CN107720591B - 一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构 - Google Patents

一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构 Download PDF

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Abstract

一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，涉及载人航天空间环境的钢丝绳卷绕机构领域；包括锁紧杆、棘爪、辅助排绳滑轮组、卷筒、涡卷弹簧、传动齿轮副、主轴、拨动轴和棘轮；主轴竖直位于卷绕机构的中部；传动齿轮副的从动齿轮套装在主轴的轴外壁；涡卷弹簧与传动齿轮副的主动齿轮同轴固定连接；且锁紧杆垂直于拨动轴设置在拨动轴的上端；棘爪垂直拨动轴设置在拨动轴的下端；卷筒套装在主轴的外壁；棘爪与棘轮配合连接；辅助排绳滑轮组环绕设置在卷筒的外侧；本发明实现了钢丝绳多层多圈有序缠绕，滑轮组结构简单，占用空间小；实现了钢丝绳卷绕机构的单向运动与双向运动两种工作模式，适应真空高低温等空间环境。

Description

一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构
技术领域
本发明涉及一种载人航天空间环境的钢丝绳卷绕机构领域，特别是一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构。
背景技术
随着我国航天技术的飞速发展和神舟飞船系列任务以及空间站建设任务的稳步进行，我国航天员将面临频繁的在轨出舱作业任务，例如出舱进行设备维修等。航天员出舱活动必备的工具之一即为安全系绳，安全系绳能够保证航天员与航天器的可靠连接。
航天员出舱使用的安全系绳分为固定长度安全绳和可伸缩安全绳(长度可调)两种，我国目前已研制出固定长度安全系绳成熟产品，但可伸缩安全绳尚无成熟产品。由于长度数米甚至更长的固定长度安全绳在空间环境中很难控制，甚至会缠绕航天员，造成航天员远距离出舱活动十分不便，因此，航天员对长度可调的安全系绳的需求越来越强烈，亟需根据我国航天任务的进度配套研制出可伸缩安全绳产品。由于可伸缩安全绳要求长度可调，即绳长在一定范围内可随航天员与绳头固定点之间的距离的变化而变化，根据航天员的位置自动调节钢丝绳长度；且多余的数米钢丝绳需有序卷绕收纳在可伸缩安全绳内部直径较小的卷绕轮上，因此，可伸缩安全绳需包含钢丝绳卷绕机构。
可伸缩安全系绳使用时直接暴露在空间环境中，则钢丝绳卷绕机构必须能够适应真空、高低温、空间辐照等苛刻的工作环境；为减小可伸缩安全绳尺寸和重量，钢丝绳卷绕机构尺寸要求较小，钢丝绳需多层多圈有序缠绕以减小缠绕所需空间；由于航天员出舱后，钢丝绳卷绕机构无法连接电缆，加之苛刻的高低温环境，钢丝绳卷绕机构无法采用电机作为动力源；同时，钢丝绳卷绕机构需考虑航天员操作的便捷性和人机工效学特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，实现了钢丝绳多层多圈有序缠绕，滑轮组结构简单，占用空间小；解决了多圈缠绕持续提供动力的问题，并实现钢丝绳卷绕机构的单向运动，适应真空高低温等空间环境。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，包括锁紧杆、棘爪、辅助排绳滑轮组、卷筒、涡卷弹簧、传动齿轮副、主轴、拨动轴、棘轮和钢丝绳；其中，主轴竖直位于卷绕机构的中部；传动齿轮副套装在主轴的轴外壁；涡卷弹簧位于主轴的一侧，且涡卷弹簧与传动齿轮副同轴固定连接；拨动轴位于主轴的另一侧，且锁紧杆垂直于拨动轴设置在拨动轴的上端；棘爪垂直于拨动轴设置在拨动轴的下端；卷筒套装在主轴的外壁；棘轮同轴固定安装在卷筒的上表面；棘爪与棘轮配合连接；辅助排绳滑轮组环绕设置在卷筒的外侧；钢丝绳缠绕在卷筒和辅助排绳滑轮组的外侧壁。
在上述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，通过拨动锁紧杆，同轴带动棘爪转动，实现棘爪与棘轮的啮合或脱开。
