开合器的另一端面通过同步轴与二级驱动器的驱动盘固定。

上述套圈的封闭端可为中心带有凸起的圆锥面，凸起部为中空，用于放置一级驱动器，圆锥面呈中心低边缘高，圆锥面的张角为150-170度。

上述分瓣螺母的每瓣的另一个端面上可有突起的导向块，各瓣两两之间放置有弹性体；分瓣螺母的每瓣螺母的两个侧面开有沉孔，用于放置弹性体；该分瓣螺母的导向块嵌入到壳体底座内，使分瓣螺母每瓣只能沿径向移动；

上述一级止动器的止动块的初始运动方向垂直于套圈的运动方向，两者的接触面与止动块的运动方向接近相互垂直，但不致使止动块自锁，该角度在75～83度之间。开合器用于阻止一级止动器中止动块的运动，其运动方向与一级止动器的止动块的运动方向相互垂直，与接触面也相互垂直，使开合器能够自锁。

本发明的两级冗余锁定解锁装置实施例如图1-图4所示。如图1所示，本实施例的两级冗余驱动锁定解锁装置包括壳体1，壳体底座2，壳体顶盖3，壳体为两端敞开的圆柱形，壳体底座开有通孔；其中壳体壳体1侧壁开有对称的两个复位孔1-1(图1)，壳体1一端使用螺钉81与壳体底座2固定，壳体底座2在壳体一侧开有导向槽2-1(图3)，壳体底座2还具有与连接结构(图中未示出)固定用的安装孔2-2(图1)。壳体1内的轴线上安装有分瓣螺母12，分瓣螺母12大体呈圆台形，大端面上具有凸起的导向块12-1，导向块12-1嵌在壳体底座导向槽2-1内(图3)。分瓣螺母12的圆锥面与壳体1内壁之间有套圈11，该套圈一端封闭；套圈11内壁开有套圈环槽11-1，套圈外壁开有复位凹槽11-2。套圈的封闭端为中心带有凸起的圆锥面，凸起部中空，用于放置一级驱动器，一级驱动器设置在套圈内的封闭端部，一级驱动器的驱动块的圆盘与分瓣螺母的另一端接触(没有导向块的一端)；圆锥面呈中心低边缘高，圆锥面的张角为150-170度。如图3所示，分瓣螺母12小端与套圈11之间的中轴上放置一级驱动器14；壳体1的另一端通过螺钉84固定有二级驱动器22，二级驱动器22面向壳体的一侧通过螺钉82固定有一级止动器17，二级驱动器22另一侧通过螺钉85安装壳体顶盖3，壳体顶盖3中心开有圆孔3-2。本实施例装置还包括开合器21，开合器21为阶梯圆柱体，其上大圆柱端侧面有止动面21-1和解锁凹槽21-2。开合器21的小端中心有矩形连接孔21-3。同步轴30一端截面为矩形，另一端有六边头30-1，其矩形端穿过二级驱动器22、轴承31和开合器21并用螺钉83固定。开合器用于阻止一级止动器中止动块的运动，其运动方向与一级止动器的止动块的运动方向相互垂直，与接触面也相互垂直，使开合器能够自锁。壳体顶盖3使用螺钉85固定在二级驱动器22上，壳体顶盖3两侧对称位置分别开有引线孔3-1。

本实施例中一级驱动器的构成如图5所示，一级驱动器14包括压缩弹簧15，驱动块16，驱动块为中心带有一圆杆的圆盘，剖面为倒“T”形，圆盘顶在分瓣螺母小端面上，圆杆穿入压缩弹簧15内。

本实施例中分瓣螺母的构成如图6所示，分瓣螺母由一个螺母分割而成，视具体需要分为三瓣、四瓣或其他瓣数。分瓣螺母12的每瓣大端面上有突起的导向块12-1，分瓣螺母12外圆有螺母环槽12-3，每瓣螺母的两个侧面开有沉孔12-2，各瓣两两之间放置有压簧13；该分瓣螺母的导向块嵌入到壳体底座内，使分瓣螺母每瓣只能沿径向移动。

本实施例中一级止动器的构成如图7所示，一级止动器17包括具有中心通孔的止动器底座18，三个、四个或多个止动块19以及用于固定止动块与止动器底座的销轴20，止动块18与套圈11接触的一端为球头。一级止动器的止动块的初始运动方向垂直于套圈的运动方向，两者的接触面与止动块的运动方向接近相互垂直，但不致使止动块自锁，该角度在75～83度之间。一级止动器的止动块与套圈封闭端的锥面，一级止动器的止动器底座与二级驱动器的驱动器底座23固定，二级驱动器22的驱动器底座固定在顶盖3内并与壳体固定；开合器21为带有中心通孔的旋转对称体，该一端部的侧面为止动面21-1，止动面21-1间隔地开有多个凹槽21-2；开合器21一端部的止动面21-1或凹槽21-2与一级止动器17的止动块19的圆柱面相接触；开合器21的另一端面通过同步轴与二级驱动器22的驱动盘24固定。

