基于SMA驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)彈簧式分離裝置設(shè)計(jì)概述

趙守強(qiáng) 李新明 趙天翔 宋強(qiáng)

摘 要：分離裝置能夠?qū)崿F(xiàn)空間分離功能，在火箭的逐級(jí)分離、航天器的分離、天線的部署等諸多方面具有重要作用。傳統(tǒng)的火工爆炸式雖然有可靠性高、響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但爆炸會(huì)產(chǎn)生沖擊、灰塵、以及不可重復(fù)使用等問(wèn)題也不容忽視。SMA（形狀記憶合金）驅(qū)動(dòng)的分離裝置具有無(wú)污染、沖擊小、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)被各國(guó)重視，本文對(duì)基于SMA驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)彈簧式分離裝置進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：SMA；扭轉(zhuǎn)彈簧；分離裝置

記憶合金材料是早20實(shí)際60年代逐漸形成和發(fā)展的一種新型的具有功能性的材料，簡(jiǎn)稱之為SMA。它的本質(zhì)是在一定的溫度下，會(huì)實(shí)現(xiàn)材料的相體從奧氏體到馬氏體轉(zhuǎn)變的合金，在初始狀態(tài)的記憶合金馬氏體能夠塑性變形，提高溫宿到某一平衡或者臨界溫度以上又可恢復(fù)成最開始的狀態(tài)，我們稱這種能夠回復(fù)到初始狀態(tài)的能力成為記憶效應(yīng)，它形變量是一般彈性材料的20倍以上，最大回復(fù)應(yīng)變?yōu)?%，回復(fù)應(yīng)力為300～600MPa。SMA主要有鈦鎳基、銅基和鐵基這三大類，鎳鈦基是目前發(fā)現(xiàn)的形狀記憶效應(yīng)最好的一種，其抗拉強(qiáng)度大于1000MPa，延伸率也大于20%，回復(fù)應(yīng)力會(huì)相應(yīng)的變大，它的穩(wěn)定性良好，具有循環(huán)性，抵抗腐蝕和摩擦的能力也非常優(yōu)秀，是一種非常優(yōu)秀的功能材料。

裝置分離原理

扭轉(zhuǎn)彈簧式分離裝置采用了非自鎖螺紋連接、SMA彈簧驅(qū)動(dòng)、扭轉(zhuǎn)彈簧助力。記憶合金彈簧在受到溫度激勵(lì)之后會(huì)產(chǎn)生形變和應(yīng)力，進(jìn)而壓縮偏置彈簧啟動(dòng)拔銷器運(yùn)動(dòng)，特制螺栓失去束縛，在扭轉(zhuǎn)彈簧的助力下自動(dòng)旋轉(zhuǎn)落下，這也是選擇非自鎖螺紋連接的重要原因，讓螺栓旋轉(zhuǎn)下落時(shí)更加順暢方便，旋下之后連接件與被連接件失去束縛，從而完成裝置解鎖。特制的法蘭螺栓是為了使拔銷器的銷子可以對(duì)其進(jìn)行固定。非自鎖狀態(tài)的運(yùn)用是采用了螺紋升角與摩擦叫的關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。銷子是起到固定法蘭螺的作用，該裝置施加預(yù)緊力是通過(guò)旋緊螺栓，而不是旋緊螺母，再加上非自鎖的緣故，銷子固定螺母的作用更加重要。

各零件設(shè)計(jì)分析

2. 螺栓設(shè)計(jì)

關(guān)于螺栓需要特特制，其部件為實(shí)現(xiàn)諸多功能而進(jìn)行處理，無(wú)論是銷子插入的孔還是非自鎖螺紋的攻絲，再到螺栓端頭與扭轉(zhuǎn)彈簧的連接。其中螺栓端頭與扭轉(zhuǎn)彈簧的連接有諸多細(xì)節(jié)需要注意：扭轉(zhuǎn)彈簧端頭與螺栓頭需要順時(shí)針卡住，逆時(shí)針釋放；因?yàn)榕まD(zhuǎn)彈簧釋放膨脹會(huì)卡在筒壁上，所以不會(huì)隨螺栓脫落，所以兩者之間是非鎖定連接；在扭轉(zhuǎn)彈簧釋放時(shí)，會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生慣性，假若扭轉(zhuǎn)慣性過(guò)大，扭轉(zhuǎn)彈簧達(dá)到恢復(fù)狀態(tài)，此時(shí)扭轉(zhuǎn)彈簧就會(huì)對(duì)螺栓產(chǎn)生阻力，為此特意設(shè)置半圓弧斜坡型溝槽，用于給慣性釋放空間，同時(shí)斜坡槽的設(shè)置會(huì)加速扭轉(zhuǎn)彈簧與螺栓的脫離；彈簧端頭需要進(jìn)行磨圓處理，去除棱角，以免因提高了摩擦因數(shù)而阻礙螺栓脫落旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于螺栓端頭坡度的樣式細(xì)節(jié)部位，坡度過(guò)渡要平緩，粗糙度降到最低，同樣是為確保脫落順暢。

