CN108240377B - 可分离连接件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可分离连接件，包括螺栓件和形状记忆合金件。其中，螺栓件用于连接固定基体和待分离体，螺栓件上设有应力薄弱区，应力薄弱区位于固定基体和待分离体之间的连接处。形状记忆合金件设置在固定基体和待分离体之间，形状记忆合金件具有第一状态和受热相变而伸展的第二状态，在第二状态下伸展以撑断应力薄弱区。使用时，将待分离体通过可分离连接件与固定基体连接，进行分离时，对形状记忆合金件加热，温度达到预定值，形状记忆合金件产生相变而伸展，在相变过程中释放相变载荷，相变载荷传递到螺栓件的应力薄弱区，超过应力薄弱区承受的最大载荷进而使螺栓件在应力薄弱区发生断裂，从而实现待分离体与固定基体分离。
Description
技术领域
本发明涉及机械机构的可分离连接件领域，具体而言，涉及一种可分离连接件。
背景技术
机械结构需要多种可分离连接件在有限空间内实现分离功能，如石油井下自动丢手、航天展开天线的分离、火箭级间分离等。传统的火工爆炸可分离连接件依靠起爆药的爆炸实现螺栓断裂分离。此种可分离连接件技术较为成熟，分离响应迅速，但结构较大、冲击污染大。
形状记忆合金(Shape Memory Alloys,)，简称SMA，是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆"效应的合金。自发现形状记忆合金以后，人们开始利用形状记忆合金制造可分离连接件。专利“Fastening apparatus having shape memory alloy actuator”(US19920882408)提出形状记忆合金柱驱动分瓣螺母的解锁机构。装配解锁机构时，分瓣螺母通过销钉连接成为有效的螺纹副，将需要分离的螺栓拧入其中；解锁时对SMA柱通电加热，SMA柱产生形变，通过驱动器将销钉剪断，分瓣螺母组成的螺纹副失效，螺栓脱出，完成分离动作。该解锁机构具有承载大、体积小、低冲击、无污染等优点，但结构复杂，所需驱动电流大。
公开号为CN1320093A的专利提出一种具有形状记忆致动器的保持及释放机构。将记忆合金丝缠绕在致动器的外端，加热时记忆合金丝收缩，带有内螺纹的圆筒分为两半，预先拧入的物体即被释放。此分离机构记忆合金丝较长，容易导致加热不均和局部过热。
公开号为CN102788537A的专利提出一种熔断SMA丝空间连接与分离机构。机构在连接状态时，分瓣螺母通过捆紧弹簧形成完整的螺纹副，并与外壳连接。SMA丝两端分别连接机构外壳和捆紧弹簧。分离时对SMA丝进行加热，SMA丝断裂，释放捆紧弹簧，分瓣螺母分开，螺栓脱出，完成分离。此分离机构解锁彻底、可靠性高、抗振动和冲击载荷能力强。但结构复杂，同步性差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种结构简单的可分离连接件。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种可分离连接件，包括螺栓件和形状记忆合金件。其中，螺栓件用于连接固定基体和待分离体，螺栓件上设有应力薄弱区，应力薄弱区位于固定基体和待分离体之间的连接处。形状记忆合金件设置在固定基体和待分离体之间，形状记忆合金件具有第一状态和受热相变而伸展的第二状态，形状记忆合金件在第二状态下伸展以撑断应力薄弱区。
进一步地，可分离连接件还包括支撑件，支撑件用于固定安装在固定基体上，支撑件的朝向待分离体的一端开设有第一安装孔，第一安装孔用于安装螺栓件和形状记忆合金件。
进一步地，第一安装孔为阶梯孔，包括相连通的大孔段和小孔段，螺栓件穿过大孔段并与小孔段配合，形状记忆合金件安装在大孔段处，形状记忆合金件在第二状态伸展，以抵推待分离体。
进一步地，螺栓件包括螺栓头和与螺栓头连接的螺栓杆，螺栓头用于安装在待分离体中，螺栓杆用于安装在固定基体中，应力薄弱区位于螺栓头和螺栓杆之间。
进一步地，形状记忆合金件为形状记忆合金环，螺栓件穿过形状记忆合金环并与小孔段配合。
进一步地，可分离连接件还包括发热件，发热件设置在支撑件上，发热件用于对形状记忆合金件进行加热。
进一步地，发热件由绝缘的碳纤维制成。
进一步地，支撑件的第一安装孔的两侧开设有过孔，用于使电源线通过与发热件连接。
