CN111806732B - 一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，包括设置在由顶盖和底座围成的空间内的两个热刀、两个传热套、两瓣式分瓣螺母、绳索线束、承载螺栓、波形弹性垫圈和球面垫圈，两瓣式分瓣螺母设置在由顶盖和底座围成的空间的中心处，两个传热套对称固定在两瓣式分瓣螺母的两瓣上，在每个传热套内设置一热刀，绳索线束缠绕在两瓣式分瓣螺母的外表面及传热套的外表面，锁紧状态下将两瓣式分瓣螺母和传热套紧密绑定，球面垫圈和波形弹性垫圈设在两瓣式分瓣螺母的下部与底座围成的区域内，承载螺栓依次穿过底座、波形弹性垫圈和球面垫圈后与两瓣式分瓣螺母连接。本发明锁紧可靠、释放安全，具有低冲击、无污染、耗能小、承载大、小型化特点。

Description

一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置

技术领域

本发明属于航天技术领域，尤其是涉及一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置。

背景技术

针对某些航天器发射过程中冲击和振动的影响，需要采用可靠的锁紧装置实现对空间科学载荷的固定，保证系统的动态响应受控；航天器入轨后，应当根据指令完成对科学载荷的在轨释放。现在应用最成熟的火工压紧释放装置主要利用火药燃烧或爆炸产生的能量来实现释放功能，其不可重复性、安全性差、冲击大、污染严重等缺点非常突出。例如爆炸螺栓、火工螺母、切割器、拔销器、火工锁等，往往冲击很大，有的甚至达到3000-20000g，这对于载荷和分离平台而言是致命的。空间试验对于某些微小型载荷的释放动态要求十分苛刻，必须严格控制释放冲量，实现低冲击释放；由于空间中可利用的能量有限，应当尽可能的减小能量消耗；面对现在卫星等载荷日趋小型化的趋势，研究一种占用空间小的压紧释放装置也成为热点。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，锁紧可靠、释放安全，并且具有低冲击、无污染、耗能小、承载大、小型化的优点，从而满足空间应用需求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，包括设置在由顶盖和底座围成的空间内的两个热刀、两个传热套、两瓣式分瓣螺母、绳索线束、承载螺栓、波形弹性垫圈和球面垫圈，所述的两瓣式分瓣螺母设置在由顶盖和底座围成的空间的中心处，两瓣式分瓣螺母的两个螺母段合并在一起形成完整螺纹，两个传热套对称固定在两瓣式分瓣螺母的两瓣上，在每个传热套内设置一个热刀，所述的绳索线束以多圈绕制方式缠绕在两瓣式分瓣螺母的外表面及传热套的外表面，锁紧状态下绳索线束将两瓣式分瓣螺母和传热套紧密绑定，所述的球面垫圈和波形弹性垫圈设置在两瓣式分瓣螺母的下部与底座围成的区域内，且锁紧状态下，波形弹性垫圈和球面垫圈均处于受压状态，所述承载螺栓从下到上依次穿过底座、波形弹性垫圈和球面垫圈后与两瓣式分瓣螺母连接。

进一步的，两瓣式分瓣螺母的每个螺母段底部设有对称布置的两个长方形导向槽，两瓣式分瓣螺母的每个螺母段的外侧面设有半圆柱形卡槽，两个传热套分别卡在两个螺母段的所述半圆柱形卡槽内。

