CN109398761B - 基于形状记忆合金触发的连接解锁机构 - Google Patents
基于形状记忆合金触发的连接解锁机构 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，包括记忆合金触发机构组件、若干锁紧装置组件等；记忆合金触发机构组件、锁紧装置组件、预紧弹簧组件和导向轮安装在连接解锁机构安装结构上，联动绳索通过导向轮依次连接记忆合金触发机构组件、若干锁紧装置组件和预紧弹簧组件；在通电情况下，利用记忆合金丝收缩力或位移，触动形状记忆合金触发机构组件解锁，在预紧弹簧组件的弹簧预紧力作用下，联动绳索牵动每个锁紧装置组件实现联动解锁。本发明解决了传统太阳桨式帆板或其他展开体在解锁释放过程中产生的冲击和污染问题，而且可重复使用、释放速度快、功耗低、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种连接解锁机构。
背景技术
随着近年来众多学者和工程师们对形状记忆效应的不断深入探索，形状记忆合金已发展成为一类具有实用价值的功能材料，目前广泛应用于航空航天、微电子机械驱动系统、生物医疗、楼宇建筑以及生活用品等方面。在航天领域的应用中，形状记忆合金常用于分离或展开机构上，为设备提供驱动力或触发力。例如，当卫星入轨后，形状记忆合金在太阳光的辐射下，随着温度的升高而驱动，具有记忆功能的折叠的卫星天线展开，并最终形成为预定的抛物面形状。
传统的太阳帆板、天线或其它附件的解锁机构，一般遵循“强连接、强解锁”的设计理念，多采用基于火工装置的解锁机构来实现抵御力学环境冲击和空间解锁功能。这一类解锁机构往往存在结构复杂、体积大、质量大，火工冲击载荷大，成本高，且只能使用一次，可靠性难以验证等问题，不适用于体积小、冲击敏感的小型卫星太阳帆板机构的解锁释放。
传统火工装置存在的安全性差，瞬时冲击大，不能重复使用等方面缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提出了基于形状记忆合金触发释放、多点绳索联动、集中解锁的连接解锁机构，解决了传统太阳桨式帆板或其他展开体(一个或多个)在解锁释放过程中产生的冲击和污染问题，而且可重复使用、释放速度快、功耗低、可靠性高。
本发明所采用的技术方案是：一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，包括记忆合金触发机构组件、若干锁紧装置组件、预紧弹簧组件、联动绳索及导向轮；记忆合金触发机构组件、锁紧装置组件、预紧弹簧组件和导向轮安装在连接解锁机构安装结构上，联动绳索通过导向轮依次连接记忆合金触发机构组件、若干锁紧装置组件和预紧弹簧组件；在通电情况下，利用记忆合金丝收缩力或位移，触动形状记忆合金触发机构组件解锁，在预紧弹簧组件的弹簧预紧力作用下，联动绳索牵动每个锁紧装置组件实现联动解锁。
所述记忆合金触发机构组件包括记忆合金丝、触发销、锁紧瓣、释放销、绝缘导向轮、记忆合金丝压板、锁紧瓣转轴；触发销穿过小弹簧，利用小弹簧回复力约束触发销的自由运动，一对绝缘导向轮安装在触发销一端，一对锁紧瓣和记忆合金丝压板安装在触发销另一端，一对绝缘导向轮和一对锁紧瓣均关于触发销轴线对称；记忆合金丝穿过触发销端面小孔，两端分别经两侧的绝缘导向轮导向后压在记忆合金丝压板两端的下方；锁紧瓣关于锁紧瓣转轴转动，初始状态下，锁紧瓣两端分别夹紧触发销端部和释放销端部，释放销沿其支撑结构的安装孔移动；释放销另一端与联动绳索连接；记忆合金丝两端与相应的正负供电导线的连接，记忆合金丝在通电情况下收缩，拉动触发销脱离锁紧瓣，解除锁紧瓣对释放销的约束。
