CN102788537A - 一种熔断sma丝空间连接与分离机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种熔断SMA丝空间连接与分离机构,其设置有:分瓣螺母、分瓣螺母的捆紧弹簧、捆紧弹簧的释放装置,该捆紧弹簧的释放装置为两根SMA丝,其中第一根的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧上端连接,另一端与外壳上端连接,在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态,第二根SMA丝的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧另下端连接,另一端与外壳下端连接,在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态,当两根SMA丝受到大电流加热时,其内部因发生相变产生巨大回复应力,同时因高温使材料断裂强度下降,在两者共同作用下发生断裂,解除对捆紧弹簧的约束,两根SMA丝互为备份,实现了冗余设计,保证了非常高的可靠性,所述连接与分离机构解锁彻底、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强。
Description
技术领域
本发明涉及航天器连接-分离机构的技术领域,特别涉及一种熔断SMA丝连接与分离机构,其利用形状记忆合金(SMA)丝在高温下回复应力增大同时断裂强度降低,从而引起SMA丝断裂解除捆紧弹簧对分瓣螺母的约束,实现分离的机构。
背景技术
航天器需要多种连接-分离机构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。目前这种解锁装置多为火工品螺栓(又称爆炸螺栓)。随着技术的发展,尤其是新一代小型卫星的出现,火工品所引起的冲击和污染问题日趋严重,解决这一问题的一个主要焦点集中在应用形状记忆合金(SMA)发展新型的解锁机构。
在利用SMA研制新型连接与解锁机构上,国内外都有了一定的进展,提出了多种以SMA丝为驱动的设计方案,如美国Hi Shear科技公司提出的以SMA柱作为驱动的设计方案,国内提出的“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”(中国专利申请号:200610011626.8),其中采用SMA丝作为驱动元件,其结构如图1所示,由SMA丝2、弹簧3、分瓣螺母4、螺栓5、定位环7、底座8组成,通过螺纹固定在下连接件1上,分瓣螺母4下部通过螺纹与底座8连接,上部由定位环7进行周向定位,并通过螺栓5与上连接件9固定,由此完成相邻两个部件的连接。分瓣螺母4,如图1所示,由沿周向均分分布的三部分组成,底部连接,内有膨胀螺钉6,可以通过膨胀螺钉6调整分瓣螺母4张开的尺寸。弹簧3下端与底座8接触,上端与定位环7接触,处于压缩状态,压紧定位环7,保证定位环7对分瓣螺母4的周向定位,使分瓣螺母4在装配状态下闭合。SMA丝2上端与定位环7相连,下端固定于底座8上,在弹簧力的作用下处于张紧状态。在通电加热SMA丝2实现解锁功能时,考虑到SMA丝2的绝缘问题,定位环7为绝缘材料,SMA丝2与底座8的连接采用绝缘材料机械止动的方式。图1所示状态为锁紧状态,当需要解锁时,对SMA丝2通电,SMA丝2收缩,带动定位环7下移,压缩弹簧3,解除对分瓣螺母4的约束,释放螺栓5,从而完成解锁。
“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”虽然具有解锁载荷大、同步性好等优点,但其也具有较大的缺点:
(1)锁定的主要作用方向是该机构的径向方向,但在该机构在其解锁-锁定过程中却没有提供沿着该主要作用方向的收紧/放开,而锁定装置只是单纯地沿着轴向移动。结果,分瓣螺母4难以充分分瓣,底部仍连成一体,从而造成了其解锁不充分,成功率低,可靠性差。
(2)SMA丝和导线连接部分在壳体内部,不便于操作。
(3)该机构分瓣螺母的径向自由度靠定位环约束,但该定位环本身在沿轴向向下的自由度没有完全约束,仅靠弹簧压紧,在沿轴向存在较大的振动或冲击载荷时,定位环在惯性力作用下,很可能沿轴向向下运动,压缩弹簧,同时释放分瓣螺母,即,其抗振动及冲击载荷能力较差。
(4)机械压紧方式容易造成SMA丝损伤,从而造成SMA丝在使用过程中断裂。
(5)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,同时,随着驱动次数的增加,SMA丝的驱动性能将发生衰减,进一步降低了该机构的设计裕度。
