CN106312909A - 一种sma丝驱动的拔销器 - Google Patents

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岳洪浩
俞正旺
杨飞
邓宗全
姜生元
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    • B25B27/00—Hand tools, specially adapted for fitting together or separating parts or objects whether or not involving some deformation, not otherwise provided for
    • B25B27/02—Hand tools, specially adapted for fitting together or separating parts or objects whether or not involving some deformation, not otherwise provided for for connecting objects by press fit or detaching same

Abstract

一种SMA丝驱动的拔销器，它涉及航天技术领域。本发明为解决现有航天器解锁机构工作时冲击大，对设备造成影响，而且污染性强、不能重复使用，同时结构复杂、成本高的问题。一种SMA丝驱动的拔销器包括销、外壳体、滑动栓、复位弹簧、驱动弹簧、SMA丝和两个限位钢珠，外壳体的内部设有销，销的下端面上垂直固接有下端板，下端板的上端面与外壳体之间设有驱动弹簧，下端板的上端设有滑动栓，上端盖的下端面与滑动栓的上端面之间设有复位弹簧，销下端的外圆周侧壁上对称设有两个球形槽，每个球形槽内分别设有一个限位钢珠，SMA丝的一端由先至后依次穿过一个斜孔、一个穿丝通孔、矩形槽、另一个穿丝通孔和另一个斜孔。本发明用于航天器解锁。