所述锁紧装置组件包括锁紧销、板簧、压紧板、半球头锁紧轴、压紧板转轴、锁紧装置底座；压紧板与锁紧装置底座通过板簧、压紧板转轴连接，锁紧销安装在锁紧装置底座的安装孔内，半球头锁紧轴的球头安装在压紧板、锁紧装置底座之间，联动绳索穿过锁紧销沿轴线的中心孔后，从锁紧装置底座一侧穿出，初始状态下，联动绳索拉动锁紧销，锁紧销端部插入压紧板端部的环形结构，使得压紧板压紧半球头锁紧轴，压紧板端部的环形结构开有缺口，联动绳索从缺口嵌入压紧板端部的环形结构内；解锁时，释放销被释放后，在弹簧预紧力作用下，释放销与每个锁紧销随联动绳索运动，各锁紧销脱离压紧板端部的环形结构，压紧板在板簧的作用下弹开，松开半球头锁紧轴，实现联动解锁。
所述预紧弹簧组件包括预紧轴、弹簧底座、弹簧、调节螺母，预紧轴一端安装调节螺母，另一端穿过弹簧和弹簧底座后，与联动绳索连接，弹簧位于弹簧底座和调节螺母之间，初始状态下，弹簧处于压缩状态。
所述记忆合金丝材料为NI-TI基记忆合金丝。
所述记忆合金丝的长度为150mm，直径为0.3mm，变形量为6mm～15mm。
所述联动绳索的材料为凯夫拉绳或钢丝绳。
所述锁紧装置底座、弹簧底座和压紧板的材料为硬铝合金。
所述触发销与记忆合金丝连接处、绝缘导向轮、记忆合金丝压板材料为聚酰亚胺或高温陶瓷。
所述的基于形状记忆合金触发的连接解锁机构的锁定方法，包括如下步骤：
步骤一、解除锁紧瓣对释放销的约束，在预紧弹簧作用下多个锁紧销随联动绳索移动，释放压紧板；
步骤二、将每个半球头锁紧轴分别与对应的展开体进行连接，在半球头锁紧轴与展开体的锁紧端的对侧设置回转轴、扭簧或其他储能元件；
步骤三、收拢展开体，将各半球头锁紧轴轴端安装在压紧板和锁紧装置底座之间，压平锁紧装置压紧板并临时固定；
步骤四、从调节螺母侧压缩弹簧，使用锁紧瓣夹紧释放销，拉动联动绳索带动所有锁紧销穿过压紧板端部的环形结构；
步骤五、将触发销在小弹簧或外力的作用下卡入锁紧瓣另一侧，实现对释放销的锁紧。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可应用在空间紧凑的太阳桨式帆板或其他展开体(一个或多个)的连接解锁机构设计中，具有冲击小、功耗低、可靠性高、解锁同步性好及可重复使用的优点。
(2)本发明针对可展开帆板的空间低冲击释放的技术要求，基于形状记忆合金随温度升高缓慢变形的特性，提出了采用形状记忆合金作为触发器的连接解锁机构。此发明将在两个阶段分别可靠实施连接和解锁功能：在发射阶段，此发明可实现太阳帆板或其他空间展开设备与航天器或卫星本体的可靠连接；在到达预定空间后，对连接解锁装置进行通电，形状记忆合金丝随温度升高而收缩变形，进而在轴向产生位移，解除对锁紧机构的结构约束，触发弹簧的预紧力作为解锁的动力。四个或多个锁紧点通过一根绳索串联实现联动，在弹簧力的作用下拉动锁紧销轴实现四点或多点同时解锁释放。本发明减小了解锁释放过程中的冲击，并消除了火工品的污染问题，具备速度快、功耗低、可靠性高和可重复使用的优点。
(3)本发明通过集中触发、单点解锁的设计思想简化了连接解锁机构的系统方案，可根据安装空间，布局触发机构、绳索机构、锁紧装置的位置，提高该方案的灵活性，适应性和小型化。同时，多点锁紧与绳索固定的串联连接设计提高了解锁的可靠性及同步性。
附图说明
图1是本发明中基于形状记忆合金触发的连接解锁机构系统的示意图；
图2(a)是本发明中形状记忆合金丝触发机构的解锁状态；
图2(b)是本发明中形状记忆合金丝触发机构的释放状态；
图3是本发明中与展开体连接的锁紧装置组件的示意图；