进一步的，在顶盖的内部加工有限定两瓣式分瓣螺母的螺母段的位置的定位凸台，在所述顶盖上对应热刀位置处开设有通孔。

进一步的，两个所述热刀为圆柱形加热管，在圆柱形加热管的一端设有正负极引线，且两个正负极引线分别从所述顶盖上的两个通孔引出。

进一步的，所述底座的内壁上设有四个导向凸台，所述四个导向凸台分别对应卡在螺母段底部的长方形导向槽内。

进一步的，所述传热套与对应的两瓣式分瓣螺母的螺母段通过螺钉固定连接。

进一步的，所述两瓣式分瓣螺母的的每瓣螺母的下部均设有凹槽，所述波形弹性垫圈和球面垫圈设置在两个凹槽与底座围成的区域内。

进一步的，所述顶盖和所述底座通过螺钉连接。

进一步的，所述压紧释放装置还包括两个连接螺栓，两个所述连接螺栓用于连接所述装置与压紧释放平台。

进一步的，所述绳索线束是由高强度纤维编织或捻股成的线束，且在两瓣式分瓣螺母的外表面及两个传热套的外表面缠绕多层，内外两层线束之间采用胶粘接。

相对于现有技术，本发明所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置具有以下优势：

本发明所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，

1、相对于弹性锁紧、磁性锁紧、机械嵌入锁紧等锁紧方式，本发明采用螺纹连接锁紧，承载力大，结构简单，制造成本小，致动行程短。

2、本发明所述的压紧释放装置，采用热刀触发的方式代替火工致动，从根本上解决了由于火药爆炸带来的大量级冲击；所述装置的预紧力释放过程依赖于绳索线束的逐渐熔蚀，这个过程是缓慢渐进的，因此避免了预紧力的快速释放做功而造成的对载荷的冲击。

3、相对于其他类型的非火工压紧释放装置，本发明具有显著优势，相对于形状记忆合金驱动，本发明不需要过于复杂的增力机构，结构简单、制造成本低廉；相对于石蜡等致动方式，本发明能量输入小，致动时间相对较短；相对于电磁致动方式，本发明不会对其他电器元件造成磁干扰，不需要额外考虑隔磁设计；相对于电机驱动方式，本发明占用空间小，释放过程冲击小。

4、相对于其他的热刀致动的分离装置，本发明设计简单，结构紧凑，耐振动冲击性能好；绳索纤维用料少、能耗小，致动时间相对较短；依靠波形弹性垫圈的变形恢复来实现热刀与绳索线束的持续接触，不需要考虑热刀在触发过程中的进给运动。

5、本发明实现释放后，绳索线束留在装置内，不会造成对释放载荷的干扰和太空环境污染。

附图说明

构成本发明的一部分的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为本发明实施例所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置的俯视图；

图2为图1的锁紧状态A-A剖视图；

图3为图1的释放状态B-B剖视图(隐藏正负极引线)；

图4为本发明所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置中两瓣式分瓣螺母的一个螺母段结构示意图；

图5为本发明所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置中底座的结构示意图。

附图标记说明：

1-顶盖，101-定位凸台，102-通孔，2-热刀，201-正负极引线，3-传热套，4-两瓣式分瓣螺母，401-长方形导向槽，402-半圆柱形卡槽，5-绳索线束，6-螺钉，7-底座，701-导向凸台，8-承载螺栓，9-波形弹性垫圈，10-球面垫圈，11-螺钉，12-连接螺栓。

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。

如图1-图5所示，一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，包括设置在由顶盖1和底座7围成的空间内的两个热刀2、两个传热套3、两瓣式分瓣螺母4、绳索线束5、承载螺栓8、波形弹性垫圈9和球面垫圈10，所述的两瓣式分瓣螺母4设置在由顶盖1和底座7围成的空间的中心处，两瓣式分瓣螺母4的两个螺母段合并在一起形成完整螺纹，两个传热套3对称固定在两瓣式分瓣螺母4的两瓣上，在每个传热套3内设置一个热刀2，所述的绳索线束5以多圈绕制方式缠绕在两瓣式分瓣螺母4的外表面及两个传热套3的外表面，锁紧状态下，绳索线束5将两瓣式分瓣螺母4和传热套3紧密绑定，所述的球面垫圈10和波形弹性垫圈9设置在两瓣式分瓣螺母4的下部与底座7围成的区域内，且锁紧状态下，波形弹性垫圈9和球面垫圈10均处于受压状态，所述承载螺栓8从下到上依次穿过底座7、波形弹性垫圈9和球面垫圈10后与两瓣式分瓣螺母4连接，所述承载螺栓8用于连接压紧释放载荷。