(6)该机构没有采取冗余设计,使得分离可靠性差,不符合航天使用要求。
发明内容
本发明主要解决现有技术中存在的解锁不彻底、未进行冗余设计及抗振动、冲击载荷能力差的问题,提供了一种解锁彻底、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强的熔断SMA丝空间连接与分离机构。
本发明采用的技术方案为:一种熔断SMA丝空间连接与分离机构,其包括:
分成两瓣的分瓣螺母,其内侧设有用于与一螺栓连接的螺纹,其顶端有相互配合的孔,并能通过轴与外壳连接;
设在所述分瓣螺母的外侧的捆紧弹簧,其在捆紧情况下内径等于分瓣螺母外径,其上端和第一根SMA丝一端连接,同时第一根SMA丝另一端通过锁紧套管和外壳连接,捆紧弹簧另下端和第二根SMA丝一端连接,同时第二根SMA丝另一端通过锁紧套管和外壳连接,通过两根SMA丝将完成对捆紧弹簧的约束;
两根SMA丝作为捆紧弹簧的释放装置,在连接状态下,其能维持对捆紧弹簧的约束,在对其通大电流加热后,其因内部发生相变产生巨大回复应力,同时因高温降低断裂强度,从而发生断裂,解除对捆紧弹簧的约束,捆紧弹簧在自身预紧力作用下松开,失去对分瓣螺母的约束,实现对所述的螺栓的释放。
进一步的,所述分瓣螺母的两瓣上端有相互配合的孔,并用一轴依次穿过两孔与外壳相连,两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动,使两瓣螺母能完全张开。
进一步的,所述捆紧弹簧,其为圆柱螺旋扭转弹簧,设置在分瓣螺母外侧,在连接状态下,其处于扭紧的状态,其内径等于分瓣螺母外径,将分瓣螺母捆紧,从而维持了对分瓣螺母的径向约束,在分离状态下,其处于放松状态,其内径远大于分瓣螺母外径,从而放松对分瓣螺母的径向约束。
进一步的,两根SMA丝实现相同功能,互为备份,实现了冗余设计,提高了可靠性。
进一步的,分瓣螺母、捆紧弹簧和两根SMA丝在机构连接状态下所有自由度均被完全约束,保证在大振动、冲击载荷作用下不会有部件发生运动而发生分离。
本发明的原理在于:
本发明熔断SMA丝空间连接与分离机构设置有:分瓣螺母,用于上端通过轴与一外壳连接,另一端与一螺栓螺纹连接,其被分割成两瓣,两瓣螺母上端设置有配合的轴孔,并用一轴依次穿过两孔与外壳相连,两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动,使两瓣螺母能完全张开;分瓣螺母的捆紧弹簧,其为圆柱螺旋扭转弹簧,设置在分瓣螺母外侧,在连接状态下,其处于扭紧的状态,其内径等于分瓣螺母外径,将分瓣螺母捆紧,从而维持了对分瓣螺母的径向约束,在分离状态下,其处于放松状态,其内径远大于分瓣螺母外径,从而放松对分瓣螺母的径向约束;捆紧弹簧的释放装置,其为两根SMA丝,其中第一根的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧上端连接,另一端与外壳上端连接,在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态,第二根SMA丝的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧另下端连接,另一端与外壳下端连接,在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态,当两根SMA丝受到大电流加热时,其内部因发生相变产生巨大回复应力,同时因高温使材料断裂强度下降,在两者共同作用下发生断裂,解除对捆紧弹簧的约束,两根SMA丝互为备份,实现了冗余设计,保证了非常高的可靠性。所述连接与分离机构解锁彻底、可靠性高、抗振动、冲击载荷能力强。
本发明与现有的技术相比,具有解锁彻底、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)、本发明采用了一个被完全分割成为两瓣的分瓣螺母,其径向自由度被扭紧的捆紧弹簧完全约束,而捆紧弹簧由于SMA丝熔断而放松后,其内径变化非常大,提供了分瓣螺母径向张开运动的足够空间,和现有技术相比,其解锁更彻底,大大提高了分离的成功率,改善了可靠性。
(2)、本发明采用了两根SMA丝分别对捆紧弹簧上下两端进行约束,在进行分离时,无论哪一根SMA丝发生熔断都可以保证分瓣螺母的成功分离,采取这种冗余设计之后,其释放可靠性大大提高。
(3)、本发明中在SMA丝没有发生熔断前,整个机构中不存在未进行约束或约束不彻底的地方,可保证在振动和冲击载荷作用下,整个机构中不会有部件发生运动,从而造成连接失效,保证了很好的抗振动和冲击载荷的能力。
