CN108382609B - 一种sma驱动的缺口螺栓连接与分离机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，该机构采用缺口螺栓作为连接紧固件，采用SMA管作为分离的驱动元件；分离结构基板与固定结构基板通过圆锥面配合，缺口螺栓穿过SMA管和分离结构基板后，通过螺纹连接在固定结构基板上，从而连接并压紧SMA管、分离结构基板和固定结构基板；加热层通电时，SMA管受热发生相变而伸长，驱动缺口螺栓发生拉伸变形，在缺口处因应力集中而断裂，实现分离，螺栓断裂后的冲击载荷则由金属橡胶垫块吸收；加热层外的隔热层和硅胶绝缘套能减小热量的散失，使SMA管的加热和变形速度更快，机构分离时间更短。本发明释放载荷大、解锁彻底、可靠性高、抗振动和冲击能力强。

Description

一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构

技术领域

本发明涉及航天器连接－分离机构的技术领域，特别涉及一种SMA(形状记忆合金)驱动的连接与分离机构。

背景技术

航天器需要多种连接－分离机构实现连接与解锁功能，如多级运载火箭的分离、卫星或者宇宙飞船上太阳翼的展开等等。目前这种装置多为火工品螺栓(又称爆炸螺栓)和石蜡驱动器，火工品螺栓在解锁分离的过程中会造成冲击并引发污染问题，而石蜡驱动器结构复杂且操作缓慢，随着技术的发展尤其是新一代小型卫星的出现，现有技术的缺陷与急速增长的应用需求之间的矛盾日趋突出，解决该问题的一个主要焦点是应用SMA发展新型的连接－分离机构。

在利用SMA研制新型连接－分离机构方面，国内外均有了一定的进展，提出了多种依靠SMA材料尤其是SMA丝进行驱动的设计方案，如以SMA丝驱动的拔销器、SMA丝驱动的分瓣螺母大载荷释放机构，以SMA管驱动缺口螺栓的连接分离装置等。

以SMA丝驱动的连接－分离机构具有解锁载荷大、同步性好等优点，但也普遍存在如下的缺点：(1)SMA丝一般为机械拉紧或压紧，容易造成SMA丝的物理损伤，存在使用过程中SMA丝断裂的风险，可靠性低；SMA丝驱动零件之间均有摩擦作用，容易造成解锁不彻底；SMA本身的特性导致抗振动和冲击能力差。(2)依靠SMA丝收缩实现驱动，而SMA丝长度较短，使得机构的设计裕度较小，随着驱动次数的增加，SMA丝的驱动性能将发生衰减，机构的裕度会进一步降低。(3)驱动机构中没有对释放过程的精确监测和控制，不能判断SMA丝在机构内部是否发生作动，从而导致释放失败。(4)SMA丝驱动机构结构复杂，零件数量多，成本高且可靠性不易保证。(5)SMA丝驱动机构不易进行冗余设计，分离可靠性差，应用范围受限。

以SMA管驱动缺口螺栓的连接分离装置，如现有技术(CN106742082A)公开的一种皮星点式分离装置，其用形状记忆合金器件驱动切槽螺杆实现连接锁紧和分离，具有小型化、轻量化、结构简单、冲击小的优点。但同时也存在如下不足：(1)缺少对释放过程的精确监测和控制；(2)装置解锁分离后，缺少复位过程的针对性设计。

发明内容

本发明主要解决现有技术中解锁不彻底、抗振动和冲击性能差、裕度小、不能监测释放的问题，提供了一种解锁彻底、抗振动和冲击能力强、可靠性高、可监测释放的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构。

本发明采用的技术方案为：一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其包括：缺口螺栓、SMA管、加热层、隔热层、硅胶绝缘套、金属橡胶垫块、外壳、分离结构基板、固定结构基板、应变片和热敏电阻；其中，缺口螺栓的头部装有应变片，螺杆的下部带有螺纹，其螺纹以上螺杆中下部设有缺口，螺杆直径小于SMA管内径；外壳、分离结构基板通过螺栓与分离结构连接，固定结构基板通过螺栓与固定结构连接；外壳顶面的内侧粘有金属橡胶垫块；SMA管外圆柱面贴有应变片和热敏电阻，其外覆盖加热装置，由内至外依次是加热层、隔热层和硅胶绝缘套。

连接状态下，分离结构基板和固定结构基板通过圆锥面配合，缺口螺栓的螺杆部分穿过SMA管和分离结构基板后，通过螺纹连接在固定结构基板上，从而在纵向连接并压紧SMA管、分离结构基板和固定结构基板；此时，SMA管的上端面抵在缺口螺栓头部的下端面，SMA管的下端面抵在分离结构基板上，螺栓的缺口位于分离结构基板和固定结构基板配合圆锥面的分离处，缺口螺栓承受拉力。