图4是本发明中预紧弹簧组件的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
1)基于形状记忆合金触发的连接解锁机构的组成
基于形状记忆合金触发的连接解锁机构由记忆合金触发机构组件1、锁紧装置组件3、预紧弹簧组件5、联动绳索4及导向轮2等零部件组成，如图1所示。
记忆合金触发机构组件1、锁紧装置组件3、预紧弹簧组件5和导向轮2安装在连接解锁机构安装结构7上，联动绳索4通过导向轮2依次连接记忆合金触发机构组件1、若干锁紧装置组件3和预紧弹簧组件5；在通电情况下，利用记忆合金丝8收缩力或位移，触动形状记忆合金触发机构组件1解锁，在预紧弹簧组件5的弹簧预紧力作用下，联动绳索4牵动每个锁紧装置组件3实现联动解锁。
记忆合金触发机构组件1包括壳体、记忆合金丝8、触发销9、锁紧瓣10、释放销11、绝缘导向轮12、记忆合金丝压板13、锁紧瓣转轴14，如图2所示。触发销9穿过小弹簧和壳体，利用小弹簧回复力和壳体约束触发销9的自由运动，一对绝缘导向轮12安装在触发销9一端，一对锁紧瓣10和记忆合金丝压板13安装在触发销9另一端，一对绝缘导向轮12和一对锁紧瓣10均关于触发销9轴线对称，绝缘导向轮12和锁紧瓣10分别安装在记忆合金触发机构组件1壳体上；记忆合金丝8穿过触发销9端面小孔，两端分别经两侧的绝缘导向轮12导向后压在记忆合金丝压板13两端的下方；锁紧瓣10关于锁紧瓣转轴14转动，初始状态下，锁紧瓣10两端分别夹紧触发销9端部和释放销11端部，释放销11沿其支撑结构的安装孔移动；释放销11另一端与联动绳索4连接；记忆合金丝8两端与相应的正负供电导线的连接，记忆合金丝8在通电情况下收缩，拉动触发销9脱离锁紧瓣10，解除锁紧瓣10对释放销11的约束。
锁紧装置组件3包括锁紧销15、压紧板16、板簧、半球头锁紧轴17、压紧板转轴18、锁紧装置底座19，见附图3。压紧板16与锁紧装置底座19通过板簧、压紧板转轴18连接，锁紧销15安装在锁紧装置底座19的安装孔内，半球头锁紧轴17的球头安装在压紧板16、锁紧装置底座19之间，联动绳索4穿过锁紧销15沿轴线的中心孔后，从锁紧装置底座19一侧穿出，初始状态下，联动绳索4拉动锁紧销15，锁紧销15端部插入压紧板16端部的环形结构，使得压紧板16压紧半球头锁紧轴17，压紧板16端部的环形结构开有缺口，联动绳索4从缺口嵌入压紧板16端部的环形结构内；解锁时，释放销11被释放后，在弹簧22预紧力作用下，释放销11与每个锁紧销15随联动绳索4运动，各锁紧销15脱离压紧板16端部的环形结构，压紧板16在板簧的作用下弹开，松开半球头锁紧轴17，实现联动解锁。
预紧弹簧组件5包括预紧轴20、弹簧底座21、弹簧22、调节螺母23，见附图4。预紧轴20一端安装调节螺母23，另一端穿过弹簧22和弹簧底座21后，与联动绳索4连接，弹簧22位于弹簧底座21和调节螺母23之间，初始状态下，弹簧22处于压缩状态。
记忆合金丝8材料一般选用高温Ni-Ti合金丝，壳体、锁紧装置底座19、弹簧底座21和压紧板16的压紧板材料一般为硬铝合金。触发销9主体、锁紧瓣10、释放销11、锁紧瓣转轴14、锁紧销15、压紧板16、半球头锁紧轴17、压紧板转轴18和预紧轴20材料一般为高强度结构钢。触发销9与记忆合金丝8连接处、绝缘导向轮12、记忆合金丝压板13材料一般为聚酰亚胺或高温陶瓷。压紧板16的板簧、弹簧22材料一般为弹簧钢。联动绳索4材料一般为凯夫拉绳或钢丝绳。
2)记忆合金丝选型及触发原理
