空间材料试验装置的工作原理和结构设计

　　关键词:材料工程师论文,材料科学,旋转运动,解锁装置

　　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。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。

　　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

　　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。

　　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66mm。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。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。

　　作者：崔晓杰 陆登柏 张正军 单位：兰州空间技术物理研究所

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