CN103895879A

CN103895879A - 一种低冲击锁定解锁装置

Info

Publication number: CN103895879A
Application number: CN201410066932.6A
Authority: CN
Inventors: 郑钢铁; 关新; 梁鲁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: CN103895879B

Abstract

本发明涉及一种低冲击锁定解锁装置，属于锁定解锁技术领域，该装置包括分瓣螺母及锁定螺钉，还包括底板、捆扎绳及其固定构件，捆扎绳切割器及其电源，以及外壳；底板为中心开有圆孔的平板，分瓣螺母为圆柱形，下端面放置于底板上，其中心的螺纹孔与底板中心的圆孔同心；捆扎绳螺旋缠绕在分瓣螺母的外周，捆扎绳上、下两端分别连接固定构件，固定构件固定在分瓣螺母的同一瓣上；捆扎绳切割器固定在分瓣螺母任一瓣的上端，切割点与捆扎绳相接触；锁定螺钉从底板中心孔穿过插入分瓣螺母的中心螺纹孔中；外壳底端面固定在底板上。上述装置还可采用记忆合金材料制成捆扎绳，省去切割器。本发明结构紧凑，具有很高的锁定与解锁可靠性。

Description

一种低冲击锁定解锁装置

技术领域

本发明属于锁定解锁技术领域，特别涉及一种可以将两结构锁定，并在通电时可以解除锁定的装置。

背景技术

锁定与解锁装置在各领域特别是航天领域有着重要的应用。例如，航天器在发射过程中需要经历较为严酷的准静态过载与振动冲击载荷，而一些刚度较低的结构，如太阳翼、天线、隔振装置等，一般无法承担这样大的载荷，为了避这些结构在发射过程中发生破坏，需要将它们与卫星本体结构锁定，入轨后再将锁定解除。

传统的锁定解锁装置通常使用爆炸螺栓实现。爆炸螺栓内部填充有火药，通电后螺栓被炸开从而实现解锁。使用爆炸螺栓实现锁定解锁的优点是可靠性高，但爆炸螺栓在通电爆炸时会产生较大的冲击与振动，不适宜在精密的有效载荷如光学相机附近使用，因此需要研制一种低冲击、高可靠的锁定解锁装置。

目前国内外有一些采用记忆合金作为执行构件的锁定解锁装置，例如梁鲁等人发明的“两级驱动的锁定解锁装置”（申请号：201020272868.4）、“一种两级冗余驱动的锁定解锁装置”（申请号：201010246318.X），闫晓军等人发明的“SMA丝驱动的连接与解锁机构”（申请号：200810119580.0），McKinnis Darin N.等人发明的“Fastening Apparatus HavingShape Memory Alloy Actuator”（美国专利：5160233）等。这些专利的基本原理结构是，锁定时采用滚柱或套筒结构对分瓣螺母进行约束，解锁时利用记忆合金的加热变形特性产生驱动力，直接或经过驱动力放大机构推动分瓣螺母的约束结构运动，从而解除对分瓣螺母的约束，实现锁定螺钉的释放。

其中美国专利：5160233公开的锁定解锁装置如图1所示。主要由锁紧螺钉01，分瓣螺母02，分瓣螺母约束套筒03和记忆合金棒04所组成。在图1（a）所示的锁定状态下，分瓣螺母约束套筒03内侧的凸台与分瓣螺母02外周的凸台相接触，实现对分瓣螺母02的约束。需要解锁时，如图1（b）所示，通电加热使记忆合金棒04伸长，推动约束套筒03向上移动，使约束套筒03内侧的凸台落入分瓣螺母02外周的凹槽中，从而释放对分瓣螺母02的约束，01锁紧螺钉可以拔出。这种机构的不足之处在于，锁紧螺钉01的轴向锁紧力会分解为使分瓣螺母02径向张开的力，并进而在约束套筒03与分瓣螺母02之间产生摩擦力。该摩擦力将直接成为解锁时推动约束套筒03的阻力。当螺钉01的预紧力达到一定数值时，将可能无法解锁。也就是说，这种锁定解锁装置的技术方案在承载能力与解锁可靠性之间存在难以克服的矛盾。另外，该机构对约束套筒03和分瓣螺母02配合面的加工精度要求非常高，间隙过大将影响锁定可靠性，间隙过小将影响解锁可靠性。