根据供电接口要求，结合记忆合金丝的随温度升高变形特性，进行记忆合金丝8的选型(涉及长度、直径、形变量及力)，例如本方案采用的记忆合金丝材料为NI-TI基记忆合金丝，长度150mm，直径0.3mm，变形量为6mm～15mm，变形力约30N。
应用合金丝形状记忆效应，通电时利用自身阻值发热使其产生一定的力或位移，记忆合金丝8收缩拉动触发销9移动，当记忆合金丝8收缩变形量大于触发销9与记忆合金触发机构组件1壳体的重合尺寸时，锁紧瓣10的结构约束被解除，见附图2。断电冷却后记忆合金丝8恢复至收缩前长度，重新恢复触发销9与锁紧瓣10的安装，实现锁紧瓣10的再次约束锁定。通过对记忆合金丝8电流的通断可以实现记忆合金触发机构组件1的重复使用。
附图2中可并联设计2个或多个记忆合金丝8，每个记忆合金丝8均与触发销9连接，任意一个、两个或多个记忆合金丝8工作均可以使得锁紧瓣10的结构约束解除，解决了传统分离装置无法实现冗余设计的问题。
3)基于形状记忆合金触发的连接解锁机构的安装过程如下：
a)记忆合金触发机构组件1的组装顺序：触发销9依次穿过小弹簧、记忆合金触发机构组件1的壳体进行安装，利用小弹簧回复力和壳体的结构来约束触发销9的自由运动；两侧的绝缘导向轮12和锁紧瓣10分别安装在记忆合金触发机构组件1壳体上。每根记忆合金丝8穿过触发销9端面小孔，经两侧绝缘导向轮12导向后压在记忆合金丝压板13下方，调整记忆合金丝8至合适的松紧程度，以触发销9在记忆合金丝8之间没有空行程为宜；释放销11由内向外穿过记忆合金触发机构组件1壳体的销孔进行安装。
b)锁紧装置组件3的组装顺序：压紧板16与锁紧装置底座19通过压紧板转轴18连接。
c)预紧弹簧组件5的组装顺序为：预紧轴20一端安装调节螺母23，依次穿过弹簧22、弹簧底座21进行安装。
d)记忆合金触发机构组件1、锁紧装置组件3、预紧弹簧组件5、导向轮2与连接解锁机构安装结构7连接。其中导向轮2的数量由帆板6个数及联动绳索4路径确定，原则上需保证释放销11或锁紧销15运动方向与同段联动绳索4受力方向重合。
e)锁紧瓣10的一侧夹紧释放销11，另一侧夹住触发销9，实现对释放销11的锁紧。取一段长度适中的联动绳索4，其一端穿入释放销11孔并通过顶丝固定，另一端依次绕导向轮2，穿过锁紧销15、锁紧装置底座19的锁紧销孔及绳索孔，最后穿过预紧轴20上绳索孔，调整每个锁紧销15在绳索的位置调整好的依据为：联动绳索4拉紧并压平压紧板16时，锁紧销15端面与压紧板16端面齐平，分别通过顶丝与锁紧销15、预紧轴20固定；待位置调整合适后，在距调节螺母23端面约10mm处剪断联动绳索4。其中锁紧装置组件3的数量由展开体(如帆板6)的个数确定。
f)每个半球头锁紧轴17分别与对应的展开体(如帆板6)进行连接。一般在锁紧端的对侧设置回转轴，锁紧点解除锁定时在扭簧或其他储能元件的作用下展开。
g)半球头锁紧轴17与展开体(如帆板6)收拢贴紧至连接解锁机构安装结构7的侧面，压平锁紧装置压紧板16并临时固定；从调节螺母23侧通过外力或使用压紧工装将预紧弹簧组件5压缩一定行程。锁紧瓣10夹紧释放销11，拉动联动绳索4带动所有锁紧销15穿过对应锁紧装置底座19、压紧板16的销孔，至与压紧板16端面重合，在锁紧瓣10两侧施加外力使其绕锁紧瓣转轴14锁紧释放销11的同时，将触发销9在小弹簧或外力的作用下卡入锁紧瓣10另一侧，并调整重合尺寸，触发销9约束锁紧瓣10的转动，实现对释放销11的锁紧，如附图2(a)所示，再次调节每根记忆合金丝8的拉紧程度。其中触发销9与锁紧瓣10重合尺寸的确定由记忆合金丝8的收缩量确定，原则上收缩量应大于上述重合尺寸，例如本方案触发销9与锁紧瓣10重合尺寸为2mm，记忆合金丝8的形变量为6mm～15mm，形变能力满足解锁位移要求。