(4)、本发明中SMA丝和外壳的固定采取锁紧套管固定的方式,这样和现有技术相比SMA丝更不易因机械损伤而断裂,从而提高了使用可靠性。
附图说明
图1为现有技术中“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”结构示意图;
图2为本发明熔断SMA丝空间连接与分离机构的连接状态剖视图;
图3为本发明熔断SMA丝空间连接与分离机构的分离状态剖视图;
图4为本发明分瓣螺母与捆紧弹簧连接状态及电路示意图;
图5为本发明分瓣螺母与捆紧弹簧分离状态及电路示意图;
图6为本发明捆紧弹簧松开过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
根据本发明的一个方面,所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构设置有:分瓣螺母,用于与一螺栓螺纹连接,其完全分割成两瓣,两瓣螺母上设置有配合的轴孔,并用一轴依次穿过两孔与外壳相连,两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动,使两瓣螺母能完全张开;所述分瓣螺母的捆紧弹簧,其为圆柱螺旋扭转弹簧,设置在分瓣螺母外侧,在连接状态下,其处于扭紧的状态,其内径等于分瓣螺母外径,将分瓣螺母捆紧,从而维持了对分瓣螺母的径向约束,在分离状态下,其处于放松状态,其内径远大于分瓣螺母外径,从而放松对分瓣螺母的径向约束;所述约束装置的释放装置,其为两根SMA丝,其中第一根SMA丝的一端与捆紧弹簧上端连接,另一端与外壳上端连接,在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态,当其受到大电流加热时,其内部因相变产生巨大回复应力,同时因高温使材料断裂强度下降,在两者共同作用下发生断裂,解除对捆紧弹簧的约束,第二根SMA丝的一端与捆紧弹簧的下端连接,另一端与外壳下端连接,其与第一根SMA丝实现相同功能,互为备份,实现了冗余设计。
根据本发明的一个实施方式,所述分瓣螺母的上端有相互配合的轴孔,通过轴将两瓣螺母连接在外壳上,并且两瓣螺母能沿轴自由转动,实现分离。
根据本发明的一个实施方式,所述分瓣螺母外侧设置有分瓣螺母捆紧弹簧,其为圆柱扭转弹簧,在连接状态下,处于扭紧的状态,其内径等于分瓣螺母外径,将分瓣螺母捆紧,从而维持了对分瓣螺母的径向约束,在分离状态下,其处于放松状态,其内径远大于分瓣螺母外径,从而放松对分瓣螺母的径向约束。
根据本发明的另一个实施方式,所述的第一根SMA丝一端和分瓣螺母的捆紧弹簧上端相连,另一端和外壳上端相连;第二根SMA丝的一端和分瓣螺母的捆紧弹簧下端相连,另一端和外壳下端相连,两根SMA丝和外壳相连端都采用SMA丝锁紧套管进行锁紧。
本发明的技术解决方案特征包括:采用一个被完全分割成两瓣的分瓣螺母,两瓣分瓣螺母的上端有相互配合的孔,并用一轴依次穿过两孔与外壳相连,两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动,使两瓣螺母能完全张开;在连接状态时,分瓣螺母被捆紧弹簧捆紧,此时,捆紧弹簧上下两端分别和两根SMA丝连接,并且,两根SMA丝都通过锁紧套管固定在外壳上,两根SMA丝由于受到捆紧弹簧的作用,处于绷紧状态,同时连接螺栓拧入闭合的分瓣螺母之中,起到连接作用。当需要分离时,同时对两根SMA丝加大电流,在大电流作用下,SMA丝被加热,使得其温度升高,当温度达到其相变温度后,其内部会发生相变,由解孪晶马氏体变成奥氏体,同时发生收缩。由于SMA丝两端都被约束,在发生收缩时其内部应力迅速增大,与此同时,由于SMA丝的温度在大电流加热作用下迅速升高,导致其断裂强度下降,在两个因素的共同作用下,SMA丝发生断裂,解除对捆紧弹簧的约束。由于捆紧弹簧上下两端分别被两根SMA丝约束,只要其中一根SMA丝发生断裂,捆紧弹簧都能迅速放松对分瓣螺母的捆紧。在失去捆紧弹簧的约束后连接螺栓能自由的从分瓣螺母中脱出,实现对被连接物体的分离。
以下结合附图2、3、4说明本发明的一个具体实施例的结构。
如图2所示,在连接状态下,本发明的分瓣螺母4被捆紧弹簧10约束,使得其不能沿径向张开,并且形成完整螺母副;分瓣螺母4上端有配合的孔,并通过轴15与外壳16连接,从而限定了分瓣螺母4的空间位置。通过这两方面的约束,使得分瓣螺母4形成了紧固、有效的连接。另外,在处于连接状态时,整个连接结构,包括:第一根SMA丝2、第二根SMA丝12、分瓣螺母4、捆紧弹簧10,都进行了约束,不存在可运动的部件,从而保证了在承受振动及冲击载荷时,该连接结构仍然紧固、可靠。
