空间材料科学实验自动解锁装置的设计

崔晓杰，陆登柏，张正军

(兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000)

为满足现阶段各种材料的空间制备实验需求，需要创建能在空间长期工作的材料科学实验平台。材料科学实验平台包括真空装置、加热装置、样品转位装置和样品提拉装置。样品转位装置可以实现对多个实验样品的转位运动。在飞行器发射阶段科学材料实验装置不进行工作[1-4]，此时实验装置需要将转位装置中的实验样品锁死，减小实验样品的摩擦和振动。在科学实验装置运行阶段，实验装置需要对转位装置进行解锁，避免在旋转过程中实验样品与其他装置发生摩擦。本文设计了一种适用于空间材料科学实验旋转运动的自动解锁装置(已申请专利)，可对配套试验样品进行上锁和解锁，具有质量小、可靠性高的特点。

1 实验装置组成及工作原理

解锁装置在材料科学实验装置中的安装位置如图1所示。此自动解锁装置主要由上压板、下压板、减振垫、盖板、螺钉、弹簧、螺母、开口销组成。上压板安装在上底座上，实验装置中的6个实验样品分别安装在盖板的6个六方孔中，6个实验样品头部与减振垫接触，盖板、减振垫、下压板作为一个组件(盖板组件)安装在上压板上。减振垫起到让实验样品减振的作用。螺钉安装在上压板、下压板、减振垫、盖板的中心孔中。自动解锁装置结构图如图2所示。

图1 解锁装置安装位置示意图

图2 自动解锁装置示意图

解锁装置工作原理：在飞行器发射期间，解锁装置紧密压在实验样品上端面。实验样品头部为六方结构，插入相应的解锁装置六方孔中，此时电机断电自锁，传动机构不工作，解锁装置将实验样品抱死，装置为锁死状态。入轨后，传动机构给实验装置提供动力，6个实验样品开始旋转运动，当旋转动力大于弹簧解锁力时，实验样品带动盖板转动。盖板、减振垫、下压板通过6个螺钉连接，盖板带动下压板转动，当转过一定角度，下压板凸台对中上压板凹槽时，在弹簧力作用下，螺母将盖板、减振垫、下压板组成的盖板组件回拉，盖板、减振垫与6个实验样品上端脱离，实现解锁。开口销用于防止螺母的松动。

2 关键零部件的设计与校核

2.1 上压板与下压板的结构设计

下压板中心有6个凸台，实验样品在压紧状态下，下压板中心的6个凸台与上压板中心的6个凸台完全接触配合，当实验样品转动带动盖板、减振垫和下压板组成的盖板组件转动时，上压板的6个凸台与下压板的6个凸台相互错开，在弹簧力的作用下下压板中心的6个凸台陷入上压板中心凹槽内，从而使解锁装置与实验样品脱离，达到解锁的目的。上压板结构图如图3所示，下压板结构图如图4所示。

图3 上压板结构示意图

图4 下压板结构示意图

2.2 盖板与实验样品的结构设计

盖板中的孔型设计为六方孔形，实验样品头部设计为六面体柱状。锁紧状态下实验样品与盖板配合，6个实验样品头部分别插入对应盖板孔中，限制实验样品自转。为便于导向，盖板中六方孔与安瓿头部六方形均设计为锥形。为防止锁死，盖板六方孔面积与样品头部面积相等的情况下，样品锥角角度α应该小于盖板六方孔锥角角度θ，或者盖板锥角角度θ>2arctanμ[5-6]，其中μ为盖板(材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti)与样品头部(材料为钛合金TC4)之间的摩擦系数，盖板结构如图5所示，实验样品头部结构如图6所示。

2.3 弹簧设计

图5 盖板结构示意图

图6 实验样品头部结构示意图

装置将实验样品锁死时，弹簧处于压缩状态，利用弹簧弹力将上压板凸台与下压板凸台压紧。需要解锁时，实验样品转动带动下压板与上压板错位后，弹簧伸展带动螺钉向上拉动盖板组件回升，实现解锁。其设计如下：