发明内容

本发明的目的是为克服现有锁定解锁技术的不足之处，提出一种低冲击锁定解锁装置，该锁定解锁装置基于分瓣螺母的基本原理，锁定时采用捆扎绳实现对分瓣螺母的约束。需要解锁时通电将捆扎绳切断或令其伸长，从而释放对分瓣螺母的约束。本发明省去了McKinnis Darin N.等相关专利中分瓣螺母约束结构及其与分瓣螺母之间的相对滑动环节，避免了承载力较大时二者之间滑动摩擦力可能大于驱动力而发生卡死、无法解锁的问题，具有结构简单，可靠性高的优点。

本发明提出的一种低冲击锁定解锁装置,该装置包括分瓣螺母及锁定螺钉，其特征在于，还包括底板、捆扎绳及其固定构件，捆扎绳切割器及其电源，以及外壳；其中，底板为中心开有圆孔的平板，分瓣螺母为圆柱形，下端面放置于底板上，其中心的螺纹孔与底板中心的圆孔同心；捆扎绳螺旋缠绕在分瓣螺母的外周，捆扎绳上、下两端分别连接固定构件，固定构件固定在分瓣螺母的同一瓣上；捆扎绳切割器固定在分瓣螺母任一瓣的上端，切割点与捆扎绳相接触；锁定螺钉从底板中心孔穿过插入分瓣螺母的中心螺纹孔中；外壳底端面固定在底板上。

本发明提出的另一种低冲击锁定解锁装置,该装置包括分瓣螺母及锁定螺钉，其特征在于，还包括底板、分瓣绝缘套、记忆合金丝、记忆合金丝上端固定构件、正极导线、记忆合金丝下端固定构件、负极导线，以及外壳；其中，底板为中心开有圆孔的平板，分瓣螺母为圆柱形，下端面放置于底板上，其中心的螺纹孔与底板中心的圆孔同心；分瓣绝缘套为圆环形，由四瓣构成，包围在分瓣螺母的外周，其外侧加工有螺旋形圆弧槽；锁定状态下螺旋缠绕在外周的记忆合金丝置于圆弧槽内；记忆合金丝上、下端分别有连接固定构件，上下固定构件分别正、负极导线相连；锁定螺钉从底板中心孔穿过插入分瓣螺母的中心螺纹孔中；外壳底端面固定在底板上。

本发明的优点：

锁定可靠性高。锁定状态采用捆扎绳捆扎的方式实现对分瓣螺母的约束。只要在分析最大承载力需求的基础上，选用合适的螺纹规格、合适的捆扎绳直径，使各结构件均有一定的强度裕量，则锁定十分可靠，各种振动与冲击载荷均不会使其发生误解锁。

解锁可靠性高。解锁时，通电将捆扎绳切断或令其伸长后，分瓣螺母的约束即得到解除从而实现锁定螺钉的释放。不存在相关专利中约束结构与分瓣螺母之间的相对滑动环节，不会出现因摩擦力过大而卡死无法解锁的情况。

附图说明

图1为美国专利（5160233）的锁定解锁装置结构示意图；其中（a）为锁定状态剖视图，（b）为解锁状态剖视图；

图2为本发明的实施例1装置的锁定状态剖视图；

图3为实施例1解锁状态剖视图；

图4为底板实施方式轴测图；

图5为分瓣螺母实施方式轴测图；

图6是锁定状态捆扎绳、固定构件以及切割器的轴测图；

图7为实施例2去除外壳后锁定状态轴测图；

图8为实施方式2分瓣绝缘套示意图；

图9为实施方式2去除外壳后解锁状态轴测图。

具体实施方式

下面结合附图及锁定解锁装置具体实施例对本发明的内容进一步说明。

所述底板位于整个锁定解锁装置的底部，作为其它零部件的安装基础；底板为矩形或其他形状的平板，中心有安装凸台。安装凸台可以为圆柱形，但不限于此。安装凸台上沿径向开有若干导向凹槽。该导向凹槽与分瓣螺母底部的导向凸台相配合，用于防止锁定螺钉拧紧时分瓣螺母与底板之间发生相对转动。底板上导向凹槽的数量与分布形式可根据需要选取，例如可以沿圆周按90度间隔分布4个，每个凹槽为沿半径方向的矩形，但不限于此。导向凹槽与导向凸台也可以分别位于分瓣螺母与底板上，实现导向功能。底板中心开有圆形通孔，其直径小于圆柱形分瓣螺母底部的导向凸台，而略大于锁定螺钉的外径，用于锁紧螺钉从底板下方向上穿入，与分瓣螺母旋合。