进一步地，可分离连接件还包括外壳封装件，外壳封装件用于固定安装在固定基体上，外壳封装件朝向待分离体的一端开设有第二安装孔，支撑件及发热件安装在第二安装孔内。
进一步地，第二安装孔包括与待分离体靠近的发热件容纳段和与待分离体远离的支撑件安装段，支撑件的下部与支撑件安装段固定连接，发热件容纳段用于容纳发热件。
应用本发明的技术方案，使用时，将待分离体通过可分离连接件与固定基体连接，要进行分离时，对形状记忆合金件加热，温度达到预定值，形状记忆合金件产生相变而伸展。形状记忆合金件产生相变过程中释放相变载荷，相变载荷传递到螺栓件的应力薄弱区，超过应力薄弱区承受的最大载荷进而使螺栓件在应力薄弱区发生断裂，从而实现待分离体与固定基体分离。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的可分离连接件的实施例的剖视结构示意图；
图2示出了图1中的支撑件的主视示意图；
图3示出了图1中的支撑件的俯视示意图；
图4示出了图1中的外壳封装件的主视示意图；
图5示出了图1中的外壳封装件的俯视示意图；
图6示出了图1中的支撑件、外壳封装件及发热件的装配图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、固定基体；2、待分离体；10、螺栓件；20、形状记忆合金件；30、支撑件；40、发热件；50、外壳封装件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1示出了本发明的可分离连接件的实施例的结构，包括螺栓件10和形状记忆合金件20，其中，螺栓件10用于连接固定基体1和待分离体2，螺栓件10上设有应力薄弱区，应力薄弱区位于固定基体1和待分离体2之间的连接处；形状记忆合金件20设置在固定基体1和待分离体2之间，形状记忆合金件20具有第一状态和受热相变而伸展的第二状态，形状记忆合金件20在第二状态下伸展撑断应力薄弱区。使用时，将待分离体2通过可分离连接件与固定基体1连接，要进行分离时，对形状记忆合金件20加热，温度达到预定值，形状记忆合金件20产生相变而伸展。形状记忆合金件20产生相变过程中释放相变载荷，相变载荷传递到螺栓件10的应力薄弱区，超过应力薄弱区承受的最大载荷进而使螺栓件10发在应力薄弱区发生断裂，从而实现待分离体2与固定基体1分离。可选的，在安装形状记忆合金件20时，可先将其压缩5％，再连同螺栓件10连接待分离体2与固定基体1，以加大形状记忆合金件20的伸展。
可选的，本实施例的技术方案中，螺栓件10为成品件，其直径为6mm，材质为高锰钢，应力薄弱区为在该螺栓件10上加工出的切口。该切口形状为U形，其根部的圆弧半径是1mm。为了不致切口过深影响螺栓的强度，又避免深度过小难以分离，切口的深度按照式(1)确定：
式(1)σb为材料抗拉强度；Ktt为应力集中系数；Ff为断裂分离载荷。本实施例中带有双曲线切口圆柱形受拉杆件的轴向应力集中系数Ktt根据式(2)确定：
式(2)中d为螺栓件10切口处的最小直径；r为断裂螺栓切口根部的曲率半径；ν为材料泊松比。式(1)中在应力集中区域，加工粗糙度会引起结构附加应力集中。拉伸载荷下表面附加应力集中系数Ktr的半经验公式根据式(3)确定：
式(3)中，Rz为表面粗糙度参数。
本实施例中，断裂分离载荷值Ff＝4900N、螺栓件10切口根部的曲率半径r＝1mm、材料的泊松比ν＝0.3、表面粗糙度参数Rz＝0.05，计算得到螺栓件10的切口直径d＝3.50mm，该切口即为螺栓件10上的应力薄弱区。
应力薄弱区加工出来之后，再对该螺栓件10进行热处理，以实现该螺栓件10的脆性特征，有利于受拉断裂。具体的，对螺栓件10进行淬火处理。淬火温度为1050℃，加热时间为4小时，加热完毕后快速浸入淬冷介质中。淬火处理是在30℃水中将螺栓件10冷却至水温达到45℃后取出，即完成淬火处理过程。淬火处理后的螺栓件10的硬度HRC52-55，抗拉强度σb＝1200MPa。
在本实施例的技术方案中，优选摩尔分数为Ti-49.2％Ni的形状记忆合金材料来制造形状记忆合金件20。形状记忆合金在常温下为马氏体，当温度≥70℃时发生相变为奥氏体；奥氏体的相变起始温度As＝70℃，奥氏体相变终止温度Af＝110℃。因而，当形状记忆合金件20的温度上升到70℃后，形状记忆合金件20产生相变伸展，释放的相变载荷撑断螺栓件10的应力薄弱区，从而实现待分离体2与固定基体1的分离。
