CN103822534B - 一种电致动拔销式保险机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电致动拔销式保险机构，包括外壳、移动端、拔销、弹簧、介电弹性体、电极、固定端和导线，拔销位于移动端与固定端之间，拔销的外部套有弹簧；弹簧外表面卷绕着多层涂敷有电极且预拉伸的介电弹性体；电极连接导线；外壳起到封闭保护作用；所述电极为包括碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物。本发明利用预拉伸介电弹性体的回缩力与弹簧的抗力形成力平衡，此时拔销伸出固定端对外部的运动部件进行限位，起到保险的目的；介电弹性体受电刺激后产生形变，电能转换为机械能，驱动拔销拔回，达到保险解除的目的。整个机构结构简单、可靠性高、可反复使用、成本低、便于安装。

Description

一种电致动拔销式保险机构

技术领域

本发明属于保险机构技术领域，具体涉及一种电致动拔销式保险机构。

背景技术

目前，在机电系统和武器系统的保险机构中，主要有推销机构和拔销机构两种运动形式的保险机构，而拔销机构的驱动方式主要为电磁和火药。电磁驱动的拔销机构主要由衔铁、轭铁、线包组件、弹簧、拔销等组成，主要利用线包组件通电后产生磁场，使软磁材料制作的衔铁、轭铁磁化，衔铁与轭铁的磁力克服弹簧抗力，衔铁运动带动拔销拔回，该结构存在着结构复杂、价格昂贵、电—机械能量转换效率低、长期放置容易发生退磁、长时间工作容易烧坏线包组件等问题。火药驱动的拔销机构主要利用火药燃烧产生气体负向驱动活塞做功，受结构、气体压力传递方向和密封等因素影响，在实际工程应用中存在着可靠性低、电—机械能量转换效率低、火药驱动的拔销机构不能反复使用、利用率低等问题。

介电弹性体材料是一种新型智能材料，具有重量轻、富有弹性、变形大、电—机械能量转换效率高、功率质量比大、无热、抗振性能好、抗疲劳、价格低等优点。介电弹性体在保险机构的应用中有着广阔的前景。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电致动拔销式保险机构，具有结构简单、可反复使用、可靠性高、可长时间工作、状态可恢复、成本低、便于安装的特点，由此解决现有技术结构复杂、工作可靠性低、电—机械能量转换效率低的技术问题。

本发明的一种电致动拔销式保险机构，包括外壳、移动端、拔销、弹簧、介电弹性体、电极、固定端和导线；

所述拔销为阶梯状圆柱体，大圆柱部分与移动端螺纹固定，小圆柱部分和固定端间隙配合；拔销小圆柱部分外部套有弹簧，弹簧两端分别被移动端和固定端限位，弹簧外表面卷绕着多层涂敷有电极的介电弹性体；介电弹性体表面的最内层电极和最外层电极连接导线；外壳与固定端螺纹固定，用于对移动端、拔销、弹簧和介电弹性体起到封闭保护作用；

其中，所述介电弹性体在涂敷电极前进行了预拉伸，所述弹簧在卷绕介电弹性体前处于压缩状态，所述电极为包括碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物；

导线通电前，预拉伸的介电弹性体具有一个回缩力，处于压缩状态的弹簧具有一个恢复原状的抗力，预拉伸的介电弹性体的回缩力与弹簧的抗力形成力平衡，此时拔销小圆柱部分伸出固定端，对其他机构的运动部件进行限位，起到保险的目的；

当导线通电后，介电弹性体受到静电压力的作用，导致其面积增大和长度伸长，受压缩的弹簧恢复原长，由于固定端被固定，故伸长的弹簧及介电弹性体驱动移动端运动，移动端带动与其螺纹连接固定在一起的拔销一起运动，从而驱动拔销拔回，解除对外部的运动件的约束，达到保险解除的目的。