本实施例中二级驱动器的构成如图8和图9所示，二级驱动器22包括中心开有通孔的驱动器座23，与驱动器底座同轴安装并能转动的驱动盘24，紧箍在驱动器盘上外部的盘壳25，两个对称镶嵌在驱动器座引线槽23-2内的引线座26，引线座26上开有小孔26-1。二级驱动器22还包括设置在驱动器底座与驱动盘之间的扭簧27，其一端插入驱动器座23上的扭簧安装孔23-1内，另一端插入驱动盘24上的扭簧孔24-2内。二级驱动器22还包括盘绕在盘壳25外侧壁螺旋导槽25-1内的两条形状记忆合金丝28。形状记忆合金丝28一端穿过并固定在引线座26的一个小孔内，中间段螺旋盘绕在盘壳螺旋导槽25-1内，再自盘壳顶面线孔25-2穿出并用弹性开口箍29紧箍在盘壳突台25-3上，继续从引线座26的另一个小孔穿出。形状记忆合金丝28的两端穿过壳体顶盖3的引线孔3-1分别与电源(图中未示出)两极相连。

本装置的工作原理为：当各组成部分处于图2所示相对位置时，装置处于锁定状态。在此状态下，套圈11箍紧住分瓣螺母12，使多瓣螺母合成一个完整的螺母。螺栓穿过被连接的结构(图中未显示)并拧入螺母，对连接结构起到紧固作用。分瓣螺母12有膨胀的趋势，向外紧压在套圈11的内壁上。一级驱动器压缩弹簧15处于紧压状态。

解锁时，一级驱动器14中的压缩弹簧15推动套圈11向上运动，运动到一定的位置时，分瓣螺母12大端进入套圈环槽11-1内，为螺母提供径向张开的空间。分瓣螺母12失去径向束缚后，被内置的压簧13推开。螺纹副失去作用，解除对螺栓的紧固。螺栓再被其他蓄能弹性体(图中为显示)拉出，完成对被连接结构的解锁。

本实施例各部件结构及功能详细描述如下：

壳体1的内壁和套圈11的外壁为圆锥面，相互契合。套圈11的内壁和分瓣螺母12的外侧壁是相互契合的圆锥面。螺栓拧紧后，分瓣螺母12有膨胀的趋势，对套圈内壁产生很大的正压力，圆锥角小于自锁角。同时，各圆锥面需要进行精加工，保证锥面足够光滑，减小套圈11向上运动的摩擦力。壳体1、套圈11、分瓣螺母12应使用不同材料制造，防止发生互研现象导致装置卡死。分瓣螺母12的每一瓣的两个侧边上都有沉孔12-4，用于容纳压簧13。分瓣螺母12合拢时，压簧13被压缩而蓄能。分瓣螺母12底部有导向块12-1，在底座2上有与之对应的导向槽2-1。导向槽2-1在解锁时，引导分瓣螺母12沿径向张开，在重置恢复时，引导分瓣螺母12沿径向往中心合拢。分瓣螺母的导向块12-1与底座导向槽2-1的另一个重要作用是在拧紧螺栓时，防止螺母跟随转动。套圈11与分瓣螺母之间有一级驱动器14，驱动器14的压缩弹簧15提供套圈11向上运动的驱动力。在锁定状态下，一级驱动器中的压缩弹簧15处于压紧蓄能状态。

锁定状态下，套圈11向上的运动趋势被一级止动器14中的止动块19阻止，止动块19通过销轴20与止动器底座18铰接。止动器底座18使用螺钉82固定在中间座18上。套圈11与止动块19的接触面为锥面，止动块19端部为球头。止动块19有向内翻转的趋势，止动块19的运动被开合器21的止动面21-1阻止。开合器21与二级驱动器22经同步轴30连接和螺钉83固定后，开合器21与二级驱动器的驱动盘24的同步旋转。开合器21与二级驱动器底座23之间安装轴承23以减小转动摩擦力。驱动盘24与二级驱动器底座23之间安装一个刚度较低的扭簧27。扭簧27能够防止装置在经受振动时高频弹性波使驱动盘24转动发生误解锁。

盘壳25紧箍在驱动盘24外部。形状记忆合金丝28一端穿过并固定在引线座26的一个小孔内，中间段螺旋盘绕在盘壳螺旋导槽25-1内，再自盘壳顶面线孔25-2穿出并用弹性开口箍29紧箍在盘壳突台25-3上，继续从引线座26的另一个小孔穿出。形状记忆合金丝28的两端穿过壳体顶盖3的引线孔3-1分别与电源(图中未示出)两极相连。形状记忆合金丝28能够导电，因此与合金丝接触和固定的各零件必须具有良好的绝缘性。因此，盘壳25、引线座26需要使用绝缘材料制造，如陶瓷、聚四氟乙烯、尼龙等。