可选的，为保证形状记忆合金件20性能的稳定性，使用之前将形状记忆合金件20交替重复放置于0℃和150℃的环境中，使其微观晶相组织不断发生从马氏体到奥氏体再到马氏体的相变，确保形状记忆合金件20的形状记忆效应稳定。
如图2所示，在本实施例中，可分离连接件还包括支撑件30，支撑件30用于固定安装在固定基体1上，支撑件30的朝向待分离体2的一端开设有第一安装孔，第一安装孔用于安装螺栓件10和形状记忆合金件20。通过支撑件30，确保螺栓件10和形状记忆合金件20稳定安装。可选的，在本实施例的技术方案中，选用合金钢制造支撑件30。
可选的，第一安装孔为阶梯孔，包括相连通的大孔段和小孔段，螺栓件10穿过大孔段与小孔段配合，形状记忆合金件20安装在大孔段处，形状记忆合金件20在第二状态伸展抵推待分离体2。通过对形状记忆合金件20加热后其处于第二状态，产生相变并伸展，抵推待分离体2，当抵推力超过螺栓件10的应力薄弱区的承受载荷即发生断裂，从而使待分离体2脱离固定基体1。可选的，螺栓件10与小孔段螺纹连接，从而使待分离体2与固定基体1在分离之前连接子前连接在一起。
如图1所示，螺栓件10包括螺栓头和与螺栓头连接的螺栓杆，螺栓头用于安装在待分离体2中，螺栓杆用于安装在固定基体1中，应力薄弱区位于螺栓头和螺栓杆之间。在分离之前，待分离体2和固定基体1通过螺栓件10连接在一起，应力薄弱区断裂后，螺栓头与螺栓杆分离，从而实现待分离体2和固定基体1的分离。
在本实施例中，形状记忆合金件20为形状记忆合金环，螺栓件10穿过形状记忆合金环与小孔段配合。通过对形状记忆合金环加热，可使穿过形状记忆合金环的螺栓件10均匀受力，从而有利于螺栓件10的应力薄弱区整体断裂。可选的，结合螺栓件10及大孔段的尺寸，可将形状记忆合金件20制作成内径为6mm、外径为11mm、高为20.75mm的形状记忆合金环，该形状记忆合金环提供的分离载荷为15kN～20kN，大大超过螺栓件10的断裂分离载荷值Ff。
如图1所示，可分离连接件还包括发热件40，发热件40设置在支撑件30上，发热件40用于对形状记忆合金件20进行加热。为了防止直接对形状记忆合金件20加热可能产生的受热不均，本实施例的技术方案中增加了发热件40，通过对发热件40进行加热，使其热量传递到形状记忆合金件20上，从而使形状记忆合金件20整体受热，产生相变而伸展。
可选的，发热件40由绝缘的碳纤维制成。将绝缘的碳纤维束缠绕在支撑件30的第一安装孔的周向外侧壁上，通过对其进行通电，碳纤维束发热，热量传递到支撑件30上，再传递到第一安装孔中的形状记忆合金件20上，形状记忆合金件20整体受热，温度达到预定值产生相变而伸展，释放出的相变载荷使螺栓件10的应力薄弱区断裂，从而实现待分离体2与固定基体1分离。为了防止支撑件30导电，可对其表面进行绝缘涂层处理，或采用其他导热性能好的绝缘材料来制造支撑件30。可选的，在本实施例中，绝缘碳纤维的外径为2mm、电阻为18Ω/m，长度为1m，能经受200℃的高温。
经测试，本实施例的由碳纤维制成的发热件40所能提供的热量Q根据式(4)确定：
式中，W为发热线所做功；U为发热件40两端所加电压；R为发热件40的电阻径；t为加热时间。本实施例中，供电电压U＝36V，供电时间45s。
发热件40提供的温升ΔT根据式(5)确定：
式中，C为碳纤维的比热容、ρ为碳纤维的密度、a为碳纤维的内径、l为碳纤维电热线的长度。其中C＝7.12、ρ＝1600kg/m3、a＝1.6×10-3m、l＝1m。考虑到热传导损耗，带入式(5)中得到温升ΔT＝157℃，而形状记忆合金件20的相变温度70℃-110℃之间，因而发热件40的温升传递到形状记忆合金件20上时，可以满足其相变的温度要求。
可选的，如图3所示，支撑件30的第一安装孔的两侧开设有过孔，用于通过电源线。电源线通过过孔与发热件40的两端连接，形成回路，通电后，发热件40开始发热。
如图4和图5所示，可分离连接件还包括外壳封装件50，外壳封装件50用于固定安装在固定基体1上，外壳封装件50朝向待分离体2的一端开设有第二安装孔，支撑件30及发热件40安装在第二安装孔内。通过外壳封装件50，可将支撑件30及发热件40稳定固定在固定基体1中，并且外壳封装件50起到包裹作用，包裹住发热件40，减少发热件40的热量散逸。