h)通过调节螺母23调整弹簧22的预紧力，解除对锁紧瓣10、预紧弹簧组件5的夹紧或压紧，安装记忆合金触发机构1保护盖。
i)完成每根记忆合金丝8两端与相应的正负供电导线的连接，基于形状记忆合金触发的连接解锁机构安装完成。
5)基于形状记忆合金触发的连接解锁机构的工作过程
基于形状记忆合金触发的连接解锁机构安装好后，帆板6或其他展开体与航天器或卫星本体以收拢、折叠的状态稳定的连接、锁定。当对此连接解锁机构进行短时通电时，记忆合金丝8在自身阻值的作用下，将电能转化成热能，随温度升高记忆合金丝8收缩变形，产生位移(任意一个、两个或多个记忆合金丝8工作均可)，拉动触发销9解除对锁紧瓣10的结构约束，同时释放销11的结构约束亦解除，如附图2(b)所示。在弹簧22预紧力作用下，通过联动绳索4同时拉动每个锁紧销15、释放销11向预紧弹簧组件5方向移动，当位移大于锁紧销15与相应的压紧板16重合尺寸时，压紧板16的压紧板约束解除并在板簧弹力的作用下绕压紧板转轴18旋转弹起，解除对半球头锁紧轴17的结构约束，帆板6或其他展开体在扭簧或其他储能元件的作用下展开，完成连接解锁机构的解锁。
断电后形状记忆合金丝8冷却可恢复至收缩前长度，重复3)中g)、h)的安装过程可恢复连接解锁机构的锁紧安装，实现连接解锁机构的重复使用。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (9)
1.一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，包括记忆合金触发机构组件(1)、若干锁紧装置组件(3)、预紧弹簧组件(5)、联动绳索(4)及导向轮(2)；记忆合金触发机构组件(1)、锁紧装置组件(3)、预紧弹簧组件(5)和导向轮(2)安装在连接解锁机构安装结构(7)上，联动绳索(4)通过导向轮(2)依次连接记忆合金触发机构组件(1)、若干锁紧装置组件(3)和预紧弹簧组件(5)；在通电情况下，利用记忆合金丝(8)收缩力或位移，触动形状记忆合金触发机构组件(1)解锁，在预紧弹簧组件(5)的弹簧预紧力作用下，联动绳索(4)牵动每个锁紧装置组件(3)实现联动解锁；
所述记忆合金触发机构组件(1)包括记忆合金丝(8)、触发销(9)、锁紧瓣(10)、释放销(11)、绝缘导向轮(12)、记忆合金丝压板(13)、锁紧瓣转轴(14)；触发销(9)穿过小弹簧，利用小弹簧回复力约束触发销(9)的自由运动，一对绝缘导向轮(12)安装在触发销(9)一端，一对锁紧瓣(10)和记忆合金丝压板(13)安装在触发销(9)另一端，一对绝缘导向轮(12)和一对锁紧瓣(10)均关于触发销(9)轴线对称；记忆合金丝(8)穿过触发销(9)端面小孔，两端分别经两侧的绝缘导向轮(12)导向后压在记忆合金丝压板(13)两端的下方；锁紧瓣(10)关于锁紧瓣转轴(14)转动，初始状态下，锁紧瓣(10)两端分别夹紧触发销(9)端部和释放销(11)端部，释放销(11)沿其支撑结构的安装孔移动；释放销(11)另一端与联动绳索(4)连接；记忆合金丝(8)两端与相应的正负供电导线的连接，记忆合金丝(8)在通电情况下收缩，拉动触发销(9)脱离锁紧瓣(10)，解除锁紧瓣(10)对释放销(11)的约束。