进一步地，所述介电弹性体在卷绕前预拉伸并在表面涂敷电极，预拉伸后的面积为预拉伸前面积的9～25倍，所述弹簧的压缩量为1/5～2/5。

进一步地，所述介电弹性体预拉伸后的面积为预拉伸前面积的16倍。

进一步地，所述介电弹性体在所述弹簧外表面卷绕3～7层。

进一步地，所述电极为碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物，其中硅油、硅胶的体积比为1：0.6～1：2，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2～3倍，正庚烷加入量至混合液达到粘稠状。

进一步地，所述电极中硅油、硅胶的体积比为1：1，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2.4倍。

进一步地，还包括热缩套管，热缩套管套放在移动端和固定端卷绕有介电弹性体的部分，热缩套管受热后紧缩，对介电弹性体起到固定作用。

进一步地，所述固定端包括阶梯圆柱和两个支耳，阶梯圆柱内部具有阶梯状的大孔和小孔，大孔具有螺纹，用于和弹簧螺纹连接，大孔外端面具有环形凹槽，用于安装热缩套管，阶梯圆柱的外端面上，在支耳和环形凹槽中间部分具有螺纹，用于和外壳螺纹配合固定，支耳上有两个安装孔，用于电致动拔销式保险机构在外部机构上的安装，固定端的一侧开有两个通孔，用于置放导线。

进一步地，所述介电弹性体为薄膜状VHB系列聚丙烯酸弹性体、薄膜状CF19-2186硅胶体、薄膜状HS3硅胶体、薄膜状HN-1110T型DE材料或者薄膜状聚亚胺酯材料中任意一种。

本发明的有益效果体现在：

在本发明中，利用预拉伸的介电弹性体的回缩力与处于压缩状态的弹簧的抗力形成力平衡，拔销端部伸出固定端，对外部的运动部件进行限位，起到保险的目的；利用介电弹性体通电受到静电压力的作用，介电弹性体伸长，受压缩的弹簧伸长，驱动拔销拔回，达到保险解除的目的。本发明利用介电弹性体和弹簧作为拔销的驱动件，由于介电弹性体的电—机械转换效率高、抗振性能好、抗疲劳、价格低，因此本发明具有工作可靠性高，可长时间工作，寿命长，状态可恢复，成本低。同时，电致动拔销式保险机构为了获得较大的输出位移和驱动力，电压应能均匀的施加在介电弹性体上，因此电极要能均匀覆盖在介电弹性体上，一般使用的商用导电脂是由高纯度导电碳黑、硅油和高分子导电剂等多种添加剂制成，其流动性差，会给介电弹性体的变形带来较大抗力，不能适应介电弹性体大应变的要求。而且由于其流动性差，在介电弹性体的变形过程中会形成条状的堆积物，造成静电压力的作用面积减少，极大地影响介电弹性体的应变能力。本发明的电极为包括碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物，能很均匀地粘贴在介电弹性体表面，随着介电弹性体的变形而变形，变形抗力小，因此电致动拔销式保险机构能够取得很好的运动性能。

总的来说，本发明具有结构简单、可反复使用、可靠性高、可长时间工作、状态可恢复、成本低、便于安装等优点，可应用于机电系统和武器系统等保险机构。

附图说明

图1为电致动拔销式保险机构拔销伸出固定端的结构示意图；

图2为电致动拔销式保险机构拔销拔回的结构示意图；

图3为本发明固定端的结构示意图；

图4为商用导电脂在介电弹性体应变达到最大状态时的显微图像；

图5为本发明的电极在介电弹性体应变达到最大状态时的显微图像；

图中标记为：外壳1、移动端2、拔销3、弹簧4、介电弹性体5、电极6、固定端7、热缩套管8、导线9、阶梯圆柱7-1、支耳7-2、大孔7-3、小孔7-4、环形凹槽7-5、安装孔7-6和通孔7-7。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实施例中的一种电致动拔销式保险机构，包括外壳1、移动端2、拔销3、弹簧4、介电弹性体5、电极6、固定端7和导线9。

所述拔销3为阶梯状圆柱体，大圆柱部分与移动端2螺纹固定，小圆柱部分和固定端7间隙配合；拔销3小圆柱部分外部套有弹簧4，弹簧4两端分别被移动端2和固定端7限位，弹簧4外表面卷绕着多层涂敷有电极6的介电弹性体5；介电弹性体5表面的最内层电极6和最外层电极6连接导线9；外壳1与固定端7螺纹固定，用于对移动端2、拔销3、弹簧4和介电弹性体5起到封闭保护作用。