两瓣式分瓣螺母4的每个螺母段底部设有对称布置的两个长方形导向槽401，两瓣式分瓣螺母4的每个螺母段的外侧面设有半圆柱形卡槽402，两个传热套3分别卡在两个螺母段的所述半圆柱形卡槽402内。

在顶盖1的内部加工有限定两瓣式分瓣螺母4的螺母段的位置的定位凸台101，用于两瓣式分瓣螺母4安装时对准，在所述顶盖1上对应热刀2位置处开设有通孔102。

两个所述热刀2是一种圆柱形单头加热管，外部是导热的铜护套，内部有加热丝，填充有导热的金属氧化物粉末，在圆柱形加热管的一端设有正负极引线201，且两个正负极引线201分别从所述顶盖上的两个通孔102引出。

在底座7上设有四个导向凸台701，四个所述导向凸台701分别对应卡在螺母段底部的长方形导向槽401内，导向凸台701做成圆柱形，和长方形导向槽401的内壁之间形成间隙配合，如此设置保证了两瓣式分瓣螺母4的螺母段在释放过程中沿着一定的路径分离，保证释放后零件位置的可控性。

两瓣式分瓣螺母4的的每瓣螺母的下部均设有凹槽，所述波形弹性垫圈9和球面垫圈10设置在两个凹槽与底座7围成的区域内。

传热套3与对应的两瓣式分瓣螺母4的螺母段通过螺钉6固定连接。顶盖1和所述底座7通过螺钉11连接，螺钉11选用M4×4的十字槽盘头螺钉。

压紧释放装置还包括两个连接螺栓12，两个所述连接螺栓12用于连接所述压紧释放装置与压紧释放平台，连接螺栓12选用M5×16的六角头螺栓。

绳索线束5是由超高分子量聚乙烯纤维或其他材质的高强度纤维编织或捻股成的线束，纤维线密度为100D，超高分子量聚乙烯纤维的特点是承载大(抗拉强度在2.0GPa以上)、熔点低(约为135℃-145℃)；且在两瓣式分瓣螺母4的外表面及两个传热套3的外表面缠绕多层，为固定线束并防止内部绳索线束的熔蚀而对外部线束的张力产生影响，在缠绕的同时线束之间用胶互相粘接在一起。

波形弹性垫圈9的规格为6mm，其特点是弹力大、变形小、受力均匀，在锁紧状态下一直处于压缩状态，在释放过程中变形逐渐恢复。球面垫圈10和两瓣式分瓣螺母4互相接触处的球面使用二硫化钼润滑喷剂润滑，减小释放过程中球面垫圈10轴向运动的阻力。

本申请的工作原理为：

锁紧状态下，两个热刀2分别嵌入两个传热套3中，绳索线束5将两瓣式分瓣螺母4和两个传热套3紧紧绑在一起，两瓣式分瓣螺母4与承载螺栓8通过完整的螺纹连接锁紧，承载螺栓8连接的载荷此刻处于锁紧状态，两个传热套3的作用主要是承受绳索线束5的径向力，保证内部的两个热刀2不因承载过大而造成内部结构破坏。

当系统发出释放指令时，两个热刀2通直流电，将热量分别传递给两个传热套3，继而将热量传递给绳索线束5，其结果可能有两种：一种是与两个传热套3接触处的绳索纤维达到熔点发生断裂，另一种是纤维温度升高使得抗拉强度降低，导致其在预紧张力的作用下断裂，该过程称为绳索线束5的熔蚀过程。与传热套3接触部位的纤维逐渐熔蚀的同时，绳索线束5对两瓣式分瓣螺母4的径向约束力逐渐衰减，螺纹连接的预紧力逐渐减小，波形弹性垫圈9的变形逐渐恢复，其弹性力做功，推动球面垫圈10轴向移动，两瓣式分瓣螺母4在自身螺纹连接的径向预紧力和受到挤压变形的球面垫圈10提供的分离力的联合作用下，逐渐沿径向分开，与螺母段同步推离的传热套3继续与较外层绳索纤维接触，持续完成熔蚀作用，直至螺纹连接关系解除，完成承载螺栓8的释放，从而释放与承载螺栓8连接的载荷。

