CN115183996A - 低冲分瓣螺母模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低冲分瓣螺母模拟实验装置，包括外壳、冷气发生装置、约束单元、分瓣螺母、螺栓、预紧力加载装置、高速摄像机、计算机等。预紧力加载装置为实验装置中的螺栓与分瓣螺母提供预紧，使二者连接，通过压力传感器读取实时预紧力，传输到计算机中存储；冷气发生装置为预紧后的装置提供解锁驱动力，通过气压传感器读取实时气压，传输到计算机中存储；解锁时分离环发生运动，通过高速摄像机进行图像捕捉，传输到计算机中处理；分离环运动结束后，分瓣螺母和螺栓开始运动，通过高速摄像机捕捉螺栓运动图像，传输到计算机中处理。本发明实验重复性好，无污染；获得了分离装置详细的分离特性，可为装置设计提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，更具体地说，涉及一种低冲分瓣螺母模拟实验装置。
背景技术
分离装置是航天领域飞行器上必不可少的，起连接和解锁分离作用的装置，随着航天任务需求的多样化和精细化，低冲分瓣螺母装置也逐渐获得青睐。目前现有的分离装置需要根据经验和实验设计参数，包括预紧力和驱动力等，以此达到控制分离时间和分离冲击的目的，没有精确的实验装置很难完成恰当的设计，需要设计者对装置的分离过程和分离特性足够了解才能很好地设计出分离装置的具体参数。而装置的分离特性不仅与预紧力、驱动力有关，还和接触界面的性质及实验安装过程有关，仅通过控制预紧力、驱动力来进行装置设计很难获得理想的分离特性。
因此，需要提供一种低冲分瓣螺母模拟实验装置，以获得分离装置详细的分离特性，为装置设计提供参考，辅助航天器完成连接和解锁分离的任务。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种低冲分瓣螺母模拟实验装置，其具体技术方案如下：
一种低冲分瓣螺母模拟实验装置，包括：
外壳；
冷气发生装置，位于外壳的左侧，且其出气口连接导气管；导气管伸入外壳左侧端部开设的轴向通道，并与外壳内腔连通；导气管上安装有带第一气压传感器的电磁阀；
约束单元，置于外壳内腔中，包括分离环、分离盘、复位弹簧和底座；分离环的左端封闭、右端开口，左端外表面对应导气管出口的位置安装有第二气压传感器；分离盘由盘体以及垂直固定于盘体中心位置的盘杆组成；分离环的左端设有中心孔，盘杆穿过中心孔伸入至外壳左侧的对应容置槽内；复位弹簧套设于盘杆上，其一端紧抵分离环的左端内壁，另一端紧抵盘体；分离环的内腔壁上设有外表面为完整圆环面的第一凸台；底座固定于外壳的右端中心孔处；
分瓣螺母，包括三个结构、大小均相同且能够组成完整螺母的螺母瓣体，每个螺母瓣体的外侧均设置有第二凸台，组成完整分瓣螺母后第二凸台表面形成一个完整圆环面，并能够与分离环内的第一凸台完全接触；分离环约束分瓣螺母径向运动，底座约束分瓣螺母轴向运动；
螺栓，螺栓的外螺纹与分瓣螺母的内螺纹紧固连接，在螺栓的右端头部与外壳的右端面之间设置有压力传感器，压力传感器以及底座上均设有用于螺栓穿过的中心孔；
预紧力加载装置，为螺栓与分瓣螺母提供预紧；
高速摄像机，外壳上开设有观察孔，高速摄像机通过观察孔对准分离环上的标记区域；高速摄像机还能够对准螺栓上的标记区域；
计算机，分别与电磁阀、第一气压传感器、第二气压传感器、压力传感器以及高速摄像机通信连接。
通过采用上述技术方案，本发明低冲分瓣螺母模拟实验装置中，预紧力加载装置为实验装置中的螺栓与分瓣螺母提供预紧，使二者连接，通过压力传感器读取实时预紧力，传输到计算机中存储；冷气发生装置为预紧后的装置提供解锁驱动力，通过气压传感器读取实时气压，传输到计算机中存储；解锁时分离环发生运动，通过高速摄像机进行图像捕捉，传输到计算机中处理；分离环运动结束后，分瓣螺母和螺栓开始运动，通过高速摄像机捕捉螺栓运动图像，传输到计算机中处理。本发明结构中还具体包括用于约束分瓣螺母的径向和轴向运动的分离环和底座，用于分离环复位的分离盘和连接二者的复位弹簧，以及用于提供保护和支撑作用的外壳。
