空間站艙外工具用往復推進機構的設計

冉江南 徐春光 朱 超 李占芯 高 奔 陳 明

1.天津航天機電設備研究所 天津 300458 2.北京空間飛行器總體設計部 北京 100094

1 設計背景

空間站的在軌組裝建造、維護維修、空間應用與科學試驗都需要航天員實施出艙活動,攜帶相關的設備和艙外工具,完成指定的操作任務[1-3]。我國空間站已開始在軌建造,在一項出艙任務規(guī)劃中,需要航天員對某設備實現(xiàn)多次往復推進操作。基于功能需求、空間約束,以及航天員人機工效學要求,在傳統(tǒng)膠槍驅動機構的基礎上[4],筆者采用CREO軟件[5]設計了一種空間站艙外工具用往復推進機構。相對于傳統(tǒng)膠槍驅動機構,這一往復推進機構具有推力大、可靠性高等優(yōu)點,并且能夠滿足航天員艙外環(huán)境中單手操作的人機工效學要求[6-8]。筆者對該往復推進機構組成及原理進行介紹,分析航天員重點關注的驅動與解鎖的操作力,并進行試驗驗證。

2 往復推進機構組成

往復推進機構設計過程中,在實現(xiàn)機構功能的前提下,充分考慮了空間環(huán)境因素[9-10]。往復推進機構主要由固定手柄、驅動手柄、主殼體、轉軸A、驅動軸桿、撥片、撥片復位彈簧、鎖止機構、推桿、復位彈簧等組成,如圖1所示。固定手柄與主殼體固定連接,驅動手柄上部通過轉軸A與固定手柄銷接。驅動軸桿安裝在驅動手柄的頂部,并與撥片下端接觸。撥片上設有軸孔,與推桿配合,在調整塊的作用下近似豎直狀態(tài)。推桿軸向方向上設置有撥片復位彈簧和復位彈簧,分別作用于撥片和推桿。鎖止機構安裝在主殼體上,置于驅動手柄前方,方便單手操作。鎖止機構與推桿上的齒槽相配合,實現(xiàn)解鎖和鎖止。

▲圖1 往復推進機構組成

鎖止機構主要由鎖止片、銷軸、鎖止壓簧、鎖止座、轉軸B、扳機等組成,如圖2所示。鎖止座安裝在主殼體上,設有圓柱槽孔,分別用于安裝鎖止壓簧和鎖止片。鎖止座側壁設有長圓槽孔,用于銷軸上下滑動。鎖止片末端設有棘齒,與推桿的齒槽相配合。扳機通過轉軸B與鎖止座銷接,鎖止座通過銷軸與鎖止片銷接。

▲圖2 鎖止機構組成

3 工作原理

3.1 推桿驅動

對驅動手柄施加驅動力FA,驅動手柄繞OA點順時針轉動,并帶動撥片向驅動方向運動。此時,撥片相對推桿發(fā)生微小轉動,撥片與推桿相互作用,兩者之間產生較大摩擦力。繼續(xù)按壓驅動手柄,撥片繼續(xù)向驅動方向運動,壓縮撥片復位彈簧。同時,在摩擦力的作用下,撥片帶動推桿向驅動方向運動,壓縮復位彈簧。推桿上的齒槽與鎖止機構相配合,當按壓驅動手柄至極限位置時,推桿前移一個齒槽的距離,并在鎖止機構的作用下鎖定。此時,松開驅動手柄,在撥片復位彈簧的作用下,撥片和驅動手柄復位,完成一次驅動,實現(xiàn)推桿向驅動方向移動一個齒距。重復以上操作,可實現(xiàn)推桿不同行程的位移。

3.2 鎖止和解鎖

正常狀態(tài)下,鎖止片棘齒位于推桿的一個齒槽內,并鎖定。當推桿向驅動方向前進時,鎖止片向下運動。當推桿向驅動方向移動一個齒距時,鎖止片復位,重新完成對推桿的鎖定。推桿至指定位置后,對扳機施加解鎖力FD,扳機繞OD點順時針運動,并帶動鎖止片壓縮鎖止壓簧,沿鎖止座圓柱槽孔向下運動,直至鎖止片棘齒與推桿完全脫離。此時,在復位彈簧的作用下,推桿迅速向回復方向移動,直至推桿完全復位。松開扳機,在鎖止壓簧的作用下,鎖止片復位,與推桿初始位置狀態(tài)齒槽配合,完成解鎖操作。