在上述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，当棘爪与棘轮为啮合状态时，卷筒只能进行单向放绳转动，卷绕机构只实现放绳；当棘爪与棘轮为脱开状态时，卷筒能实现双向转动，卷绕机构实现放绳、收绳的双向动作。
在上述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，所述卷绕机构还包括出绳固定装置，出绳固定装置水平位于辅助排绳滑轮组的右下侧，实现钢丝绳的平滑伸出或缩进。
在上述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，辅助排绳滑轮组包括第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮；其中，第一滑轮和第二滑轮位于卷筒的左下侧；第三滑轮和第四滑轮位于卷筒的左上侧；第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮位于卷筒的右上侧；第一滑轮的下边缘与绳固定装置的出口处位于同一水平线上；第二滑轮的左侧边缘与第三滑轮的左侧边缘位于同一竖直线上；第四滑轮的上边缘和第五滑轮的上边缘位于同一水平线上；第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮的中心位于直径为卷筒直径的圆的圆弧上；且第五滑轮的中心点与第六滑轮中心点相对于圆心的夹角为60°；第六滑轮中心点与第七滑轮的中心点相对于圆心的夹角为60°。
在上述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，所述第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮为自润滑材料；且第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮与各自所在滑轮轴采用间隙配合；第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮在回转的同时实现沿各自滑轮轴做轴向运动。
在上述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，所述的涡卷弹簧为接触型平面涡卷弹簧，涡卷弹簧的弹簧钢带采用0Cr15Ni7Mo2Al不锈钢材料。
在上述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，所述的钢丝绳卷绕机构耐受温度范围为-100～+100℃，耐真空度高于1×10-4Pa，最大载荷承受能力不小于4kN。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了特殊设计和布局的排绳滑轮组引导钢丝绳在缠绕时多层多圈有序排绳，滑轮组结构简单，可靠性高，占用空间小，无需采用复杂的钢丝绳排绳机构；
(2)本发明采用接触型平面涡卷弹簧作为动力源，利用传动齿轮副增加驱动圈数，实现卷筒对钢丝绳的多圈缠绕。采用涡卷弹簧作为动力源，无需电机提供回转驱动力矩，避免了电缆的引入，增强了航天员携带卷绕机构的机动性；
(3)本发明中接触型平面涡卷弹簧的工作圈数和齿轮副的传动比均可设计，从而使机构能实现的卷绕圈数可设计，可根据钢丝绳卷绕圈数的需求进行具体设计，适应性广泛；
(4)本发明中卷绕机构在完成钢丝绳卷绕过程中，各零件几乎无损伤，滑轮采用自润滑材料，无需额外的润滑手段，因此，该卷绕机构具有可重复使用性和长寿命的特性；
(5)本发明耐真空和高低温性能较好，无需施加热控措施；同时，能够适应大量级振动条件，具有较好地空间适应性和可靠性；
(6)本发明中卷绕机构的构型小巧，具有便于携带、操作简便等人机工效学特性；
(7)本发明设有棘齿和棘爪单向运动机构，能够实现“只能放绳不能收绳模式”和“既能放绳又能收绳模式”的切换，便于航天员在轨根据实际任务需求选择使用。
附图说明
图1为本发明滑轮组排绳、卷簧驱动的钢丝绳多层多圈卷绕机构原理图；
图2为本发明辅助排绳滑轮组分布图；
图3为本发明第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明采用接触型平面涡卷弹簧5作为动力源，接触型平面涡卷弹簧5能在占用同样体积的条件下，获得更多的工作圈数。涡卷弹簧5通过一对传动齿轮副6将回转驱动力矩传递至卷筒4上，从而带动卷筒4回转并完成卷绕钢丝绳10动作。传动齿轮副6将涡卷弹簧5驱动力矩减小，同时将有效驱动力矩范围内的驱动圈数增加。采用涡卷弹簧5作为动力源，无需电机提供回转力矩，避免了电缆的引入，增强了航天员携带的便捷性和机动性。