需要分离时，对加热层通电流加热，SMA管受热后内部发生相变而沿轴向伸长，驱动缺口螺栓受拉变形，其缺口处因产生应力集中而发生断裂，使两个基板配合的圆锥面处失去约束，实现分离结构与固定结构之间的分离。

进一步的，所述机构在连接状态下，其所有自由度均被完全约束，确保在大振动、冲击载荷作用下不会有部件发生运动而导致意外分离。

进一步的，所述的缺口螺栓的头部深孔内装有应变片，能够监测螺栓的应变数值，并由数据线传递出来，在连接过程中可用于对缺口螺栓的轴向拉力进行精确控制，释放后可据此判断机构是否成功释放。

进一步的，所述缺口螺栓预紧载荷可以直接通过扳手拧紧螺栓六角头进行加载，为了保证用较小的扭矩就能加载到较大预紧力，螺栓的螺纹设计成细牙螺纹，降低加载所需的扭矩，避免因为加载扭矩过大，将螺栓从缺口处拧断。

进一步的，所述SMA管经分层处理，内层是具有形状记忆特性的SMA材料，外层是具有弹性和较高的变形抗力的弹性材料，受热时，内层SMA材料输出驱动力，带动外层弹性材料变形伸长，从而顶断缺口螺栓；冷却后，内层SMA材料的驱动力下降，逐渐低于外层弹性材料的弹性回复力，外层带动内层回复到加热前的形状，实现SMA管的自动复位。

进一步的，所述的SMA管的外圆柱面上贴有应变片，用于监测SMA管的应变，其数据线引出到硅胶绝缘套的外面，引出时数据线分出两条，实现SMA管的应变监测的冗余设计。

进一步的，SMA管外所贴的应变片，据此可以确定SMA管在驱动前压缩的应变量是否足够，在完成驱动拉断缺口螺栓后，SMA管的应变值会发生较大变化(2％～3％)，通过该应变值可以间接判断释放是否成功，给出成功释放的信号。

进一步的，所述的SMA管的外圆柱面上贴有热敏电阻，用于监测SMA管的温度，其数据线引出到硅胶绝缘套的外面，引出时数据线分出两条，实现SMA管的温度监测的冗余设计。

进一步的，SMA管外所贴的热敏电阻，其信号有三个功能：需要释放进行通电时，借助热敏电阻信号可以得到机构所处的环境温度，从而确定所需供电的电流大小，保证机构在任何环境下都能可靠释放；通电加热的过程中，通过热敏电阻信号可以实时了解SMA管及硅胶绝缘层的温度，当发现温度超出硅橡胶的耐高温度(200℃)时，及时切断供电电路，起到保护作用；完成释放后，通过监测热敏电阻信号可以判断SMA管是否冷却到常温，当其冷却到常温后，方可对其进行复位操作。

进一步的，所述加热装置由加热层、隔热层和硅胶绝缘套组成，其中隔热层和硅胶绝缘套起到隔热和绝缘的作用。

进一步的，所述的加热层分为四层，由内向外依次为内层高温硅橡胶、内层电阻加热箔、外层高温硅橡胶、外层电阻加热箔。两层电阻加热箔均是“弓”字形结构，能够在不会断裂的前提下适应SMA管的变形，两层功能相同，互为备份，任一层正常工作都能加热SMA管至触发分离，实现了冗余设计，提高了可靠性；高温硅橡胶层通过模压成型，保证高温情况下具有良好的绝缘性能，同时在加热箔随着SMA管伸长时，硅橡胶由于具有良好的弹性，不会发生撕裂。