1)弹簧为压缩弹簧，其材料为1Cr18Ni9Ti。1Cr18Ni9Ti具有耐腐蚀、耐高温特性，适用于做小弹簧[5-7]。弹簧按Ⅲ类弹簧进行设计，即其受变载荷作用次数在103以下。其力学性能数据为许用切应力τP=533MPa，许用弯曲应力σBP=677MPa。

2)根据安装尺寸初选钢丝直径为1.8mm，旋绕比C=7，计算曲度系数K：

3)试算弹簧丝直径d。

式中：Fmax为弹簧承受的最大工作载荷，考虑克服盖板组件拉升做功及安全裕度，取70N。

由计算结果可知原初选钢丝直径值合适，故选取弹簧钢丝直径d=1.8mm，此时弹簧中径D=12.6mm，故确定弹簧中径直径D=12mm。

4)计算压缩弹簧圈数n。

式中：G为切变模量，MPa；fmax为弹簧承受的最大工作载荷时的压缩变形量，依据结构空间取6mm。根据计算结果，确定压缩弹簧圈数的标准值n=5。最终设计的弹簧其尺寸为φ13.8mm×22.0mm，刚度为9.39N/mm。

3 解锁力计算

传动机构能否带动装置中活动部件旋转是能否可靠解锁的关键。活动部件是由盖板、减振垫及下压板组成的组件。在转位动作开始后，上压板会与活动部件中的下压板摩擦，由此对实验样品组件转轴中心产生摩擦力矩M1，而传动机构在实验样品组件转轴中心产生反向的力矩M2，比较M1与M2大小，便能判断转位电机能否带动解锁装置活动部件旋转。

M1的产生是由上压板与下压板摩擦产生的，而摩擦副的正压力是实验样品对活动部件下压板的压力F样品以及弹簧对下压板的拉力F弹簧的合力，如图7所示。

图7 解锁装置受力示意图

实验样品对下压板加载的最大的加速度为12g，即117.6m/s2，样品的平均质量为0.2kg，则每个样品向上施加的最大压力为23.52N，6个样品对下压板共施加向上压力141.12N。

下压板承受的向上的总压力F为：

F=F弹簧+F样品=141.12+70=211.12(N)

摩擦力f产生的力矩M1：

M1=μFd1/2=0.3×211.12×66/2×10-3=2.09(N·m)

其中，上压板与下压板凸台间的摩擦系数μ取0.3，6个安瓿所在圆直径d1=66mm。

依据装置所用电机技术要求，电机输出转矩大于0.5N·m，电机组件减速器减速比为198.5，转位机构主动齿轮齿数为40，从动齿轮齿数为117。

电机最小输出转矩M2为：

由此可见，力矩M1远小于M2，可保证装置可靠解锁。

4 解锁试验

可靠解锁是产品功能的关键。上压板、下压板选用硬铝2A12材料制造。六方孔中心圆直径为φ66mm。解锁装置结构如图8所示，实验样品结构如图9所示。为考核解锁装置结构强度及解锁可靠性，对装置下压板加载力学试验要求的12g加速度及不同裕度加速度值，进行多次重复性解锁试验。电机输出0.5N·m转矩进行解锁试验，试验结果见表1。

图8 解锁装置结构图

图9 样品头部结构图

表1 自动解锁装置解锁试验

实验结果显示，该实验装置能可靠解锁，装置各部分结构完好无损。

5 结束语

本文提出了一种适用于空间材料科学实验旋转运动的自动解锁装置，介绍了其结构和工作原理。该自动解锁装置结构简单、体积小、质量轻，满足航天对产品体积及质量的要求；通过计算，该解锁装置只需提供2.1N·m的解锁力矩即可解锁，解锁力较小；解锁实验结果表明在20g加速度载荷下该装置可实现解锁功能，性能稳定，安全可靠，装置结构刚度、强调满足要求，具有很好的应用前景，为同类产品的设计提供了一定参考。

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