机构装配完毕后，卷绕在弹簧4上的预拉伸介电弹性体5具有一个回缩力，处于压缩状态的弹簧4具有一个恢复原状的抗力，介电弹性体5的回缩力与弹簧4的抗力会达到一个力的平衡，此时电致动拔销式保险机构的拔销3一端伸出固定端7，对其他机构的运动部件进行限位，起到保险的目的。

当电致动拔销式保险机构通过导线9接收到控制器发出的解除保险指令后，介电弹性体5通电受到静电压力的作用，其面积增大、介电弹性体5伸长，受压缩的弹簧4伸长，由于固定端7被固定，故伸长的弹簧4及介电弹性体5驱动移动端2运动，移动端2带动与其螺纹连接固定在一起的拔销3一起运动，从而驱动拔销3拔回，当静电压力、预拉伸的介电弹性体5的回缩力和弹簧4抗力三者达到一个新的平衡时，此时拔销3拔回到一个新的状态，解除对其他机构中运动部件的约束，达到保险解除的目的。

当控制器发出的解除保险指令撤销后，介电弹性体5受到的静电压力消失，电致动拔销式保险机构重新回到预拉伸的介电弹性体5的回缩力和处于压缩状态的弹簧4抗力二力平衡的原始状态，拔销3一端伸出固定端7，再次对其他机构的运动部件进行限位，起到保险的目的。

拔销3的驱动主要是利用介电弹性体5预拉伸后产生的回缩力以及压缩状态的弹簧4产生的恢复抗力，因此需要将介电弹性体5在卷绕前进行预拉伸和对弹簧4进行预压缩。经过反复多次试验表明：介电弹性体5预拉伸不仅能够提高介电弹性体5的应变能力，而且还能使得介电弹性体5始终处于张紧状态，否则介电弹性体5在受到电压作用时就会产生弯曲现象。虽然预拉伸能够增加介电弹性体5的应变能力，但是过分的预拉伸会使介电弹性体5变硬，制约介电弹性体5的应变能力。对介电弹性体5分别在9倍、16倍和25倍的预拉伸作用下的应变能力进行研究，结果发现：在施加3500V电压作用下，9倍预拉伸的介电弹性体5应变为20%，25倍预拉伸的介电弹性体5发生击穿失效，16倍预拉伸的介电弹性体5应变达到70%而不失效。故优选介电弹性体5预拉伸面积为16倍。从拔销3的驱动力以及介电弹性体5与弹簧4的力平衡角度考虑，建议介电弹性体5卷绕在弹簧4上的层数为3～7层，弹簧4的压缩量为1/5～2/5。这样的一种匹配关系，既能使弹簧4不至于压缩过量导致失稳，又能有效避免介电弹性体5卷绕层数过多导致的相互影响。

电极6是影响介电弹性体5性能的重要因素，电压要能均匀的施加在介电弹性体5上，相应的要求电极6要能均匀覆盖在介电弹性体5上，电极6并能随着介电弹性体5的变形而变形，一般使用的商用导电脂是由高纯度导电碳黑、硅油和高分子导电剂等多种添加剂制成，其流动性差，会给介电弹性体5的变形带来较大抗力，不能适应介电弹性体5大应变的要求。如图4所示为已敷在介电弹性体5表面的商用导电脂在介电弹性体5处于最大位移处的显微图像，由图可以看出，由于导电脂流动性差，在介电弹性体5的变形过程中会形成条状的堆积物，造成介电弹性体5的静电压力的作用面积减少，极大地影响介电弹性体5的应变能力，导致本发明存在缺陷。本发明提出一种电极材料，其为包括碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物。碳黑粉主要起到电极6导电的作用，硅油主要起到使电极6流动的作用，硅胶主要起到粘连炭黑粉的作用，正庚烷是一种挥发性物质，起到充分混合碳黑粉、硅油、硅胶混合液的作用。为了使电极6流动性好、变形抗力小，申请人做了更深层次的分析和试验，结果表明，硅油、硅胶的体积比为1：0.6～1：2，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2～3倍，正庚烷加入量至混合液达到粘稠状，此时电极6能很均匀地粘贴在介电弹性体5表面，随着介电弹性体的变形而变形。进一步地，硅油与硅胶的体积比为1：1，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2.4倍，如图5所示，此时电极6流动性最好、变形抗力最小，且能使介电弹性体5的变形面积最大。