Description

一种SMA丝驱动的拔销器
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种SMA丝驱动的拔销器。
背景技术
拔销器用于从连接不同类型的结构(如空间飞行器)中释放销或其他保持元件。这种释放装置的应用包括有效载荷从空间飞行器部署中，防护碰撞紧急舱门的释放等。目前，航天器的解锁机构多为火工品螺栓和石蜡驱动器。
火工品螺栓在发射期间保护有效载荷，不解锁；发出程序指令后，能够及时、同步地在轨解锁。然而，火工品工作时会产生较大的冲击，对卫星的姿态控制和敏感设备造成很大的影响。火工品爆炸后所释放出的化学气体具有污染性，会对镜头和电子器件等精密器械造成损害。此外，从可靠性的角度讲，火工品只能使用一次，并容易受到意外点火。航天器上最终使用的火工品螺栓并不是在地面进行试验的螺栓，机构可靠性的验证方法不直接且成本巨大。这些设备产生的热量冲击和发射系统的重量给周围的结构设计造成了很大限制。
石蜡驱动器，其中融合的机械承重元件，但可承受负载较小。此外，石蜡驱动器的可循环使用次数虽然可能达到无数次，但装置复杂，昂贵且操作缓慢。
形状记忆合金丝(SMA丝)是一种智能材料，这种材料呈现一种热弹性马氏体式变化，即低于一定的转变温度时它们是柔性的，因其处于马氏体相，从而可以容易变形，当其温度上升到转变温度以上时，该材料恢复到其奥氏体相和以前的形状，并因而产生较大的应力，同样地，形状记忆合金丝在马氏体相时可以容易沿其轴向伸展并保持伸展状态，在其被加热到转变温度以上时，会沿其轴向恢复到伸展以前的状态，即收缩恢复，并产生较大的力。
发明内容
本发明为了解决现有航天器解锁机构工作时冲击大，对设备造成影响，而且污染性强、不能重复使用，同时结构复杂、成本高的问题，进而提出一种SMA丝驱动的拔销器。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种SMA丝驱动的拔销器包括销、外壳体、滑动栓、复位弹簧、驱动弹簧、SMA丝和两个限位钢珠，分离板和连接板由上至下依次水平设置，外壳体设置在连接板的下端，外壳体的上端面通过上端盖与连接板固接，外壳体的下端面固接有下端盖，外壳体的内部设有销，销的上端垂直插装在连接板和分离板上，销的下端垂直插装在外壳体的内部，销的下端面上垂直固接有下端板，下端板的上端面与外壳体之间设有驱动弹簧，下端板的上端设有滑动栓，上端盖的下端面与滑动栓的上端面之间设有复位弹簧，复位弹簧和滑动栓均套装在销的外侧，销下端的外圆周侧壁上对称设有两个球形槽，每个球形槽内分别设有一个限位钢珠，限位钢珠的上端设置在滑动栓的下端面上，限位钢珠的下端设置在外壳体上，外壳体上对称设有斜孔，滑动栓上沿轴向方向对称设有两个穿丝通孔，销上沿轴向方向设有矩形槽，矩形槽设置在滑动栓的内侧，SMA丝的一端由先至后依次穿过一个斜孔、一个穿丝通孔、矩形槽、另一个穿丝通孔和另一个斜孔，SMA丝的两端与直流电源连接。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
1、本发明响应速度快，可在几十到几百毫秒之间完成触发；
2、本发明需要能耗少，只需要较小的电流就可以触发；
3、本发明装置的尺寸小，质量轻，节省空间；装置负载大；
4、本发明装置低振动、无污染，可重复使用；
5、本发明结构简单，使用便捷，生产成本低。
附图说明
图1是本发明在锁紧状态下的整体结构示意图；
图2是本发明在释放状态下的整体结构示意图；
图3是本发明中SMA丝12在触发前后的位移变化图，其中实线部分表示锁紧状态下SMA丝12的位置，虚线部分表示释放状态下SMA丝12的位置；
图4是本发明中SMA丝12的受力分析图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种SMA丝驱动的拔销器包括销1、外壳体6、滑动栓7、复位弹簧5、驱动弹簧8、SMA丝12和两个限位钢珠9，分离板2和连接板3由上至下依次水平设置，外壳体6设置在连接板3的下端，外壳体6的上端面通过上端盖4与连接板3固接，外壳体6的下端面固接有下端盖10，外壳体6的内部设有销1，销1的上端垂直插装在连接板3和分离板2上，销1的下端垂直插装在外壳体6的内部，销1的下端面上垂直固接有下端板1-1，下端板1-1的上端面与外壳体6之间设有驱动弹簧8，下端板1-1的上端设有滑动栓7，上端盖4的下端面与滑动栓7的上端面之间设有复位弹簧5，复位弹簧5和滑动栓7均套装在销1的外侧，销1下端的外圆周侧壁上对称设有两个球形槽1-3，每个球形槽1-3内分别设有一个限位钢珠9，限位钢珠9的上端设置在滑动栓7的下端面上，限位钢珠9的下端设置在外壳体6上，外壳体6上对称设有斜孔6-1，滑动栓7上沿轴向方向对称设有两个穿丝通孔7-1，销1上沿轴向方向设有矩形槽1-2，矩形槽1-2设置在滑动栓7的内侧，SMA丝12的一端由先至后依次穿过一个斜孔6-1、一个穿丝通孔7-1、矩形槽1-2、另一个穿丝通孔7-1和另一个斜孔6-1，SMA丝12的两端与直流电源11连接。
锁紧状态下装置的分离板2受到横向的作用力F，由于销1的作用，分离板2处于固定的状态，由此可见，销1主要承受的是横向剪力。
利用直流电源11对SMA丝12进行通电加热，SMA丝12进行收缩(形状记忆合金的英文为shape memory alloy，简称SMA，SMA在低于其相变温度时，通常为85℃，SMA经过预拉伸会变长，最大拉伸率根据丝径的不同而有所不同。当SMA丝12的温度高于相变温度之后，SMA丝12会回缩到对其进行预拉伸之前的长度，回缩过程中还会产生应力，称之为回缩力)。由于SMA丝12的回缩，拉动滑动栓7沿轴向向上运动，解除限位钢珠9对销1的轴向约束，由驱动弹簧8带动销1沿轴向向下运动，完成销1的拔出过程即完成释放状态。
释放状态时，驱动弹簧8依然处于轻度压缩状态，防止销1在碰撞到下端盖10上之后由于下端盖对销1的反作用力使其回弹。
装置的复位过程，通过工装使销1克服驱动弹簧8的压缩力上升，当销1回到装置锁紧状态的位置后，不再通电受热的SMA丝12在复位弹簧5的压缩力作用下又拉伸到室温(或者低于其相变温度)下预拉伸之后的长度，同时，复位弹簧5下压滑动栓7，使限位钢珠9滑落到销1的球形凹槽中，由此完成复位过程即进入锁紧状态。
