基于SMA驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)彈簧分離裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙守強(qiáng) 劉凌 趙天翔 劉成

摘 要：在扭轉(zhuǎn)彈簧分離裝置中，拔銷器是一個(gè)十分關(guān)鍵的零部件，直接影響到分離裝置的使用效果。拔銷器由一個(gè)偏置彈簧和一個(gè)SMA記憶合金驅(qū)動(dòng)彈簧組成，偏執(zhí)彈簧的作用是將SMA記憶合金驅(qū)動(dòng)彈簧復(fù)位，它們?cè)谝黄鹉軌驅(qū)崿F(xiàn)銷子的拔出與插入。文章分析了形狀記憶效應(yīng)影響因素，介紹了SMA拔銷器的原理，并通過(guò)潤(rùn)滑和公差配合等方面對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧分離裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：SMA驅(qū)動(dòng)；扭轉(zhuǎn)彈簧；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V423.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）26-0072-02

Abstract： In the torsional spring separation device， the pin puller is a very key component， which directly affects the use of the separation device. The pin puller consists of a bias spring and a SMA memory alloy drive spring. The bigoted spring is used to reset the SMA memory alloy drive spring. Together， the pins can be pulled out and inserted. This paper analyzes the influencing factors of shape memory effect， introduces the principle of SMA pin puller， and optimizes the design of torsion spring separator through lubrication and tolerance fit.

Keywords： SMA drive； torsional spring； optimal design

引言

記憶合金在某種激勵(lì)下所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力對(duì)分離裝置運(yùn)行具有重要作用，而分離裝置在很多領(lǐng)域有著至關(guān)重要的作用，特別是在航天器上具有非常廣泛的應(yīng)用，例如天線、太陽(yáng)帆板的展開和釋放，火箭與星體的分離等。當(dāng)前我國(guó)關(guān)于這方面的研究主要在火工領(lǐng)域，所制作的分離裝置也以這類領(lǐng)域?yàn)橹?。記憶合金彈簧在受到溫度激?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。

1 形狀記憶效應(yīng)影響因素

材料、形狀、溫度、應(yīng)力等方面都影響著記憶合金的效應(yīng)。不同形狀的材料在熱傳導(dǎo)方面會(huì)存在延時(shí)性，導(dǎo)致受熱不一定均勻，特別對(duì)于那些記憶合金筒，記憶合金管等大型元件；溫度自然是影響記憶合金材料最大的因素，那么不同的材料的平衡溫度和對(duì)溫度的響應(yīng)范圍都有差異，對(duì)于這一點(diǎn)要通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)，從而選擇適合某類裝置的材料。由于應(yīng)力也是引起記憶合金材料中馬氏體相變的重要因素，所以需要考慮應(yīng)力對(duì)記憶合金效應(yīng)的影響，結(jié)合數(shù)據(jù)相變的溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。

2 裝置分離原理

早在1993年美國(guó)洛德馬丁公司就開始了基于SMA分離裝離裝置的研發(fā)，研制了兩種以SMA為驅(qū)動(dòng)的分離螺母Low Force Nut和Two-Stage Nut，簡(jiǎn)稱LFN和TSN。LFN的推動(dòng)機(jī)構(gòu)是SMA驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)加熱SMA金屬，產(chǎn)生形變，產(chǎn)生的應(yīng)力是連接的螺栓斷裂，所應(yīng)用的螺栓進(jìn)行刻痕處理，從而方便螺栓的失效從而實(shí)現(xiàn)連接件與被連接件的分離；TSN型分離裝置，卸除螺栓上的預(yù)加載荷，再實(shí)現(xiàn)螺栓與螺母的分離。

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。

3 SMA拔銷器的原理

單向形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)拔銷器由一個(gè)偏置彈簧和一個(gè)SMA記憶合金驅(qū)動(dòng)彈簧組成，偏執(zhí)彈簧的作用是將SMA記憶合金驅(qū)動(dòng)彈簧復(fù)位，它們?cè)谝黄鹉軌驅(qū)崿F(xiàn)銷子的拔出與插入。其中的原理是，當(dāng)溫度降低時(shí)，SMA彈簧會(huì)出現(xiàn)母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，因此SMA彈簧的作用力變小、變軟，另一側(cè)的偏置彈簧就會(huì)壓縮SMA彈簧，銷子就會(huì)向左移。但是，當(dāng)溫度升高SMA時(shí)，彈簧就會(huì)出現(xiàn)馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶喽a(chǎn)生回復(fù)的力，這個(gè)力大于偏置彈簧的壓縮力。從而克服偏置彈簧的力，使銷子向右移動(dòng)，完成銷子的拔插作用。