本发明中分离装置连接和分离过程的预紧力和气压驱动力可控，实验重复性好，无污染；获得了分离装置详细的分离特性，可为装置设计提供参考。
优选地，外壳由通过螺纹连接的第一外壳、第二外壳组成，第一外壳位于靠近冷气发生装置的一侧；冷气发生装置的出口连接导气管，导气管伸入第一外壳左侧端部开设的轴向通道，并与外壳内腔连通；第一外壳上开设有观察孔；第二外壳的右端中心处固定底座。
优选地，第一外壳的周向方向等间距设置有多个观察孔。
优选地，冷气发生装置包括空气压缩机、连接管道和气体缓冲室，空气压缩机通过连接管道连接气体缓冲室，气体缓冲室的出口连接导气管。
优选地，分离环的内腔壁上沿轴向方向设有数个外表面为完整圆环面的第一凸台，且相邻两个第一凸台之间的间距不小于其上圆环面的宽度；每个螺母瓣体的外侧均沿轴向方向设置有数个第二凸台，组成完整螺母后第二凸台表面形成对应数量的完整圆环面，并能够与分离环内的第一凸台一一对应接触。
优选地，底座的左端外表面上设有三个沿环向均匀分布的底座凸台，且相邻两底座凸台中心线的夹角为120°；三个螺母瓣体的右端头部均设有第三凸台，每个第三凸台两侧预留部分位置，用于与底座凸台适配嵌合。
优选地，分离环的外壁与外壳的内壁接触，二者之间通过固体润滑剂润滑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明低冲分瓣螺母模拟实验装置的整体结构示意图。
图2为本发明的工作原理框图。
图3、图4为本发明装置(不含冷气发生装置、导气管及相应传感器)不同方向的爆炸图。
图中：1-冷气发生装置，2-导气管，3-电磁阀，4-分离环，5-分离盘，6-复位弹簧，7-底座，8-第二气压传感器，9-盘体，10-盘杆，11-第一凸台，12-分瓣螺母，13-螺母瓣体，14-第二凸台，15-螺栓，16-压力传感器，17-第一外壳，18-第二外壳，19-观察孔，20-底座凸台，21-第三凸台。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：
如图1-图4所示，本发明一种低冲分瓣螺母模拟实验装置，主要包括：外壳、冷气发生装置1、约束单元、分瓣螺母12、螺栓15、预紧力加载装置、高速摄像机以及计算机。
其中，
外壳用于提供保护和支撑作用，其由通过螺纹连接的第一外壳17、第二外壳18组成，第一外壳17位于靠近冷气发生装置1的一侧。
冷气发生装置1位于第一外壳17的左侧，其包括空气压缩机、连接管道和气体缓冲室(图中未示出)，空气压缩机通过连接管道连接气体缓冲室，气体缓冲室的出口连接导气管2。导气管2伸入第一外壳17左侧端部开设的轴向通道，并与外壳内腔连通。导气管2上还安装有带第一气压传感器的电磁阀3。
约束单元置于外壳内腔中，包括分离环4、分离盘5、复位弹簧6和底座7；分离环4的左端封闭、右端开口，左端外表面对应导气管出口的位置安装有第二气压传感器8；分离盘5由盘体9以及垂直固定于盘体9中心位置的盘杆10组成；分离环4的左端设有中心孔，盘杆10穿过中心孔伸入至外壳左侧的对应容置槽内；复位弹簧6套设于盘杆10上，其一端紧抵分离环4的左端内壁，另一端紧抵盘体9；分离环4的内腔壁上设有外表面为完整圆环面的第一凸台11；底座7固定于第二外壳18的右端中心孔处。
分瓣螺母12包括三个结构、大小均相同且能够组成完整螺母的螺母瓣体13(即利用线切割装置将完整螺母等分成三个分瓣)，安装时三个螺母瓣体13按螺旋线走向排布，保证螺纹连续。每个螺母瓣体13的外侧均设置有第二凸台14，组成完整分瓣螺母12后第二凸台14表面形成一个完整圆环面，并能够与分离环4内的第一凸台11完全接触；分离环4约束分瓣螺母12径向运动，底座7约束分瓣螺母12轴向运动。
进一步地，分离环4的内腔壁上沿轴向方向设有数个(本实施例中为两个)外表面为完整圆环面的第一凸台11，且相邻两个第一凸台11之间的间距不小于其上圆环面的宽度；每个螺母瓣体13的外侧均沿轴向方向设置有数个(本实施例中为两个)第二凸台14，组成完整螺母后第二凸台14表面形成对应数量的完整圆环面，并能够与分离环4内的第一凸台11一一对应接触。第一凸台11与第二凸台14配合，用以限制分瓣螺母12的位置，约束分瓣螺母12径向运动。