分瓣螺母放置于底板上，是完成对锁定螺钉锁紧与释放功能的主要零件；分瓣螺母采用金属材料制成，例如不锈钢或钛合金。分瓣螺母为圆柱形，中心开有螺纹孔，用于锁定时与锁定螺钉旋合以固定需要锁定的结构并承担外界载荷。螺纹孔的规格可根据需要选取。分瓣螺母沿通过轴线的平面切分为若干瓣，例如可三等分或四等分。分瓣螺母底面加工有导向凸台（导向凹槽），用于与底板的导向凹槽（导向凸台）配合，实现防止锁定螺钉拧紧时分瓣螺母相对于底板转动的功能。安装时分瓣螺母的底面与底板圆柱形安装凸台的上表面相接触，分瓣螺母底部的导向凸台（凹槽）嵌入底板的导向凹槽（凸台）中且两侧留有适量间隙，使分瓣螺母的每瓣均可沿径向向外侧运动，彼此分离。

捆扎绳螺旋缠绕在分瓣螺母的外周，用于锁定时对分瓣瓣螺母提供约束；需要解锁时将捆扎绳切断或令其伸长，从而释放对分瓣螺母的约束；捆扎绳可采用具有较高强度（即保证锁定时分瓣螺母的约束）的纤维材料编织而成。锁定时，捆扎绳螺旋缠绕在分瓣螺母外周，两端使用固定构件固定在分瓣螺母的某一瓣上，以提供对分瓣螺母的径向约束力。解锁时，利用切割器将捆扎绳切断，从而解除对分瓣螺母的约束，将锁定螺钉释放。

切割器可以采用电控的加热方式或机械切割方式。

外壳安装在底板上并将分瓣螺母、捆扎绳等结构包围在内，为其提供保护。

也可采用记忆合金材料制成。

此装置与上述装置不同之处是捆扎绳采用记忆合金材料制成，分瓣螺母外周增加分瓣绝缘套。分瓣绝缘套包围在分瓣螺母的周围，记忆合金丝螺旋缠绕在分瓣绝缘套上，实现对分瓣螺母的间接约束。分瓣绝缘套为圆柱形，中心开有与分瓣螺母外径相同的圆孔；分瓣绝缘套沿通过轴线的平面切分为若干瓣，数目与分瓣螺母相同，例如可三等分或四等分。分瓣绝缘套外周开有螺旋形圆弧槽，一方面用于在锁定状态定位螺旋缠绕在外周的记忆合金丝，防止其上下窜动；另一方面为记忆合金丝提供绝缘功能，防止通电时相邻的记忆合金丝之间以及记忆合金丝与分瓣螺母之间直接导通。

记忆合金丝具有形状记忆功能，在一定温度下加工成形后，室温下可以发生塑性变形。当重新恢复到成形温度时，能够恢复到加工成形时的形状。本装置中，将记忆合金丝加工为圆柱螺旋弹簧的形状，缠绕在分瓣绝缘套上，两端使用记忆合金固定构件固定于分瓣绝缘套某一瓣的上下两端，并分别引出两根导线用于通电。

外壳主体为固定在底板上的圆柱壳形结构，将分瓣螺母、分瓣绝缘套等结构包围在内，起到保护锁定解锁装置内部结构的作用。

实施例1：如图2、3所示，本实施例主要由底板11，外壳12，分瓣螺母13，捆扎绳14，捆扎绳切割器151、152，捆扎绳固定构件16和锁定螺钉17构成。其中，底板11为中心开有圆孔的平板，位于整个锁定解锁装置的底部，作为其它零部件的安装基础；分瓣螺母13为圆柱形，下端面放置于底板11上，其中心的螺纹孔与底板11中心的圆孔同心；捆扎绳14螺旋缠绕在分瓣螺母13的外周，捆扎绳14上、下两端分别利用固定构件161、162固定在分瓣螺母的同一瓣上，用于在锁定状态下对分瓣螺母13提供周向约束，使分瓣螺母13处于合扰状态；两个切割器151、152分别固定在分瓣螺母某一瓣的上端，切割点与捆扎绳14相接触，需要解锁时，切割器151、152均可将捆扎绳从各自的接触点处切断，从而释放对分瓣螺母的约束；锁定螺钉17从底板中心孔穿过插入分瓣螺母13的中心螺纹孔中；外壳12为中空、顶部封闭的圆柱形，底端面固定在底板11上，并将分瓣螺母13、捆扎绳14等结构包围在内，为其提供保护。本实施例锁定时，如图2所示：锁定螺钉17穿过被锁定结构18、19再通过底板中心孔插入分瓣螺母13的中心螺纹孔中，螺旋缠绕在分瓣螺母13的外周的捆扎绳14使分瓣螺母13处于合扰状态；再由固定构件161、162对分瓣螺母13提供周向约束，使锁定螺钉17与分瓣螺母13的中心螺纹孔螺合紧固，将被锁定物锁定。