介电弹性体5在本发明中起到对拔销3的驱动作用。介电弹性体5在外界电刺激下可改变形状，待外界电刺激撤销后，又能恢复原始形状，从而产生应力和应变，将电能转换成机械能，从而实现对拔销3的驱动。可用的介电弹性体5包括薄膜状VHB系列聚丙烯酸弹性体、薄膜状CF19-2186硅胶体、薄膜状HS3硅胶体、薄膜状HN-1110T型DE材料或者薄膜状聚亚胺酯材料中任意一种。

在本发明中，介电弹性体5靠本身的粘性粘接在移动端2和固定端7上，由于介电弹性体5预拉伸后会产生回缩力，为了防止卷绕在移动端2和固定端7的介电弹性体5由于粘接力不牢固导致的脱落，需要对其固定。一般可采用线圈缠绕固定、胶固定、热缩套管固定等方式，但是线圈缠绕固定、胶固定容易导致预拉伸的介电弹性体5破损，使整个拔销式保险机构失效，为克服这种缺陷，本发明优选热缩套管8完成固定作用。热缩套管8套放在移动端2和固定端7卷绕有介电弹性体5的部分，热缩套管8受热后紧缩，对介电弹性体5起到固定作用，而又不致使介电弹性体5破损。

所述固定端7采用绝缘材料，包括阶梯圆柱7-1和两个支耳7-2，阶梯圆柱7-1内部具有阶梯状的大孔7-3和小孔7-4，大孔7-3具有螺纹，用于和弹簧4螺纹连接，大孔7-3外端面具有环形凹槽7-5，用于安装热缩套管8，阶梯圆柱7-1的外端面上，在支耳7-2和环形凹槽7-5中间部分具有螺纹，用于和外壳1螺纹配合固定，支耳7-2上有2个安装孔7-6，用于电致动拔销式保险机构在外部机构上的安装，固定端7的一侧开有2个通孔7-7，用于置放导线。

所述移动端2为绝缘材料制作的圆柱体，内部具有台阶孔，台阶孔的内径较大的孔和内径较小的孔分别具有内螺纹，分别用于和弹簧4以及拔销3螺纹配合。

下面给出一个实例：

采用美国3M公司的薄膜状VHB4905聚丙烯酸弹性体，即介电弹性体5按照4倍×4倍的拉伸率进行预拉伸，预拉伸后在介电弹性体5的上下表面均匀涂一层电极6，所述电极6为碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物，其中硅油、硅胶的体积比为1：1，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2.4倍，正庚烷加入量至混合液达到粘稠状。

再将所述弹簧4两端分别与移动端2和固定端7螺纹固定限位，再将拔销3装配在移动端2和固定端7之间，再将弹簧4压缩30%后，在弹簧4的外表面卷绕着涂有电极6的预拉伸面积为4倍×4倍的介电弹性体5，介电弹性体5在弹簧4上的卷绕层数为4层，所述预拉伸的介电弹性体5卷绕在移动端2和固定端7的每层表面不涂电极6。

上述操作完成后，沿移动端2在移动端2和固定端7卷绕介电弹性体5的部分，分别套一层125℃薄壁阻燃型热缩套管8，然后将热缩套管8加热，热缩套管8受热后紧缩，达到固定介电弹性体5的目的。

电致动拔销器的所有零件装配在外壳1中，并通过固定端7和外壳1内孔端部的螺纹配合固定，将其封闭为整体部件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电致动拔销式保险机构，包括外壳(1)，其特征在于，还包括移动端(2)、拔销(3)、弹簧(4)、介电弹性体(5)、电极(6)、固定端(7)和导线(9)；