进一步的，所述机构分离后，缺口螺栓会向外弹开，外壳内表面粘接的金属橡胶垫块能吸收缺口螺栓断裂带来的冲击，保护外壳。

本发明的原理在于：

本发明分离结构与固定结构通过各自基板的圆锥面配合，依靠一个缺口螺栓进行连接，螺栓头部深孔内的应变片可以监测其应变，应变达到一定数值时，连接完成。该缺口螺栓采用塑性材料制成，加工成缺口螺栓前，先对原材料或者尚未加工缺口的成品螺栓进行单轴拉伸预处理，达到初始屈服点以上，使其发生一定塑性变形，这样制成的缺口螺栓中会存在一定的残余应变，可保证其发生断裂所需要的变形量较小，而预制的缺口使得螺栓承受拉力时，缺口处因应力集中而成为最先断裂的部位。缺口螺栓螺杆上所套的SMA管是机构分离的驱动元件，包裹在SMA管外的加热层通电时，SMA管受热内部发生相变而沿轴向伸长，驱动缺口螺栓发生拉伸变形并从缺口处断裂，分离结构基板与固定结构基板在圆锥配合面处发生分离，缺口螺栓断裂后的冲击载荷，由外壳内所贴的金属橡胶垫块吸收。在通电分离的过程中，SMA管上所贴的应变片与热敏电阻，可以监测SMA管的应变和温度，加热层外的隔热层和硅胶绝缘套，能减小热量的散失，从而使SMA管的加热变形过程可控、速度更快，机构分离时间更短。完成释放后，SMA管的复位，可以借助SMA管外层弹性材料的弹性回复力来实现自动复位，也可以通过热敏电阻信号监测SMA管冷却到常温后，对其进行复位操作。

本发明与现有的技术相比，优势表现在以下几个方面：

(1)本发明采用了一个在螺杆上加工出缺口的缺口螺栓，其自由度被固定结构基板上的螺纹孔和SMA管完全约束，而SMA管由于加热层通电加热而伸长，驱动缺口螺栓发生拉伸变形并在缺口处因应力集中而断裂，和现有技术相比，其解锁更彻底，提高了分离的成功率和可靠性。

(2)本发明采用了两层独立的电阻加热箔来加热SMA管，需要分离时，无论哪一层电阻加热箔工作，都能触发缺口螺栓的断裂，这种冗余设计有效地提高了机构的释放可靠性。

(3)本发明的整个机构，在缺口螺栓发生断裂前，不存在未进行约束或约束不彻底的部位，固定结构基板和分离结构基板之间的圆锥面配合，具有自定心作用，使得结构能承受任何方向的振动载荷；在承受振动或冲击时，机构中不会有部件发生运动而造成连接失效，保证了良好的抗振动和冲击能力。

(4)本发明中加热装置的最外层是硅胶绝缘套，不仅可以绝缘、防止热量散失，还能有效避免外部环境对内层结构的损伤。

(5)本发明中机构内部设有应变片和热敏电阻，用于连接过程、释放过程的监测和控制，进一步提高了使用可靠性。

附图说明

图1为本发明的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构的连接状态剖视图；

图2为本发明的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构的分离状态剖视图；

图3为本发明SMA管及加热装置的剖视图；

图4为本发明SMA管分层结构的示意图；

图5为本发明加热层的展开层结构示意图；

图6本发明电阻加热箔的“弓”字形结构示意图；

图7为本发明缺口螺栓的结构示意图；

图8为本发明缺口螺栓拉伸性能曲线图；

图9为本发明SMA管外圆柱面上应变片和热敏电阻布置示意图。

附图标号说明：1.缺口螺栓；2.SMA管；3.加热层；4.隔热层；5.硅胶绝缘套；6.金属橡胶垫块；7.外壳；8.第一应变片；9.第一螺栓；10.分离结构基板；11.分离结构；12.第二螺栓；13.固定结构基板；14.固定结构；15.第二应变片；16.热敏电阻；201.SMA材料；202.弹性材料；301.内层高温硅橡胶；302.内层电阻加热箔；303.外层高温硅橡胶；304.外层电阻加热箔。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，在连接状态下，本发明的缺口螺栓1被SMA管2约束，使其不能沿轴向移动；外壳7、分离结构基板10通过第一螺栓9与分离结构11相连，固定结构基板13通过第二螺栓12与固定结构14相连；缺口螺栓1的螺杆部分穿过SMA管2和分离结构基板10后，通过螺纹连接在固定结构基板13上，从而在纵向连接并压紧SMA管2、分离结构基板10和固定结构基板13；分离结构基板10和固定结构基板13之间采用圆锥面配合，在缺口螺栓1的作用下，分离结构11和固定结构14约束在一起，保证了在承受振动及冲击载荷时，结构仍然连接紧固、可靠。

如图2所示，分离时，缺口螺栓1在缺口处断裂，分离结构基板10和固定结构基板13在其圆锥配合面处发生分离，外壳7的顶面内层所粘的金属橡胶垫块6吸收了缺口螺栓1因分离产生的冲击。