4 計算

4.1 驅動力

在驅動過程中,往復推進機構受力分析如圖3所示。在受力分析簡化過程中,忽略不重要的摩擦力,同時由于鎖止壓簧預壓力相對復位彈簧力很小,因此忽略鎖止機構的作用。驅動過程中,撥片轉動角度很小,分析過程中撥片可取豎直狀態(tài)。圖3中,F11為復位彈簧對推桿的作用力,F12為撥片復位彈簧對撥片的作用力,L10、L11為相應的力臂。

▲圖3 驅動過程中往復推進機構受力分析

對驅動過程進行靜力學分析,驅動力FA為:

FA=(F11+F12)L11/L10

(1)

取F11為42 N,對應最大位置,F12為12.9 N,L11為11.3 mm,L10為75 mm,代入式(1),可得驅動力FA為8.3 N,即最大位置需要的驅動力為8.3 N。

4.2 解鎖力

解鎖過程中,往復推進機構受力分析如圖4所示。在受力分析簡化過程中,忽略不重要的摩擦力,同時由于推桿對撥片的作用為解鎖助力,接觸脫離瞬間操作力最大,因此不考慮推桿對撥片的作用。圖4中,F21為復位彈簧對推桿的作用力,F22為鎖止壓簧對鎖止片的作用力,L20為解鎖力臂,L21為阻力臂,θ為銷軸對鎖止片的壓力與水平方向的夾角。

▲圖4 解鎖過程中往復推進機構受力分析

筆者采用MATLAB軟件對解鎖過程進行靜力學分析,代入相關力及力臂,并進行簡化[11],可得到解鎖力FD為:

(2)

取F21為42 N,對應最大位置,F22為3.6 N,θ為50.2°,代入式(2),可得到解鎖力FD為11.1 N,即最大位置時扳機解鎖力為11.1 N。

5 試驗驗證

試驗依托于空間站某艙外維修工具,該工具核心部分為上述往復推進機構,并且采用相同的參數(shù)。基于往復推進機構,筆者進行功能性操作試驗、驅動力測試試驗、解鎖力測試試驗。

5.1 功能性操作試驗

連續(xù)按壓驅動手柄,使推桿至最大位置,再按壓解鎖扳手,實現(xiàn)工具解鎖。重復以上動作五次,按壓和解鎖過程中,各部件能夠實現(xiàn)預期動作,運動靈活,無卡滯現(xiàn)象。

5.2 驅動力測試試驗

采用虎鉗,在鉗口墊橡膠墊,夾住產品,以驅動手柄中間位置為著力點,采用20 N拉力計測量每次按壓驅動手柄的驅動力,重點記錄推桿在最大位置時的驅動力。驅動力測試試驗現(xiàn)場如圖5所示,共測量八次,結果見表1。

▲圖5 驅動力測試試驗現(xiàn)場

表1 驅動力測試試驗結果

驅動力FA理論值為8.3 N,實測平均值為8.6 N,誤差為3.6%,在10%誤差范圍內,滿足性能要求。

5.3 解鎖力測試試驗

采用虎鉗,在鉗口墊橡膠墊,夾住產品,按壓驅動手柄,使推桿至最大位置,以扳機中間位置為著力點,采用20 N拉力計測量每次解鎖過程中的最大力。解鎖力測試試驗現(xiàn)場如圖6所示,共測量八次,結果見表2。

▲圖6 解鎖力測試試驗現(xiàn)場

表2 解鎖力測試試驗結果

解鎖力FD理論值為11.1 N,實測平均值為12.6 N,誤差為13.5%。誤差相對較大,超出10%允許范圍。誤差過大可能是由于摩擦因數(shù)設定等問題引起,需要進一步改進,但是整體滿足使用要求。

6 結束語

筆者設計的往復推進機構具有推力大、可靠性高等優(yōu)點,通過鎖止機構前置,使這一往復推進機構更加符合航天人機工效學的要求,并且能夠實現(xiàn)艙外單手操作。

完成以這一往復推進機構為核心的艙外維修工具的試驗,試驗結果表明能夠滿足航天員使用要求。同時,這一往復推進機構具有一定的通用性,可以通過對機構推桿末端進行設計實現(xiàn)功能擴展。