如图2所示,在连接状态下,捆紧弹簧10的上端和第一根SMA丝2连接,同时第一根SMA丝2的另一端通过锁紧套管13固定于外壳16上端;捆紧弹簧10的下端和第二根SMA丝12连接,同时第二根SMA丝12的另一端通过锁紧套管23固定于外壳16下端,通过对捆紧弹簧10上下两端进行约束,保证了捆紧弹簧10始终处于捆紧状态。如图4所示,第一根SMA丝2和第二根SMA丝12分别串连于两个独立的加热电路中,通过控制各个加热电路的开关可实现对两根SMA丝的加热。在该结构中,捆紧弹簧10两端分别被两根独立的SMA丝约束,而且两根SMA丝的加热电路也是独立的,这使得该设计方案同时保证了机械冗余度和电冗余度,具有很高的可靠性。
如图3所示,在分离状态下,第一根SMA丝2和第二根SMA丝12在大电流作用下被迅速加热,使得其内部发生解孪晶马氏体向奥氏体的转变,产生很大的回复应力,同时,由于高温的作用,SMA材料的断裂强度下降,在两者共同作用下,第一根SMA丝2或第二根SMA丝12发生断裂,实现对捆紧弹簧10的释放,捆紧弹簧10在自身预紧力作用下迅速放松,如图5所示,完成对分瓣螺母4径向约束的释放,实现对连接螺栓5的分离。捆紧弹簧10释放过程示意如图6所示
本发明的工作过程如下:
如图2所示的是机构连接状态,此时分瓣螺母4被捆紧弹簧10捆紧,形成完整螺纹副。分瓣螺母4上端通过轴15和外壳16连接,约束了分瓣螺母4的空间位置。捆紧弹簧10的上端与第一根SMA丝2一端连接,第一根SMA丝2另一端通过套管锁紧方式与外壳16上端连接,捆紧弹簧10的下端与第二根SMA丝12一端连接,第二根SMA丝12另一端通过套管锁紧方式与外壳16下端连接。通过两根SMA丝2、12的约束,保证了捆紧弹簧10能保持对分瓣螺母4的捆紧状态。当需要进行分离时,通过两个独立的电路分别对第一根SMA丝2及第二根SMA丝12加热,使得SMA丝温度升高,导致其内部发生解孪晶马氏体向奥氏体的转变,产生很大的回复应力,同时,由于高温的作用,SMA材料的断裂强度下降,在两者共同作用下,第一根SMA丝2或第二根SMA丝12发生断裂,实现对捆紧弹簧10的释放,捆紧弹簧10在自身预紧力作用下迅速放松,完成对分瓣螺母4径向约束的释放,实现对连接螺栓5的分离。
另外,可以理解,捆紧弹簧10属于可变形弹性元件,当然也可采用公知的其它弹性元件来代替。
Claims (5)
1.一种熔断SMA丝空间连接与分离机构,其特征在于包括:
分成两瓣的分瓣螺母(4),其内侧设有用于与一螺栓(5)连接的螺纹,其顶端有相互配合的孔,并能通过轴与外壳连接;
设在所述分瓣螺母(4)的外侧的捆紧弹簧(10),其在捆紧情况下内径等于分瓣螺母外径,其上端和第一根SMA丝(2)一端连接,同时第一根SMA丝(2)另一端通过锁紧套管(13)和外壳(16)连接,捆紧弹簧(10)另下端和第二根SMA丝(12)一端连接,同时第二根SMA丝(12)另一端通过锁紧套管(23)和外壳(16)连接,通过两根SMA丝(2、12)将完成对捆紧弹簧(10)的约束;
两根SMA丝(2、12)作为捆紧弹簧(10)的释放装置,在连接状态下,其能维持对捆紧弹簧(10)的约束,在对其通大电流加热后,其因内部发生相变产生巨大回复应力,同时因高温降低断裂强度,从而发生断裂,解除对捆紧弹簧(10)的约束,捆紧弹簧(10)在自身预紧力作用下松开,失去对分瓣螺母(4)的约束,实现对所述的螺栓(5)的释放。
2.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构,其特征在于,所述分瓣螺母(4)的两瓣上端有相互配合的孔,并用一轴依次穿过两孔与外壳(16)相连,两瓣螺母可沿轴向相互远离的方向转动,使两瓣螺母能完全张开。
3.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构,其特征在于,所述捆紧弹簧(10),其为圆柱螺旋扭转弹簧,设置在分瓣螺母(4)外侧,在连接状态下,其处于扭紧的状态,其内径等于分瓣螺母(4)外径,将分瓣螺母(4)捆紧,从而维持了对分瓣螺母(4)的径向约束,在分离状态下,其处于放松状态,其内径远大于分瓣螺母外径,从而放松对分瓣螺母(4)的径向约束。
4.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构,其特征在于,两根SMA丝(2、12)实现相同功能,互为备份,实现了冗余设计,提高了可靠性。
5.根据权利要求1所述的熔断SMA丝空间连接与分离机构,其特征在于,分瓣螺母(4)、捆紧弹簧(10)和两根SMA丝(2、12)在机构连接状态下所有自由度均被完全约束,保证在大振动、冲击载荷作用下不会有部件发生运动而发生分离。
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