可选的，第二安装孔包括与待分离体2靠近的发热件容纳段和与待分离体2远离的支撑件30安装段，支撑件30的下部与支撑件安装段固定连接，发热件容纳段用于容纳发热件40。如图6所示，通过第二安装孔，实现支撑件30和发热件40的稳定安装，且外壳封装件50对其他部件起到保护作用。
需要说明的是，该可分离连接件不仅适用于井下分离不同部件的需要，还能应用在其他需要分离部件的场合。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
⑴发明使用形状记忆合金件驱动螺栓件分离，相较采用分瓣螺母结构的分离装置，结构大为简化；
⑵发明中的形状记忆合金件分离装置结构紧凑，重量轻，占用空间小，为有限空间的应用提供分离条件；
⑶发明依靠形状记忆合金件的相变载荷分离螺栓件。具体断裂载荷可由螺栓件的切口尺寸设计，分离响应时间可用电流控制，扩展了本发明的可分离连接件的使用范围；
⑷发明使用采用间接加热形状记忆合金件的方法，与直接电热相比，提高了形状记忆合金件的相变稳定性，具有分离可靠性高的优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可分离连接件，其特征在于，包括：
螺栓件(10)，所述螺栓件(10)用于连接固定基体(1)和待分离体(2)，所述螺栓件(10)上设有应力薄弱区，所述应力薄弱区位于所述固定基体(1)和所述待分离体(2)之间的连接处；
形状记忆合金件(20)，所述形状记忆合金件(20)设置在所述固定基体(1)和所述待分离体(2)之间，所述形状记忆合金件(20)具有第一状态和受热相变而伸展的第二状态，所述形状记忆合金件(20)在第二状态下伸展以撑断所述应力薄弱区；
支撑件(30)，所述支撑件(30)用于固定安装在所述固定基体(1)上，所述支撑件(30)的朝向所述待分离体(2)的一端开设有第一安装孔，所述第一安装孔用于安装所述螺栓件(10)和所述形状记忆合金件(20)；
发热件(40)，所述发热件(40)设置在所述支撑件(30)上，所述发热件(40)用于对所述形状记忆合金件(20)进行加热，所述发热件(40)缠绕在所述支撑件(30)的第一安装孔的周向外侧壁上；
沿远离所述待分离体(2)的方向，所述固定基体(1)包括相连通的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段的直径大于所述第二孔段的直径，以在所述第一孔段和所述第二孔段之间形成台阶面；
所述支撑件(30)为阶梯轴，包括相连接的第一轴段和第二轴段，所述发热件(40)缠绕在所述第二轴段的外周面上，所述第一轴段位于所述第一孔段内，所述第一轴段靠近所述第二轴段的端面支撑在所述台阶面上。
2.根据权利要求1所述的可分离连接件，其特征在于，所述第一安装孔为阶梯孔，包括相连通的大孔段和小孔段，所述螺栓件(10)穿过所述大孔段并与所述小孔段配合，所述形状记忆合金件(20)安装在所述大孔段处，所述形状记忆合金件(20)在所述第二状态伸展，以抵推所述待分离体(2)。
3.根据权利要求2所述的可分离连接件，其特征在于，所述螺栓件(10)包括螺栓头和与所述螺栓头连接的螺栓杆，所述螺栓头用于安装在所述待分离体(2)中，所述螺栓杆用于安装在所述固定基体(1)中，所述应力薄弱区位于所述螺栓头和所述螺栓杆之间。
4.根据权利要求2所述的可分离连接件，其特征在于，形状记忆合金件(20)为形状记忆合金环，所述螺栓件(10)穿过所述形状记忆合金环并与所述小孔段配合。
5.根据权利要求1所述的可分离连接件，其特征在于，所述发热件(40)由绝缘的碳纤维制成。
6.根据权利要求1所述的可分离连接件，其特征在于，所述支撑件(30)的所述第一安装孔的两侧开设有过孔，用于使电源线通过与所述发热件(40)连接。
7.根据权利要求1所述的可分离连接件，其特征在于，所述可分离连接件还包括外壳封装件(50)，所述外壳封装件(50)用于固定安装在所述固定基体(1)上，所述外壳封装件(50)朝向所述待分离体(2)的一端开设有第二安装孔，所述支撑件(30)及发热件(40)安装在所述第二安装孔内。
8.根据权利要求7所述的可分离连接件，其特征在于，所述第二安装孔包括与所述待分离体(2)靠近的发热件容纳段和与所述待分离体(2)远离的支撑件(30)安装段，所述支撑件(30)的下部与所述支撑件安装段固定连接，所述发热件容纳段用于容纳所述发热件(40)。
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