锁紧状态时，驱动弹簧8处于压缩状态，驱动弹簧8所储藏的能量即为该装置的驱动力指标。在该装置的可承受载荷范围内，可根据不同驱动力要求更换驱动弹簧8，而不用更换作为触发作用的SMA丝12。复位弹簧5也处于压缩状态，复位弹簧5处于压缩状态还可以使装置不会因为振动等外界因素而可能造成的误触发，但是复位弹簧5的压缩力不能太大，应该小于SMA丝12所能提供的轴向力与可靠裕度的乘积。SMA丝12此时应该处于绷紧状态，最大程度上保证丝的回缩力全部作用在滑动栓7上。矩形槽1-2的设置使SMA丝可以穿过销1，并且销1在轴向上运动的时候不会影响到穿过的SMA丝12。销1上设有球形槽1-3，限位钢珠9对销1的作用力也作用在该球形槽1-3的槽面上，以限制销1的轴向位移。下端板1-1的下端面到下端盖10的上端面的距离，同时也是驱动弹簧8的回复位移，也是销1的动作行程。
该装置可以在极短的时间(几十到几百毫秒)内完成拔销的动作，从而完成载荷的释放。简单的复位方式使得装置更方便使用，也有利于装置的试验。
具体实施方式二：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述外壳体6的下端面上设有定位凹槽6-3，下端盖10设置在定位凹槽6-3的槽口，定位凹槽6-3槽底的中部设有销通孔6-4，外壳体6的上端面上设有U形槽6-5，销通孔6-4与U形槽6-5的槽底相贯通，销1插装在销通孔6-4和U形槽6-5内，复位弹簧5、滑动栓7和两个限位钢珠9均设置在U形槽6-5内，限位钢珠9的下端设置在U形槽6-5的弧形面上。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
如此设计可以根据需要改变连接框架1的形状及尺寸，形状要求对称，便于制作，同时具有一定的强度，能够保证接头承载力。
具体实施方式三：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述定位凹槽6-3槽底的边缘沿圆周方向设有环形槽6-6，驱动弹簧8设置在环形槽6-6内，驱动弹簧8的一端设置在环形槽6-6的槽底，驱动弹簧8的另一端设置在下端板1-1的上端面。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
如此设计可以驱动弹簧8的有效定位。
具体实施方式四：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述连接板3与上端盖4、上端盖4与外壳体6和下端盖10与外壳体6之间均为螺钉连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述下端盖10的上端面上设有缓冲垫。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。
如此设计缓冲垫可以减缓销1被拔出时的冲击力，同时也起到销1在拔出后的限位作用。
具体实施方式六：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述外壳体6的上端沿圆周方向设有环形凹槽6-2。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
如此设计在环形凹槽6-2内对SMA丝12进行固定和预紧，同时也进行导线的布置。
具体实施方式七：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述穿丝通孔7-1两端的边缘均设有圆倒角。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式六相同。
如此设计为了避免SMA丝12出现应力集中而发生断裂。
具体实施方式八：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述销1上端面的中部垂直设有螺纹孔1-4。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五、六或七相同。
如此设计便于销1的安装和复位，利用工具旋装到销1上的螺纹孔1-4中，将销1向上提拉，完成安装和复位。
具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述SMA丝12的形状为“V”字形。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式八相同。
SMA丝12呈V型的布置方式也有利于充分发挥SMA丝12的作用。为有效的提供滑动栓7的轴向作用力，SMA丝12在滑动栓7与外壳体6之间的部分和轴向距离、径向距离组成一个假想的直角三角形，其中SMA丝12组成该三角形的斜边。在常温状态下，即装置触发前，SMA丝12的斜边长为t1，直角边a1表示SMA丝12在滑动栓7上的作用点到SMA丝12在外壳体6上的作用点的轴向距离，另一直角边b表示SMA丝12在外壳体6上的作用点到SMA丝12在滑动栓7上的作用点的径向距离，并且b为常量。在达到相变温度之后，SMA丝12长将缩短到预拉伸之前的长度t2，SMA丝12在滑动栓7上的作用点到SMA丝12在外壳体6上的作用点的轴向距离缩短为a2此时，该假想直角三角形的斜边长度将变短，根据勾股定理可以求出在轴向上的距离变化Δa，该距离也是SMA丝12所能提供的触发位移量。为保证顺利触发，Δa应该大于能够解除滑动栓7对限位钢珠9约束的最小轴向位移与可靠裕度的乘积。
其中倾斜角度θ越小时，SMA丝12越近似于垂直方向，SMA丝12在轴向上的分力也就越大，反之越小。经过计算，能够引起触发的倾斜角度θ范围应该在15°到67°之间。
通过改变SMA丝12的倾斜角度θ或者斜孔6-1的竖直距离a，都可以改变SMA丝12作用在滑动栓上垂直方向上的力F0的大小。由于整个SMA丝12的收缩都集中在t1上，所以增长或者缩短a的长度可以相应的增大和减小Δa的倍增系数。
当SMA丝12带动滑动栓7上移，其倾斜角度θ越来越小，作用在滑动栓7上的力也越来越小。但在收缩过程中，F0要始终大于复位弹簧5的压缩力。