装置顶端安装壳体顶盖3，保护装置内零件。壳体顶盖3侧面开引线孔3-1供引出接线端，壳体顶盖顶端开孔3-2露出同步轴顶端的六角头30-1。壳体顶盖用螺钉85固定在一级驱动器座23上。

装置解锁时，记忆合金丝28通电，温度迅速升高，达到相变温度后开始收缩。两组记忆合金丝28盘绕在盘壳25上，合金丝28收缩时带动盘壳25、驱动盘24和开合器21转动。开合器21转动一定角度，其上的解锁凹槽21-2到达止动块19后，止动块19向内翻转。套圈11被压缩弹簧15推动向上运动，运动到一定的位置时，分瓣螺母12大端进入套圈环槽11-1内，径向约束被解除。分瓣螺母12在压簧13的推动下张开，螺纹副失效，解除对螺栓的锁定。形状记忆合金丝28的盘绕圈数需要进行核算，以确保合金丝能够产生足够的收缩距离。记忆合金丝有两组并分别通电，其中任何一组正常工作都能够驱动装置解锁。本锁定解锁装置的形状记忆合金丝驱动也可换用其他的驱动方式，如记忆合金弹簧驱动、马达驱动、电磁体驱动等。

待形状记忆合金24冷却，装置进行复位操作时，使用工具(图中未显示)穿过壳体1侧面的复位孔1-1，卡在套圈11的复位凹槽11-2内，推动套圈11向下运动。在圆锥面的引导下螺母各瓣向中心合拢使压簧13压缩并重新组成完整的螺母，同时，压缩弹簧15也被压紧。使用扳手(图中未显示)反向旋转(解锁时的旋转方向为正向)同步轴30顶端的六角头30-1，带动开合器21反向旋转。止动块19经凹槽21-2的引导向外侧翻转，直至顶住套圈11，同时开合器止动面21-1与止动块19的侧面接触，阻挡止动块19的运动。

Claims (4)

1.一种两级冗余驱动的锁定解锁装置，其特征在于，该装置包括两端敞开的圆柱形壳体，分别与壳体两端相连的壳体底座和壳体顶盖，壳体底座中心开有通孔；设置在壳体内位于轴线上的分瓣螺母，套于分瓣螺母外周的套圈，该套圈一端封闭；其特征在于，还包括设置在壳体内的一级驱动器、一级止动器、开合器和二级驱动器；

该一级驱动器包括压缩弹簧，驱动块，驱动块为中心带有一圆杆的圆盘，圆杆穿入压缩弹簧内；

该一级止动器包括具有中心通孔的止动器底座，多个与底座销连接的止动块；

该开合器为带有中心通孔的旋转对称体，该一端部的侧面为止动面，止动面间隔地开有多个凹槽；

该二级驱动器包括中心开有通孔的驱动器底座，与驱动器底座同轴安装并能转动的驱动盘，紧箍在驱动盘外部的绝缘壳，镶嵌在驱动器底座内的引线座；还包括设置在驱动器底座与驱动盘之间的弹性体，以及盘绕在绝缘壳外侧的形状记忆合金丝；形状记忆合金丝的一端头固定在绝缘壳上，另一端头与固定在引线座上，该形状记忆合金丝的两个端头分别与电源的两极相连；

其中，

一级驱动器设置在套圈内的封闭端部，一级驱动器的驱动块的圆盘与分瓣螺母的顶端接触；

一级止动器的止动块与套圈封闭端的锥面接触，一级止动器的止动器底座与二级驱动器的驱动器底座固定，二级驱动器的驱动器底座固定在壳体顶盖内并与壳体固定；开合器一端部的止动面或凹槽与一级止动器的止动块的圆柱面相接触；开合器的另一端面通过同步轴与二级驱动器的驱动盘固定。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述套圈的封闭端为中心带有凸起的圆锥面，凸起部为中空，用于放置一级驱动器，圆锥面呈中心低边缘高，圆锥面的张角为150-170度。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分瓣螺母的每瓣的另一个端面上有突起的导向块，该分瓣螺母的导向块嵌入到壳体底座内，使分瓣螺母每瓣只能沿径向移动；各瓣两两之间放置有弹性体；分瓣螺母的每瓣螺母的两个侧面开有沉孔，用于放置弹性体。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一级止动器的止动块的初始运动方向垂直于套圈的运动方向，两者的接触面与止动块的运动方向接近相互垂直，但不致使止动块自锁。开合器用于阻止一级止动器中止动块的运动，其运动方向与一级止动器的止动块的运动方向相互垂直，与接触面也相互垂直，使开合器能够自锁。

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