如图3～图6所示，本发明分离释放时的驱动元件是SMA管2，触发驱动元件工作的加热装置由加热层3、隔热层4和硅胶绝缘套5组成。加热层3包裹在SMA管2外，通电后可对SMA管2进行加热来触发分离；加热层3之外是隔热层4，隔热层4厚度为0.3mm，可以有效减小热量向外界散失，提高加热效率；最外层是硅胶绝缘套5，其厚度为2mm～5mm，可以保护隔热层4不会在使用过程中刮伤、磨损，同时进一步增加隔热和绝缘的效果。机构需要分离时，加热层3通电加热并通过热传导把热量传给SMA管2，SMA管2受热发生相变而伸长，从而驱动缺口螺栓1拉伸变形并在缺口处断裂，完成分离释放。

参见图4所示，本发明的SMA管2经过分层处理，由内层的SMA材料201和外层的弹性材料202组成。通电加热的过程中，内层的SMA材料201输出驱动力，带动外层的弹性材料202变形伸长，从而驱动缺口螺栓1断裂、实现分离；释放完成后，随着冷却过程中SMA管2温度的降低，SMA材料201的驱动力下降，逐渐低于弹性材料202的弹性回复力，弹性材料202带动SMA材料201回复到加热前的形状，实现SMA管2的自动复位。SMA管2分层处理的方法至少有两种：一是通过表面喷丸或表面冷挤压处理，使SMA管2外层形成纤维状微观组织，该组织不具备形状记忆效应，但具有弹性和较高的变形抗力，这样处理后的SMA管2外层为弹性材料202，内层为SMA材料201；二是制作SMA材料为内层管、普通钢材为弹性外层管的复合管，并通过过盈配合的方法装配，从而获得内层具有形状记忆特性、外层具有弹性的复合SMA管结构。

参见图5所示，加热层3设有内外两层独立的电阻加热箔，内层电阻加热箔和SMA管2之间、两层电阻加热箔之间均采用高温硅橡胶填充，由此形成具有四层结构的加热层3，由内至外依次为内层高温硅橡胶301、内层电阻加热箔302、外层高温硅橡胶303和外层电阻加热箔304。其中，内层高温硅橡胶301和外层高温硅橡胶303的厚度均为0.1mm～0.2mm，模压成型，能够保证高温下良好的绝缘性能，同时在加热箔随着SMA管2伸长时，硅橡胶由于具有良好的弹性，不会发生撕裂。

参见图6所示，电阻加热箔的特点是横向反复弯曲，弯曲方式可以采用图6中的任何一种，类似于多个“弓”字结构，这种结构变形量大，可以适应SMA管2的伸长，而保证加热箔不会断裂，内层电阻加热箔302和外层电阻加热箔304分别独立加热，互为备份，实现了加热的冗余设计，具有很高的可靠性。

如图7、8所示，本发明的缺口螺栓1是分离结构11和固定结构14之间的连接紧固件，其采用塑性材料制成，在加工前对原材料进行单轴拉伸到其初始屈服点以上，使其发生一定塑性变形，卸载后的残余应变可以保证其承受载荷能力不衰减的前提下，加载到断裂所需要的应变足够小，从而降低对SMA管2驱动应变的要求。需要指出的是，上述对螺栓原材料预拉伸来降低其断裂强度的方法，并非是唯一的，对预制缺口前的成品螺栓进行预拉伸，具有相同的效果；当然，不进行预拉伸处理，虽然会降低释放可靠性，但是也能满足某些场合的使用要求。

如图9所示，SMA管2外表面贴有第二应变片15和热敏电阻16，用于监测SMA管2的应变和温度，保证机构正常分离且材料不被损坏；第二应变片15和热敏电阻16的数据线引出到硅胶绝缘套5的外面，每条数据线均分出两条引出，实现数据监测的冗余设计。

本发明的工作过程如下：

如图1所示的是机构连接状态，此时分离结构基板10和固定结构基板13被缺口螺栓1锁紧，两个基板之间通过圆锥面配合，机构可承受各个方向上的力而不偏心；缺口螺栓1被SMA管2拉紧，承受轴向拉力，缺口螺栓头部加工有深孔，孔内沿纵向贴有第一应变片8，通过该第一应变片8的读数，可以精确控制缺口螺栓1的旋入量和轴向拉力。当需要分离时，两个独立的电路分别给内层电阻加热箔302和外层电阻加热箔304通电加热，电流的大小可根据热敏电阻16所测的机构所处环境温度来确定，隔热层4和硅胶绝缘套5起隔热和绝缘作用，减小热量散失，使得SMA管2受热后温度迅速升高，内部发生相变而伸长，拉伸缺口螺栓1使其在缺口处发生应力集中而断裂，此时固定结构基板10与分离结构基板13之间的约束消失，实现固定结构11与分离结构14分离，分离后缺口螺栓1因断裂而产生的冲击能量由金属橡胶垫块6缓冲并吸收。在通电分离的过程中，借助第二应变片15和热敏电阻16所测信号来适时切断供电电路，保护机构正常分离且材料不被损坏；根据第一应变片8的读数来判断机构是否成功释放，若分离成功则通过控制器切断供电电路，停止加热，避免因过热而烧毁硅橡胶层。完成释放后，借助SMA管的外层弹性材料202的弹性回复力，可以实现SMA管2的自动复位；当然，也可以通过热敏电阻信号监测SMA管2冷却到常温后，对其进行复位操作。