所述拔销(3)为阶梯状圆柱体，大圆柱部分与移动端(2)螺纹固定，小圆柱部分和固定端(7)间隙配合；拔销(3)小圆柱部分外部套有弹簧(4)，弹簧(4)两端分别被移动端(2)和固定端(7)限位，弹簧(4)外表面卷绕着多层涂敷有电极(6)的介电弹性体(5)；介电弹性体(5)表面的最内层电极(6)和最外层电极(6)连接导线(9)；外壳(1)与固定端(7)螺纹固定，用于对移动端(2)、拔销(3)、弹簧(4)和介电弹性体(5)起到封闭保护作用；

其中，所述介电弹性体(5)在涂敷电极(6)前进行了预拉伸，所述弹簧(4)在卷绕介电弹性体(5)前处于压缩状态，所述电极(6)为包括碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物；

导线(9)通电前，预拉伸的介电弹性体(5)具有回缩力，处于压缩状态的弹簧(4)具有恢复原状的抗力，预拉伸的介电弹性体(5)的回缩力与弹簧(4)的抗力形成力平衡，此时拔销(3)小圆柱部分伸出固定端(7)，对其他机构的运动部件进行限位，起到保险的目的；

当导线(9)通电后，介电弹性体(5)受到静电压力的作用，导致其面积增大和长度伸长，受压缩的弹簧(4)恢复原长，由于固定端(7)被固定，故伸长的弹簧(4)及介电弹性体(5)驱动移动端(2)运动，移动端(2)带动与其螺纹连接固定在一起的拔销(3)一起运动，从而驱动拔销(3)拔回，解除对外部的运动件的约束，达到保险解除的目的。

2.如权利要求1所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：所述介电弹性体(5)在卷绕前预拉伸并在表面涂敷电极(6)，预拉伸后的面积为预拉伸前面积的9～25倍，所述弹簧(4)的压缩量为1/5～2/5。

3.如权利要求2所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：所述介电弹性体(5)预拉伸后的面积为预拉伸前面积的16倍。

4.如权利要求1或2或3所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：所述介电弹性体(5)在所述弹簧(4)外表面卷绕3～7层。

5.如权利要求1或2或3所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：所述电极(6)为碳黑粉、硅油、硅胶和正庚烷的混合物，其中硅油、硅胶的体积比为1：0.6～1：2，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2～3倍，正庚烷加入量至混合液达到粘稠状。

6.如权利要求5所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：所述电极(6)中硅油、硅胶的体积比为1：1，碳黑粉的质量为硅油、硅胶混合后质量的2.4倍。

7.如权利要求1或2所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：还包括热缩套管(8)，热缩套管(8)套放在移动端(2)和固定端(7)卷绕有介电弹性体(5)的部分，热缩套管(8)受热后紧缩，对介电弹性体(5)起到固定作用。

8.如权利要求1或2或3所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：所述固定端(7)包括阶梯圆柱(7-1)和两个支耳(7-2)，阶梯圆柱(7-1)内部具有阶梯状的大孔(7-3)和小孔(7-4)，大孔(7-3)具有螺纹，用于和弹簧(4)螺纹连接，大孔(7-3)外端面具有环形凹槽(7-5)，用于安装热缩套管(8)，阶梯圆柱(7-1)的外端面上，在支耳(7-2)和环形凹槽(7-5)中间部分具有螺纹，用于和外壳(1)螺纹配合固定，支耳(7-2)上有2个安装孔(7-6)，用于电致动拔销式保险机构在外部机构上的安装，固定端(7)的一侧开有2个通孔(7-7)，用于置放导线(9)。

9.如权利要求1或2或3所述的一种电致动拔销式保险机构，其特征在于：所述介电弹性体(5)为薄膜状VHB系列聚丙烯酸弹性体、薄膜状CF19-2186硅胶体、薄膜状HS3硅胶体、薄膜状HN-1110T型DE材料或者薄膜状聚亚胺酯材料中任意一种。