更进一步的，底座7的左端外表面上设有三个沿环向均匀分布的底座凸台20，且相邻两底座凸台20中心线的夹角为120°；三个螺母瓣体13的右端头部均设有第三凸台21，每个第三凸台21两侧预留部分位置，用于与底座凸台20适配嵌合。底座7安装时，底座凸台20嵌入第三凸台21之间，限制分瓣螺母12的旋转，约束分瓣螺母12轴向运动。
螺栓15的外螺纹与分瓣螺母12的内螺纹紧固连接，在螺栓15的右端头部与外壳的右端面之间设置有压力传感器16，压力传感器16以及底座7上均设有用于螺栓15穿过的中心孔。
预紧力加载装置为螺栓15与分瓣螺母12提供预紧。
第一外壳17上开设有观察孔19，具体的，本实施例中，第一外壳17上沿其周向方向等间距设置有多个观察孔19。高速摄像机通过观察孔19对准分离环4上的标记区域；高速摄像机还能够对准螺栓15上的标记区域。
计算机分别与电磁阀3、第一气压传感器、第二气压传感器8、压力传感器16以及高速摄像机通信连接。
本实施例中，预紧力加载装置一般为扭矩扳手，安装螺栓15时采用扭矩扳手，通过计算机获得压力传感器16读数，控制预紧力的大小。空气压缩机提供压缩气体，气体通过连接管道进入气体缓冲室，缓冲室出口由导气管2与外壳内腔连接，导气管2上设有电磁阀3，通过计算机控制电磁阀3开关。高压气体为外壳内腔中的分离装置提供解锁能量，第二气压传感器8设置在气体管道的末端，用于测量作用在分离环4上的实时压力。解锁时分离环4发生运动，通过高速摄像机进行图像捕捉，传输到计算机中处理；分离环4运动结束后，分瓣螺母12和螺栓15开始运动，通过高速摄像机捕捉螺栓15运动图像，传输到计算机中处理。
分离装置在解锁过程中，复位弹簧6被压缩，解锁完成后分离环4在复位弹簧6的作用下会恢复到先前的位置。
本发明的安装过程如下：
(1)将分离盘5、复位弹簧6和分离环4连接后装入第一外壳17的空腔中，保证分离环4外端凸台的边缘与第一外壳17的内壁边缘平齐，此时分离环4的外壁与第一外壳17的内壁接触，二者之间通过固体润滑剂二硫化钼润滑；
(2)将三个螺母瓣体13依次装入分离环4内部空腔中，保证螺母瓣体13的内螺纹连续，成为一个整体。此时螺母的两段凸台表面与分离环4的两段凸台表面完全接触；
(3)将底座7固定安装到第二外壳18的右端中心处，第二外壳18与第一外壳17为螺纹连接。安装时，底座7上的底座凸台20与分瓣螺母12右端头部的第三凸台21结合，底座7旋转连接时会带动分瓣螺母12在分离环4中旋转，直至达到预设的螺母位置停止；
(4)将螺栓15的螺杆穿过压力传感器16，利用扭矩扳手将螺栓15旋入分瓣螺母12中，此时增加螺栓15扭矩直至达到预设的预紧力，撤掉扭矩扳手。
本发明的分离过程如下：
(1)架设高速摄像机，镜头对准分离环4或螺栓15上的标记区域，调整采样频率、图像亮度和分辨率，进入拍摄模式；
(2)在计算机上设定电磁阀3的开启压力，打开空气压缩机，通过连接管道给气体缓冲室充气，此时电磁阀3处于关闭状态，气体缓冲室内气体压力不断增加，计算机实时读取并显示第一气压传感器的示数；
(3)当气体缓冲室内气压达到电磁阀3预设的开启压力时，电磁阀3自动打开，气体缓冲室内的气体通过阀孔向外壳内腔中的分离装置充气；
(4)当分离环4所受气体推力大于切向摩擦力时，分离环4开始向前运动，分离环4上的第一凸台11和分瓣螺母12上的第二凸台14的接触面逐渐发生错动直至完全分离；
(5)分瓣螺母12上的第二凸台14分离后，分瓣螺母12沿径向张开，分瓣螺母内螺纹与螺栓外螺纹的啮合发生松动，当分瓣螺母12的径向位移超过螺齿高度时，螺纹啮合完全解除，螺栓15向前弹出，完成整个分离过程。
本发明低冲分瓣螺母模拟实验装置具有以下特点：
(1)螺栓15连接时可通过计算机窗口获得实时预紧力数据，可精确调整预紧力的大小。