本实施例解锁时的实施方式，如图3所示：需要解锁时，对切割器151、152通电，切割器将捆扎绳14切断，从而释放对分瓣螺母13的约束。当切割器151、152中的任意一个将捆扎绳14切断时，捆扎绳对分瓣螺母13的约束均可得到解除，从而达到双冗余的效果，提高解锁可靠性。此时分瓣螺母13在锁定螺钉17预紧力的作用下彼此分离，从而将锁定螺钉17释放，被锁定结构18、19分离，完成解锁过程。

本实施例的各部件具体实施方式及功能分别说明如下：

底板11结构如图4所示，由平板111、安装凸台112、导向凹槽113、安装孔114、外壳连接螺纹孔115构成。底板11的中心开有圆形通孔，用于穿入锁紧螺钉17。安装凸台112为圆柱形，固连在平板111的中心，用于提供分瓣螺母的安装位置；导向凹槽113为在安装凸台112上沿半径方向开的四个矩形槽，用于与分瓣螺母13底部的导向凸台配合，实现分瓣螺母圆周方向的定位，避免锁紧螺钉17旋入时，分瓣螺母13发生转动。在平板111四周角各开有一个安装孔114，用于穿过安装螺钉，与被锁紧结构18固定在一起。在平板111的两侧中部各开有一个外壳连接螺纹孔115，用于通过拧入螺钉将外壳12与底板11通过螺钉固定。

分瓣螺母13为圆柱形，其中心开有螺纹孔，并且由过轴线的平面均匀剖分为四瓣，放置在底板11的安装凸台112上，其结构如图5所示，每个分瓣由一体形成的导向凸台131、底面132、圆柱体133、剖分面134、螺纹孔135构成。其中一个分瓣的外表面上下端分别设有连接捆扎绳固定构件16的安装螺纹孔136、137。分瓣螺母13的导向凸台131嵌入底板11的导向凹槽113中，起到防止分瓣螺母13与底板11相对转动的作用。

捆扎绳14采用高强度纤维，如凯芙拉编织而成，螺旋缠绕在分瓣螺母13的外周，两端分别使用固定构件161、162固定在分瓣螺母13的某一瓣上设置的安装孔中。固定构件161、162的一种实现方式是，其一端为螺柱，另一端开有小孔，螺柱拧入分瓣螺母固定，小孔用于捆扎绳穿过并打结固定。

切割器151、152分别安装在分瓣螺母13的某一瓣的上端。如图6所示，捆扎绳缠绕时，最上方一圈依次经过两个切割器151、152的切割点。切割器可采用电热丝制成。当需要解锁时，开启电源使电热丝通电发热，其温度达到捆扎绳熔点时即可将其熔断。

实施例2：该实施例与实施例1结构基本相同，主要的不同之处在于捆扎绳采用记忆合金材料制成，省去切割器。本锁定解锁装置结构如图7所示，由底板21、外壳（隐去）、分瓣螺母22、分瓣绝缘套23、记忆合金丝24、记忆合金丝上端固定构件251、正极导线252、记忆合金丝下端固定构件261、负极导线262组成。

其中，底板21为中心开有圆孔的平板，位于整个锁定解锁装置的底部，作为其它零部件的安装基础；分瓣螺母22为圆柱形，下端面放置于底板11上，其中心的螺纹孔与底板21中心的圆孔同心；分瓣绝缘套23为空心圆柱形，且沿过轴线的平面剖分为4瓣，包围在分瓣螺母22的外周；记忆合金丝24螺旋缠绕在分瓣绝缘套23的外周，上、下两端分别利用固定构件251、261固定在分瓣绝缘套的同一瓣上，用于在锁定状态下对分瓣绝缘套23提供周向约束，并进而使分瓣螺母22处于合扰状态。正、负极导线252、262分别与记忆合金丝24的两端接通。

本实施例中其特点在于，需要解锁时，开启电源通过正、负极导线252、262对记忆合金丝24通电，记忆合金丝24发热伸长，从而释放对分瓣螺母的约束。

本实施例各部件的具体实施方式及功能分别说明如下：

底板21及分瓣螺母22的结构与实施方式1类似。

分瓣绝缘套23为圆环形，由四瓣构成，包围在分瓣螺母22的外周，其外侧加工有螺旋形圆弧槽231如图8所示。锁定状态下螺旋缠绕在外周的记忆合金丝24置于圆弧槽231内，一方面对记忆合金丝24起定位作用，防止其上下窜动；另一方面为记忆合金丝24提供绝缘功能，防止通电时相邻的记忆合金丝之间以及记忆合金丝与分瓣螺母22之间直接导通。其中一个分瓣的外表面上下端分别设有连接捆扎绳固定构件的安装螺纹孔232、233。