2. 扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)

扭轉(zhuǎn)彈簧在裝置的運(yùn)行過(guò)程中起到助力作用，該助力能夠確保特制螺栓能夠在拔銷器收縮之后，加速旋下，縮短裝置的響應(yīng)時(shí)間，而卻確保不因?yàn)殡s質(zhì)塵土等影響裝置響應(yīng)。

彈簧材料的選擇：選用GB4375-1989規(guī)定的70號(hào)碳素鋼絲。在使用過(guò)程中因?qū)β菟ǖ男D(zhuǎn)脫落起輔助作用，所以選用B級(jí)，制作應(yīng)力較低的彈簧。

經(jīng)過(guò)計(jì)算算得扭轉(zhuǎn)彈簧的各項(xiàng)參數(shù)，彈簧旋轉(zhuǎn)釋放時(shí)剛好因?yàn)樽陨淼呐蛎浭蛊淇ㄔ谘b置的筒壁上，避免出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)彈簧的反作用出現(xiàn)特制螺栓無(wú)法旋下的現(xiàn)象，同時(shí)特制螺栓也會(huì)在上設(shè)計(jì)半圓型溝槽，增加安全可靠性。

2.3 銷子設(shè)計(jì)

銷子是起到固定法蘭螺的作用，該裝置施加預(yù)緊力是通過(guò)旋緊螺栓，而不是旋緊螺母，再加上非自鎖的緣故，銷子固定螺母的作用更加重要。銷子的力學(xué)性能也是至關(guān)重要的一項(xiàng)，在力學(xué)性能符合校核標(biāo)準(zhǔn)的情況下才能確保上述內(nèi)容能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.4 抗剪套設(shè)計(jì)

抗剪套的是為了削弱連接件與被連接件因相互的錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的剪切力，起到保護(hù)螺栓的作用，由本文前面的計(jì)算螺栓可以承受住預(yù)緊力施加時(shí)的剪切力。所以對(duì)于抗剪套的設(shè)計(jì)是在給螺栓增大安全系數(shù)。防止出現(xiàn)意外，所以對(duì)于其內(nèi)徑即為螺栓的直徑。抗剪套的外徑可以設(shè)計(jì)為25mm，由此，抗剪套的厚度即為5m，這樣的厚度足以保證其對(duì)螺栓的保護(hù)。

因?yàn)榭辜籼撞皇枪潭ù嬖诘模强梢噪S螺栓運(yùn)動(dòng)的，同時(shí)它跟螺栓也可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以，這對(duì)抗剪套與螺栓和筒壁之間的配合又提出了更高的要求，假設(shè)，抗剪套與螺栓配合過(guò)于緊密，并且與筒壁之間的配合也因緊密產(chǎn)生阻力，那么，在裝置釋放過(guò)程中，因?yàn)榕浜线^(guò)于緊密所產(chǎn)生的阻力就會(huì)阻礙螺栓旋轉(zhuǎn)，那么扭轉(zhuǎn)彈簧所起到的作用也就大大折扣，因此要對(duì)配合嚴(yán)格控制。

2.5 法蘭螺母設(shè)計(jì)

法蘭螺母，也稱帶墊螺母，花齒螺母，六角法蘭面螺母，法蘭螺帽等。大多用在管道連接或者需要增加螺母接觸面的工件上。在本裝置的設(shè)計(jì)上是為了防止非自鎖螺紋連接提供的阻礙預(yù)緊力施加的力，假若，螺母不存在法蘭銷釘固定，那么，螺母就因?yàn)榉亲枣i自動(dòng)脫落，失去預(yù)緊力。本裝置目的是讓螺栓在扭轉(zhuǎn)彈簧的推動(dòng)下自行脫落，而不是螺母。為此，必須依靠固定的螺母進(jìn)行固定，這也就是設(shè)計(jì)銷的原因，銷子將被連接件和法蘭個(gè)連接，阻礙了螺母旋下方向的力，實(shí)現(xiàn)固定。由于設(shè)計(jì)的特殊性。從而本螺母的設(shè)計(jì)比較特殊。其法蘭直徑根據(jù)前文中銷的設(shè)計(jì)從而確定為90mm。螺母部分即是特殊設(shè)計(jì)的非自鎖螺紋，數(shù)據(jù)在前文中已經(jīng)算出。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從扭轉(zhuǎn)彈簧式分離裝置的原理出發(fā)，對(duì)該裝置中的螺栓、扭轉(zhuǎn)彈簧、銷、抗剪套、法蘭螺母等零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。用扭轉(zhuǎn)彈簧、記憶合金彈簧、普通偏置彈簧所設(shè)計(jì)的分離裝置，扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)力會(huì)顯著縮短裝置解鎖的時(shí)間，但是扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)力必須在一定范圍內(nèi)，否則會(huì)因?yàn)闉閼T性產(chǎn)生震動(dòng)，影響裝置的精度。根據(jù)各項(xiàng)原因，確定扭轉(zhuǎn)彈簧、記憶合金彈簧、普通偏置彈簧的基本性能參數(shù)。

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