(2)加载完成后，冷气发生装置1提供高压气体驱动分离环4向前运动，通过计算机窗口获得实时气压数据，可准确记录分离环4开始运动所需的最小压力以及分离全过程的压力时间曲线。
(3)通过高速摄像机可以获得分离环4和螺栓15的运动图像，根据采样频率获得分离时间，对图像进行识别和处理可准确计算分离环4和螺栓15的分离速度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种低冲分瓣螺母模拟实验装置，其特征在于，包括：
外壳；
冷气发生装置，位于外壳的左侧，且其出气口连接导气管；导气管伸入外壳左侧端部开设的轴向通道，并与外壳内腔连通；导气管上安装有带第一气压传感器的电磁阀；
约束单元，置于外壳内腔中，包括分离环、分离盘、复位弹簧和底座；分离环的左端封闭、右端开口，左端外表面对应导气管出口的位置安装有第二气压传感器；分离盘由盘体以及垂直固定于盘体中心位置的盘杆组成；分离环的左端设有中心孔，盘杆穿过中心孔伸入至外壳左侧的对应容置槽内；复位弹簧套设于盘杆上，其一端紧抵分离环的左端内壁，另一端紧抵盘体；分离环的内腔壁上设有外表面为完整圆环面的第一凸台；底座固定于外壳的右端中心孔处；
分瓣螺母，包括三个结构、大小均相同且能够组成完整螺母的螺母瓣体，每个螺母瓣体的外侧均设置有第二凸台，组成完整分瓣螺母后第二凸台表面形成一个完整圆环面，并能够与分离环内的第一凸台完全接触；分离环约束分瓣螺母径向运动，底座约束分瓣螺母轴向运动；
螺栓，螺栓的外螺纹与分瓣螺母的内螺纹紧固连接，在螺栓的右端头部与外壳的右端面之间设置有压力传感器，压力传感器以及底座上均设有用于螺栓穿过的中心孔；
预紧力加载装置，为螺栓与分瓣螺母提供预紧；
高速摄像机，外壳上开设有观察孔，高速摄像机通过观察孔对准分离环上的标记区域；高速摄像机还能够对准螺栓上的标记区域；
计算机，分别与电磁阀、第一气压传感器、第二气压传感器、压力传感器以及高速摄像机通信连接。
2.根据权利要求1所述的低冲分瓣螺母模拟实验装置，其特征在于，外壳由通过螺纹连接的第一外壳、第二外壳组成，第一外壳位于靠近冷气发生装置的一侧；冷气发生装置的出口连接导气管，导气管伸入第一外壳左侧端部开设的轴向通道，并与外壳内腔连通；第一外壳上开设有观察孔；第二外壳的右端中心处固定底座。
3.根据权利要求2所述的低冲分瓣螺母模拟实验装置，其特征在于，第一外壳上沿其周向方向等间距设置有多个观察孔。
4.根据权利要求1所述的低冲分瓣螺母模拟实验装置，其特征在于，冷气发生装置包括空气压缩机、连接管道和气体缓冲室，空气压缩机通过连接管道连接气体缓冲室，气体缓冲室的出口连接导气管。
5.根据权利要求1所述的低冲分瓣螺母模拟实验装置，其特征在于，分离环的内腔壁上沿轴向方向设有数个外表面为完整圆环面的第一凸台，且相邻两个第一凸台之间的间距不小于其上圆环面的宽度；每个螺母瓣体的外侧均沿轴向方向设置有数个第二凸台，组成完整螺母后第二凸台表面形成对应数量的完整圆环面，并能够与分离环内的第一凸台一一对应接触。
6.根据权利要求1或5所述的低冲分瓣螺母模拟实验装置，其特征在于，底座的左端外表面上设有三个沿环向均匀分布的底座凸台，且相邻两底座凸台中心线的夹角为120°；三个螺母瓣体的右端头部均设有第三凸台，每个第三凸台两侧预留部分位置，用于与底座凸台适配嵌合。
7.根据权利要求1所述的低冲分瓣螺母模拟实验装置，其特征在于，分离环的外壁与外壳的内壁接触，二者之间通过固体润滑剂润滑。
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| Title |
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| 张小勇 等: "形状记忆合金分瓣螺母空间解锁机构的设计与试验研究", 机械工程学报, vol. 46, no. 17, 30 September 2010 (2010-09-30), pages 145 - 150 * |
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