本申请的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其占用空间在70×65×40mm³内，质量约0.2kg，能够适用于星箭分离、空间机构展开、小型探测器释放等多种空间应用场合。

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 (9)

1.一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：包括设置在由顶盖(1)和底座(7)围成的空间内的两个热刀(2)、两个传热套(3)、两瓣式分瓣螺母(4)、绳索线束(5)、承载螺栓(8)、波形弹性垫圈(9)和球面垫圈(10)，所述的两瓣式分瓣螺母(4)设置在由顶盖(1)和底座(7)围成的空间的中心处，两瓣式分瓣螺母(4)的两个螺母段合并在一起形成完整螺纹，两个传热套(3)对称固定在两瓣式分瓣螺母(4)的两瓣上，在每个传热套(3)内设置一个热刀(2)，所述的绳索线束(5)以多圈绕制方式缠绕在两瓣式分瓣螺母(4)的外表面及两个传热套(3)的外表面，锁紧状态下，绳索线束(5)将两瓣式分瓣螺母(4)和传热套(3)紧密绑定，所述的球面垫圈(10)和波形弹性垫圈(9)设置在两瓣式分瓣螺母(4)的下部与底座(7)围成的区域内，且锁紧状态下，波形弹性垫圈(9)和球面垫圈(10)均处于受压状态，所述承载螺栓(8)从下到上依次穿过底座(7)、波形弹性垫圈(9)和球面垫圈(10)后与两瓣式分瓣螺母(4)连接；

所述两瓣式分瓣螺母(4)的每瓣螺母的下部均设有凹槽，所述波形弹性垫圈(9)和球面垫圈(10)设置在两个凹槽与底座(7)围成的区域内。

2.根据权利要求1所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：两瓣式分瓣螺母(4)的每个螺母段底部设有对称布置的两个长方形导向槽(401)，两瓣式分瓣螺母(4)的每个螺母段的外侧面设有半圆柱形卡槽(402)，两个传热套(3)分别卡在两个螺母段的所述半圆柱形卡槽(402)内。

3.根据权利要求1所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：在顶盖(1)的内部加工有限定两瓣式分瓣螺母(4)的螺母段的位置的定位凸台(101)，在所述顶盖(1)上对应热刀(2)位置处开设有通孔(102)。

4.根据权利要求3所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：两个所述热刀(2)为圆柱形加热管，在圆柱形加热管的一端设有正负极引线(201)，且两个正负极引线(201)分别从所述顶盖上的两个通孔(102)引出。

5.根据权利要求2所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：在所述底座(7)上设有四个导向凸台(701)，四个所述导向凸台(701)分别对应卡在螺母段底部的长方形导向槽(401)内。

6.根据权利要求1所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：所述传热套(3)与对应的两瓣式分瓣螺母(4)的螺母段通过螺钉(6)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：所述顶盖(1)和所述底座(7)通过螺钉(11)连接。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：所述压紧释放装置还包括两个连接螺栓(12)，两个所述连接螺栓(12)用于连接所述装置与压紧释放平台。

9.根据权利要求8所述的一种热刀致动的分瓣螺母型压紧释放装置，其特征在于：所述绳索线束(5)是由高强度纤维编织或捻股成的线束，且在两瓣式分瓣螺母(4)的外表面及两个传热套(3)的外表面缠绕多层，内外两层线束之间采用胶粘接。

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