4 拔銷器設(shè)計(jì)分析

拔銷器是對(duì)設(shè)計(jì)中螺栓的軸向旋轉(zhuǎn)所做的控制部分。通過(guò)拔銷器的工作從而實(shí)現(xiàn)裝置的解鎖。而拔銷器的驅(qū)動(dòng)是靠記憶合金彈簧所提供的驅(qū)動(dòng)力，壓縮偏執(zhí)彈簧。收縮銷子，解鎖束縛，完成解鎖。根據(jù)輸出力和輸出位移的要求設(shè)計(jì)記憶合金彈簧與偏置彈簧組成偏壓式雙程驅(qū)動(dòng)器。給出由記憶合金彈簧與普通彈簧（偏置彈簧）構(gòu)成的偏置機(jī)構(gòu)的工作原理。低溫時(shí)，形狀記憶合金彈簧處于馬氏體狀態(tài)，質(zhì)地較軟，偏動(dòng)力（偏執(zhí)彈簧的力）把記憶合金彈簧壓向右側(cè)；當(dāng)溫度升高時(shí)，記憶合金彈簧由于形變會(huì)伸長(zhǎng)，其恢復(fù)力會(huì)將偏置彈簧推向左側(cè)，這樣隨溫度的升高和降低即熱循環(huán)時(shí)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)裝置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種偏置機(jī)構(gòu)可用于各種溫控機(jī)構(gòu)，來(lái)控制某些裝置的開關(guān)，例如利用溫度進(jìn)行控制的百葉窗、汽車?yán)锏墓?jié)溫器等等。

5 優(yōu)化分析

5.1 潤(rùn)滑

潤(rùn)滑在機(jī)械零件來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)很重要的工作，潤(rùn)滑在摩擦學(xué)的領(lǐng)域是非常重要的一門研究型學(xué)科，改善優(yōu)化摩擦副的摩擦狀態(tài)以及降低因摩擦阻力造成的摩擦損耗，潤(rùn)滑劑就會(huì)通過(guò)它的特性達(dá)到的目的。另外，潤(rùn)滑劑還具有防止生銹，減輕震動(dòng)損害，對(duì)裝置進(jìn)行密封和傳遞動(dòng)力等作用。充分合理的利用現(xiàn)代的潤(rùn)滑技術(shù)能夠在提高機(jī)器的使用性能和壽命并減少能源消耗方面起到重大作用。

在扭轉(zhuǎn)彈簧式分離裝置里自然不可缺少潤(rùn)滑劑的使用，相較于破壞式，扭轉(zhuǎn)彈簧式結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，所需要的潤(rùn)滑措施也自然更加細(xì)致。

特制螺栓與抗剪環(huán)之間、抗剪環(huán)與筒璧之間、非自鎖螺紋之間、拔銷器銷子與銷孔之間，都需要潤(rùn)滑。這樣既利于裝置的裝配，同時(shí)對(duì)于裝置的運(yùn)行也起到保障作用，確保裝置不因摩擦緣故導(dǎo)致響應(yīng)緩慢甚至失敗。同時(shí)，精密儀器對(duì)裝置的防銹處理有更高的要求，潤(rùn)滑劑自然也對(duì)這一方面起到重要作用。

跟破壞桿式類似，國(guó)內(nèi)許多品牌的優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑有可以滿足扭轉(zhuǎn)彈簧式裝置的使用需求，長(zhǎng)城、昆侖等品牌的潤(rùn)滑油可以運(yùn)用到該裝置上。

5.2 公差配合

根據(jù)公差與配合（GB1800～1804-79），國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦選用配合，基孔制的優(yōu)先和常用配合。根據(jù)GB/T 1801-1999規(guī)定基孔制常用配合46種，優(yōu)先選用的配合共有13種。扭轉(zhuǎn)彈簧式裝置孔軸配合需要確切的設(shè)計(jì)和查表，抗剪環(huán)和特制螺栓，抗剪環(huán)和筒壁，拔銷器銷子和銷孔，由于分離時(shí)需要相互之間需要移動(dòng)，所以選擇間隙配合，查表后選擇。特制法蘭螺母和銷子，由于需要較大的緊固力，并且需要固定，確保添加預(yù)緊力，并且防止因?yàn)樗蓜?dòng)而脫落，影響裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以需要過(guò)盈配合，查表后選擇。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章分別從材料、形狀、溫度、應(yīng)力等方面分析了形狀記憶效應(yīng)影響因素，介紹了扭轉(zhuǎn)彈簧式分離裝置的分離原理和SMA拔銷器的工作原理，參照以往各項(xiàng)關(guān)于SMA分離裝置所做出的設(shè)計(jì)分析和研究，此類裝置的設(shè)計(jì)研究是以航天器中的分離設(shè)施為背景所進(jìn)行的相關(guān)研究，利用記憶合金材料的記憶效應(yīng)而設(shè)計(jì)的，并通過(guò)潤(rùn)滑和公差配合等方面對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧分離裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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