本发明采用辅助排绳滑轮组3引导钢丝绳10在缠绕时有序排绳。第一滑轮3-1、第二滑轮3-2、第三滑轮3-3、第四滑轮3-4、第五滑轮3-5、第六滑轮3-6和第七滑轮3-7采用自润滑材料，滑轮与滑轮轴的配合处能同时实现滑轮的回转运动和轴向移动。辅助排绳滑轮组3各滑轮分布于卷筒4圆周处，卷筒4卷绕钢丝绳10过程中，钢丝绳10带动各滑轮回转，同时钢丝绳10缠绕时圈与圈之间挤压产生的侧向力使各个滑轮在钢丝绳10卷绕的同时沿滑轮轴轴向随动，滑轮轴向随动的同时，对钢丝绳10的缠绕又起到引导作用，引导钢丝绳10有序地多层多圈缠绕在卷筒4上。
如图1所示为滑轮组排绳、卷簧驱动的钢丝绳多层多圈卷绕机构原理图，由图可知，一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：包括锁紧杆1、棘爪2、辅助排绳滑轮组3、卷筒4、涡卷弹簧5、传动齿轮副6、主轴7、拨动轴8、棘轮9和钢丝绳10；其中，主轴7竖直位于卷绕机构的中部；传动齿轮副6套装在主轴7的轴外壁；涡卷弹簧5位于主轴7的一侧，且涡卷弹簧5与传动齿轮副6同轴固定连接；拨动轴8位于主轴7的另一侧，且锁紧杆1垂直于拨动轴8设置在拨动轴8的上端；棘爪2垂直于拨动轴8设置在拨动轴8的下端；卷筒4套装在主轴7的外壁；棘轮9同轴固定安装在卷筒4的上表面；棘爪2与棘轮9配合连接；辅助排绳滑轮组3环绕设置在卷筒4的外侧；钢丝绳10缠绕在卷筒4和辅助排绳滑轮组3的外侧壁。所述的涡卷弹簧5为接触型平面涡卷弹簧，涡卷弹簧5的弹簧钢带采用0Cr15Ni7Mo2Al不锈钢材料。钢丝绳卷绕机构耐受温度范围为-100～+100℃，耐真空度高于1×10-4Pa，最大载荷承受能力不小于4kN。
通过拨动锁紧杆1，同轴带动棘爪2转动，实现棘爪2与棘轮9的啮合或脱开。当棘爪2与棘轮9为啮合状态时，卷筒4只能进行单向放绳转动，卷绕机构只实现放绳；当棘爪2与棘轮9为脱开状态时，卷筒4能实现双向转动，卷绕机构实现放绳、收绳的双向动作。
如图2所示为辅助排绳滑轮组分布图，由图可知，卷绕机构还包括绳固定装置11，绳固定装置11水平位于辅助排绳滑轮组3的右下侧，实现钢丝绳10的平滑伸出或缩进。
其中，辅助排绳滑轮组3包括第一滑轮3-1、第二滑轮3-2、第三滑轮3-3、第四滑轮3-4、第五滑轮3-5、第六滑轮3-6和第七滑轮3-7；其中，第一滑轮3-1和第二滑轮3-2位于卷筒4的左下侧；第三滑轮3-3和第四滑轮3-4位于卷筒4的左上侧；第五滑轮3-5、第六滑轮3-6和第七滑轮3-7位于卷筒4的右上侧；第一滑轮3-1的下边缘与绳固定装置11的出口处位于同一水平线上；第二滑轮3-2的左侧边缘与第三滑轮3-3的左侧边缘位于同一竖直线上；第四滑轮3-4的上边缘和第五滑轮3-5的上边缘位于同一水平线上；
如图3所示为第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮示意图，由图可知，第五滑轮3-5、第六滑轮3-6和第七滑轮3-7的中心位于直径为卷筒4直径的圆的圆弧上；且第五滑轮3-5的中心点与第六滑轮3-6中心点相对于圆心的夹角为60°；第六滑轮3-6中心点与第七滑轮3-7的中心点相对于圆心的夹角为60°。
所述第一滑轮3-1、第二滑轮3-2、第三滑轮3-3、第四滑轮3-4、第五滑轮3-5、第六滑轮3-6和第七滑轮3-7为自润滑材料；且第一滑轮3-1、第二滑轮3-2、第三滑轮3-3、第四滑轮3-4、第五滑轮3-5、第六滑轮3-6和第七滑轮3-7与各自所在滑轮轴采用间隙配合；第一滑轮3-1、第二滑轮3-2、第三滑轮3-3、第四滑轮3-4、第五滑轮3-5、第六滑轮3-6和第七滑轮3-7在回转的同时实现沿各自滑轮轴做轴向运动。