另外，可以理解，金属橡胶垫块6属于可变形阻尼弹性元件，当然也可采用公知的其它阻尼弹性元件来代替(如橡胶、蜂窝材料、负泊松比多孔材料等)；加热层3中的硅橡胶和硅胶绝缘套5属于耐高温的柔性材料，当然也可采用公知的其他耐高温的柔性材料替代。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (12)

1.一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，包括缺口螺栓(1)、SMA管(2)、加热层(3)、隔热层(4)、硅胶绝缘套(5)、金属橡胶垫块(6)、外壳(7)、第一应变片(8)、分离结构基板(10)、固定结构基板(13)、第二应变片(15)和热敏电阻(16)；其中，缺口螺栓(1)头部贴有第一应变片(8)，螺杆下部带有螺纹，螺纹以上螺杆的中下部设有缺口，螺杆直径小于SMA管(2)内径，外壳(7)和分离结构基板(10)通过螺栓连接分离结构，固定结构基板(13)通过螺栓连接固定结构，外壳(7)的顶面内侧粘有金属橡胶垫块(6)，SMA管(2)经分层处理，其内层是具有形状记忆特性的SMA材料，外层是具有弹性和较高变形抗力的弹性材料，可实现自动复位，SMA管(2)外圆柱面上贴有第二应变片(15)和热敏电阻(16)，其外依次覆盖有加热层(3)、隔热层(4)和硅胶绝缘套(5)；

连接状态下，分离结构基板(10)和固定结构基板(13)通过圆锥面配合，缺口螺栓(1)的螺杆部分穿过SMA管(2)和分离结构基板(10)后，通过螺纹连接在固定结构基板(13)上，从而在纵向连接并压紧SMA管(2)、分离结构基板(10)和固定结构基板(13)，此时，SMA管(2)的上端面抵在缺口螺栓(1)头部的下端面，SMA管(2)的下端面抵在分离结构基板(10)上，缺口螺栓(1)的缺口位于两个基板配合圆锥面的分离处，螺栓承受拉力；

需要分离时，对加热层(3)通电流加热，SMA管(2)受热内部发生相变而伸长，驱动缺口螺栓(1)受拉变形，其缺口处因产生应力集中而发生断裂，使两个基板相配合的圆锥面处失去约束，实现分离；分离后缺口螺栓(1)因断裂而产生的冲击能量由金属橡胶垫块(6)缓冲并吸收。

2.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述缺口螺栓(1)采用塑性材料，先对原材料或成品螺栓进行预拉伸处理，使其发生一定塑性变形，降低对SMA管(2)驱动应变的要求。

3.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述缺口螺栓(1)头部加工有深孔，孔内纵向贴第一应变片(8)，用于在连接过程中对缺口螺栓(1)的轴向拉力进行精确控制，并在释放后判断机构是否成功释放。

4.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，缺口螺栓(1)的螺纹设计成细牙螺纹，预紧载荷可以直接通过扳手拧紧螺栓六角头进行加载。

5.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述SMA管(2)分层处理的方法有两种，一是通过表面喷丸或表面冷挤压处理，使SMA管外层形成呈纤维状微观组织的弹性材料，二是制作SMA材料为内层管、普通钢材为外层管的复合管结构。

6.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述加热层(3)设有内外两层电阻加热箔，两层电阻加热箔独立通电加热，互为备份。

7.根据权利要求6所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述加热层(3)中的电阻加热箔，其特点是横向反复弯曲，类似于多个“弓”字结构。

8.根据权利要求6所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述加热层(3)的内层电阻加热箔和SMA管(2)之间、内外两层电阻加热箔之间，均采用高温硅橡胶填充，厚度为0.1mm～0.2mm，通过模压成型。

9.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述隔热层(4)的厚度为0.3mm。

10.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述硅胶绝缘套(5)的厚度为2mm～5mm。

11.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述第二应变片(15)的数据线，分两条引出至硅胶绝缘套(5)外，用于监测SMA管(2)的应变。

12.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述热敏电阻(16)的数据线，分两条引出至硅胶绝缘套(5)外，用于监测SMA管(2)的温度。

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