固定构件251、261的一种实现方式是，其一端为螺柱，另一端开有小孔。螺柱拧入分瓣绝缘套固定，记忆合金丝穿过小孔并利用焊接等方式固定。

记忆合金丝24为圆柱螺旋形，螺旋缠绕在分瓣绝缘套23的外周，其上端与下端分别通过固定构件251、261固定在分瓣绝缘套23的某一瓣上，并分别引出导线252、262。锁定解锁装置锁定状态如图7所示。此时，记忆合金丝24处于张紧状态，从而对分瓣绝缘套23提供径向约束力，使分瓣绝缘套23与分瓣螺母22均处于合拢状态。

本实施例锁定解锁装置的解锁状态如图9所示。解锁时，将导线252、262分别接至电源的正负极，电流流经记忆合金丝24并产生热量，达到特定温度（约70摄氏度）时，记忆合金丝24长度变长，释放对分瓣绝缘套23及分瓣螺母22的约束。分瓣螺母22在锁定螺钉17预紧力的作用下向四周运动，彼此分离，从而将锁紧螺钉释放。

Claims

1.一种低冲击锁定解锁装置,该装置包括分瓣螺母及锁定螺钉，其特征在于，还包括底板、捆扎绳及其固定构件，捆扎绳切割器及其电源，以及外壳；其中，底板为中心开有圆孔的平板，分瓣螺母为圆柱形，下端面放置于底板上，其中心的螺纹孔与底板中心的圆孔同心；捆扎绳螺旋缠绕在分瓣螺母的外周，捆扎绳上、下两端分别连接固定构件，固定构件固定在分瓣螺母的同一瓣上；捆扎绳切割器固定在分瓣螺母任一瓣的上端，切割点与捆扎绳相接触；锁定螺钉从底板中心孔穿过插入分瓣螺母的中心螺纹孔中；外壳底端面固定在底板上。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述底板为矩形或其他形状的平板，中心有安装凸台；安装凸台上沿径向开有若干导向凹槽或导向凸台，该导向凹槽或导向凸台与分瓣螺母底部结构相配合，用于防止锁定螺钉拧紧时分瓣螺母与底板之间发生相对转动；底板中心开有圆形通孔，用于锁紧螺钉从底板下方向上穿入，与分瓣螺母旋合。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述分瓣螺母放置于底板上，分瓣螺母为圆柱形，中心开有螺纹孔，用于锁定时与锁定螺钉旋合以固定需要锁定的结构并承担外界载荷；分瓣螺母沿通过轴线的平面切分为若干瓣，分瓣螺母底面加工有导向凸台或导向凹槽），用于与底板的结构配合，实现防止锁定螺钉拧紧时分瓣螺母相对于底板转动的功能。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述捆扎绳采用其强度保证锁定时能约束分瓣螺母的的纤维材料编织而成。

5.一种低冲击锁定解锁装置,该装置包括分瓣螺母及锁定螺钉，其特征在于，还包括底板、分瓣绝缘套、记忆合金丝、记忆合金丝上端固定构件、正极导线、记忆合金丝下端固定构件、负极导线，以及外壳；其中，底板为中心开有圆孔的平板，分瓣螺母为圆柱形，下端面放置于底板上，其中心的螺纹孔与底板中心的圆孔同心；分瓣绝缘套为圆环形，由四瓣构成，包围在分瓣螺母的外周，其外侧加工有螺旋形圆弧槽；锁定状态下螺旋缠绕在外周的记忆合金丝置于圆弧槽内；记忆合金丝上、下端分别有连接固定构件，上下固定构件分别正、负极导线相连；锁定螺钉从底板中心孔穿过插入分瓣螺母的中心螺纹孔中；外壳底端面固定在底板上。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述分瓣绝缘套为圆柱形，中心开有与分瓣螺母外径相同的圆孔；分瓣绝缘套沿通过轴线的平面切分为若干瓣，数目与分瓣螺母相同；分瓣绝缘套外周开有螺旋形圆弧槽，用于在锁定状态定位螺旋缠绕在外周的记忆合金丝，防止其上下窜动；以及为记忆合金丝提供绝缘功能，防止通电时相邻的记忆合金丝之间以及记忆合金丝与分瓣螺母之间直接导通。