Claims (9)

1.一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述一种SMA丝驱动的拔销器包括销(1)、外壳体(6)、滑动栓(7)、复位弹簧(5)、驱动弹簧(8)、SMA丝(12)和两个限位钢珠(9)，分离板(2)和连接板(3)由上至下依次水平设置，外壳体(6)设置在连接板(3)的下端，外壳体(6)的上端面通过上端盖(4)与连接板(3)固接，外壳体(6)的下端面固接有下端盖(10)，外壳体(6)的内部设有销(1)，销(1)的上端垂直插装在连接板(3)和分离板(2)上，销(1)的下端垂直插装在外壳体(6)的内部，销(1)的下端面上垂直固接有下端板(1-1)，下端板(1-1)的上端面与外壳体(6)之间设有驱动弹簧(8)，下端板(1-1)的上端设有滑动栓(7)，上端盖(4)的下端面与滑动栓(7)的上端面之间设有复位弹簧(5)，复位弹簧(5)和滑动栓(7)均套装在销(1)的外侧，销(1)下端的外圆周侧壁上对称设有两个球形槽(1-3)，每个球形槽(1-3)内分别设有一个限位钢珠(9)，限位钢珠(9)的上端设置在滑动栓(7)的下端面上，限位钢珠(9)的下端设置在外壳体(6)上，外壳体(6)上对称设有斜孔(6-1)，滑动栓(7)上沿轴向方向对称设有两个穿丝通孔(7-1)，销(1)上沿轴向方向设有矩形槽(1-2)，矩形槽(1-2)设置在滑动栓(7)的内侧，SMA丝(12)的一端由先至后依次穿过一个斜孔(6-1)、一个穿丝通孔(7-1)、矩形槽(1-2)、另一个穿丝通孔(7-1)和另一个斜孔(6-1)，SMA丝(12)的两端与直流电源(11)连接。
2.根据权利要求1所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述外壳体(6)的下端面上设有定位凹槽(6-3)，下端盖(10)设置在定位凹槽(6-3)的槽口，定位凹槽(6-3)槽底的中部设有销通孔(6-4)，外壳体(6)的上端面上设有U形槽(6-5)，销通孔(6-4)与U形槽(6-5)的槽底相贯通，销(1)插装在销通孔(6-4)和U形槽(6-5)内，复位弹簧(5)、滑动栓(7)和两个限位钢珠(9)均设置在U形槽(6-5)内，限位钢珠(9)的下端设置在U形槽(6-5)的弧形面上。
3.根据权利要求2所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述定位凹槽(6-3)槽底的边缘沿圆周方向设有环形槽(6-6)，驱动弹簧(8)设置在环形槽(6-6)内，驱动弹簧(8)的一端设置在环形槽(6-6)的槽底，驱动弹簧(8)的另一端设置在下端板(1-1)的上端面。
4.根据权利要求1、2或3所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述连接板(3)与上端盖(4)、上端盖(4)与外壳体(6)和下端盖(10)与外壳体(6)之间均为螺钉连接。
5.根据权利要求4所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述下端盖(10)的上端面上设有缓冲垫。
6.根据权利要求5所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述外壳体(6)的上端沿圆周方向设有环形凹槽(6-2)。
7.根据权利要求6所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述穿丝通孔(7-1)两端的边缘均设有圆倒角。
8.根据权利要求5、6或7所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述销(1)上端面的中部垂直设有螺纹孔(1-4)。
9.根据权利要求8所述一种SMA丝驱动的拔销器，其特征在于：所述SMA丝(12)的形状为“V”字形。
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