2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，所述锁紧装置组件(3)包括锁紧销(15)、板簧、压紧板(16)、半球头锁紧轴(17)、压紧板转轴(18)、锁紧装置底座(19)；压紧板(16)与锁紧装置底座(19)通过板簧、压紧板转轴(18)连接，锁紧销(15)安装在锁紧装置底座(19)的安装孔内，半球头锁紧轴(17)的球头安装在压紧板(16)、锁紧装置底座(19)之间，联动绳索(4)穿过锁紧销(15)沿轴线的中心孔后，从锁紧装置底座(19)一侧穿出，初始状态下，联动绳索(4)拉动锁紧销(15)，锁紧销(15)端部插入压紧板(16)端部的环形结构，使得压紧板(16)压紧半球头锁紧轴(17)，压紧板(16)端部的环形结构开有缺口，联动绳索(4)从缺口嵌入压紧板(16)端部的环形结构内；解锁时，释放销(11)被释放后，在弹簧(22)预紧力作用下，释放销(11)与每个锁紧销(15)随联动绳索(4)运动，各锁紧销(15)脱离压紧板(16)端部的环形结构，压紧板(16)在板簧的作用下弹开，松开半球头锁紧轴(17)，实现联动解锁。
3.根据权利要求2所述的一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，所述预紧弹簧组件(5)包括预紧轴(20)、弹簧底座(21)、弹簧(22)、调节螺母(23)，预紧轴(20)一端安装调节螺母(23)，另一端穿过弹簧(22)和弹簧底座(21)后，与联动绳索(4)连接，弹簧(22)位于弹簧底座(21)和调节螺母(23)之间，初始状态下，弹簧(22)处于压缩状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，所述记忆合金丝(8)的材料为NI-TI基记忆合金丝。
5.根据权利要求4所述的一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，所述记忆合金丝(8)的长度为150mm，直径为0.3mm，变形量为6mm～15mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，所述联动绳索(4)的材料为凯夫拉绳或钢丝绳。
7.根据权利要求3所述的一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，所述锁紧装置底座(19)、弹簧底座(21)和压紧板(16)的材料为硬铝合金。
8.根据权利要求7所述的一种基于形状记忆合金触发的连接解锁机构，其特征在于，所述触发销(9)与记忆合金丝(8)连接处、绝缘导向轮(12)、记忆合金丝压板(13)材料为聚酰亚胺或高温陶瓷。
9.如权利要求1～8任一所述的基于形状记忆合金触发的连接解锁机构的锁定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、解除锁紧瓣(10)对释放销(11)的约束，在预紧弹簧(22)作用下多个锁紧销(15)随联动绳索(4)移动，释放压紧板(16)；
步骤二、将每个半球头锁紧轴(17)分别与对应的展开体进行连接，在半球头锁紧轴(17)与展开体的锁紧端的对侧设置回转轴、扭簧或其他储能元件；
步骤三、收拢展开体，将各半球头锁紧轴(17)轴端安装在压紧板(16)和锁紧装置底座(19)之间，压平锁紧装置压紧板(16)并临时固定；
步骤四、从调节螺母(23)侧压缩弹簧(22)，使用锁紧瓣(10)夹紧释放销(11)，拉动联动绳索(4)带动所有锁紧销(15)穿过压紧板(16)端部的环形结构；
步骤五、将触发销(9)在小弹簧或外力的作用下卡入锁紧瓣(10)另一侧，实现对释放销(11)的锁紧。
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