采用棘轮9和棘爪2结构实现卷绕机构单向运动功能，其中棘轮9和卷筒4采用共体设计。棘爪2与棘轮9处于啮合状态时，卷绕机构只能实现放绳动作。当外部拉力达到卷绕机构放绳所需拉力时，卷绕机构被动将钢丝绳释放。棘爪2与棘轮9处于脱开状态时，卷绕机构既能实现收绳动作，又能实现放绳动作。当外部拉力达到卷绕机构放绳所需拉力时，卷绕机构被动将钢丝绳10释放；当外部拉力小于卷绕机构放绳所需拉力时，卷绕机构主动将钢丝绳10绕至机构内部。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：包括锁紧杆(1)、棘爪(2)、辅助排绳滑轮组(3)、卷筒(4)、涡卷弹簧(5)、传动齿轮副(6)、主轴(7)、拨动轴(8)、棘轮(9)和钢丝绳(10)；其中，主轴(7)竖直位于卷绕机构的中部；传动齿轮副(6)套装在主轴(7)的轴外壁；涡卷弹簧(5)位于主轴(7)的一侧，且涡卷弹簧(5)与传动齿轮副(6)同轴固定连接；拨动轴(8)位于主轴(7)的另一侧，且锁紧杆(1)垂直于拨动轴(8)设置在拨动轴(8)的上端；棘爪(2)垂直于拨动轴(8)设置在拨动轴(8)的下端；卷筒(4)套装在主轴(7)的外壁；棘轮(9)同轴固定安装在卷筒(4)的上表面；棘爪(2)与棘轮(9)配合连接；辅助排绳滑轮组(3)环绕设置在卷筒(4)的外侧；钢丝绳(10)缠绕在卷筒(4)和辅助排绳滑轮组(3)的外侧壁。
2.根据权利要求1所述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：通过拨动锁紧杆(1)，同轴带动棘爪(2)转动，实现棘爪(2)与棘轮(9)的啮合或脱开。
3.根据权利要求2所述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：当棘爪(2)与棘轮(9)为啮合状态时，卷筒(4)只能进行单向放绳转动，卷绕机构只实现放绳；当棘爪(2)与棘轮(9)为脱开状态时，卷筒(4)能实现双向转动，卷绕机构实现放绳、收绳的双向动作。
4.根据权利要求1所述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：所述卷绕机构还包括绳固定装置(11)，绳固定装置(11)水平位于辅助排绳滑轮组(3)的右下侧，实现钢丝绳(10)的平滑伸出或缩进。
5.根据权利要求4所述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：辅助排绳滑轮组(3)包括第一滑轮(3-1)、第二滑轮(3-2)、第三滑轮(3-3)、第四滑轮(3-4)、第五滑轮(3-5)、第六滑轮(3-6)和第七滑轮(3-7)；其中，第一滑轮(3-1)和第二滑轮(3-2)位于卷筒(4)的左下侧；第三滑轮(3-3)和第四滑轮(3-4)位于卷筒(4)的左上侧；第五滑轮(3-5)、第六滑轮(3-6)和第七滑轮(3-7)位于卷筒(4)的右上侧；第一滑轮(3-1)的下边缘与绳固定装置(11)的出口处位于同一水平线上；第二滑轮(3-2)的左侧边缘与第三滑轮(3-3)的左侧边缘位于同一竖直线上；第四滑轮(3-4)的上边缘和第五滑轮(3-5)的上边缘位于同一水平线上；第五滑轮(3-5)、第六滑轮(3-6)和第七滑轮(3-7)的中心位于直径为卷筒(4)直径的圆的圆弧上；且第五滑轮(3-5)的中心点与第六滑轮(3-6)中心点相对于圆心的夹角为60°；第六滑轮(3-6)中心点与第七滑轮(3-7)的中心点相对于圆心的夹角为60°。
6.根据权利要求5所述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：所述第一滑轮(3-1)、第二滑轮(3-2)、第三滑轮(3-3)、第四滑轮(3-4)、第五滑轮(3-5)、第六滑轮(3-6)和第七滑轮(3-7)为自润滑材料；且第一滑轮(3-1)、第二滑轮(3-2)、第三滑轮(3-3)、第四滑轮(3-4)、第五滑轮(3-5)、第六滑轮(3-6)和第七滑轮(3-7)与各自所在滑轮轴采用间隙配合；第一滑轮(3-1)、第二滑轮(3-2)、第三滑轮(3-3)、第四滑轮(3-4)、第五滑轮(3-5)、第六滑轮(3-6)和第七滑轮(3-7)在回转的同时实现沿各自滑轮轴做轴向运动。
7.根据权利要求1所述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：所述的涡卷弹簧(5)为接触型平面涡卷弹簧，涡卷弹簧(5)的弹簧钢带采用0Cr15Ni7Mo2Al不锈钢材料。
8.根据权利要求1所述的一种基于滑轮组排绳的卷簧驱动式钢丝绳卷绕机构，其特征在于：所述的钢丝绳卷绕机构耐受温度范围为-100～+100℃，耐真空度高于1×10-4Pa，最大载荷承受能力不小于4kN。
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