一种具备高抗剪切性能的记忆金属拔销器

技术领域

本发明涉及飞行器解锁机构的技术领域，特别涉及一种记忆金属驱动的拔销器。

背景技术

飞行器尤其是航天器工作过程中，需要对某个状态或部分部件进行约束，达到指定工况后依指令解除约束，这一功能由解锁装置实现。目前，此类解锁装置多依靠爆炸螺栓(又称火工品螺栓)和石蜡驱动器实现锁紧和解锁功能。爆炸螺栓在解锁的过程中会产生较大的冲击并引发污染问题，对飞行器的姿态控制和精密设备都会造成很大的影响；此外，爆炸螺栓作为一次性解锁装置，试验验证不能直接实施，且存在意外点火的可能，因而其使用可靠性必然受限。石蜡驱动器冲击力小、可重复使用，但其输出力小，且结构复杂、操作缓慢、输出效率低。随着技术的发展尤其是新一代小型卫星的出现，现有技术的缺陷与急速增长的应用需求之间的矛盾日趋突出，解决该问题的一个重要方向是发展基于记忆金属的智能解锁装置。

记忆金属拔销器是一种典型的智能解锁装置，固定在连接结构上，限制分离结构的运动。专利US005771742和文献“Non-Explosive Pinpuller and Rotary Actuators”中分别公开了一种SMA(形状记忆合金)丝驱动的拔销器，其结构如图1和图2所示。两种拔销器结构类似，主要包括滑销、壳体、SMA丝、驱动弹簧、保持架、复位弹簧、滑块、滚珠等。锁紧状态下，滑销从壳体中伸出，实现对飞行器结构的锁紧，预压缩的驱动弹簧安装在壳体和滑销之间，由滚珠为其提供纵向限位，滚珠在滑销、保持架和滑块作用下平衡，滑块受SMA丝和复位弹簧作用而平衡。需要解锁时，对SMA丝通电加热，SMA丝收缩带动滑块上移(图示方向)，滚珠掉入滑块上的凹槽中，失去对滑销的约束，滑销受驱动弹簧压紧力作用而下移，完成拔销过程。需要复位时，利用滑销上部的螺纹将滑销拉出，解锁过程中被压缩的复位弹簧推动滑块下移，滚珠被推出滑块上的凹槽，重新卡入滑销、保持架和滑块之间，机构复位。

上述拔销器具有冲击力小、无污染、可重复使用、操作简便等优势，但也存在以下缺点：

(1)滑销与支撑件的配合段(即滑销与其他零件配合面的纵向高度)较短，致使滑销承受剪切负载时的解锁可靠性难以保证；

(2)滑销和保持架均为阶梯轴式结构，为了确保拔销过程顺畅，滑销和保持架应具有较高的配合精度，而阶梯轴式配合的同轴度控制难度较大；

(3)驱动弹簧直接或近似直接地作用在滑销上，未考虑弹簧压紧力不均的情形，一旦传导到滑销上的驱动弹簧压紧力不均匀，容易出现滑销滑动不畅的问题；

(4)缺少对解锁过程的实时监测和控制。未进行状态输出和反馈设计，不能输出拔销是否成功的状态信号，也未对SMA丝加热电路的工作进行闭环控制，可能会造成SMA丝过热而损坏。

发明内容

本发明针对现有技术中不足，提供了一种抗剪切能力强、拔销顺畅、可靠性高、解锁过程可实时监测的记忆金属拔销器。

本发明采用的技术方案为：一种具备高抗剪切性能的记忆金属拔销器，包括滑销、保持架、传动销钉、滚珠、滑套、驱动弹簧、弹簧衬套、复位弹簧、SMA丝、壳体、底盖和行程开关等。其中滑销为拔销器的作动元件，驱动弹簧、弹簧衬套、传动销钉和复位弹簧组成驱动单元，SMA丝、滑套和滚珠组成触发单元，保持架、壳体和底盖组成支撑单元，行程开关和相应的电路系统组成控制单元。

其中，轴型的滑销安装在保持架内；滑销下部设有梯形槽，用于锁紧状态下与滚珠配合；中部横向设有哑铃型通孔，用于安装传动销钉；上部可从保持架上端伸出，用于对外提供锁紧功能；上端部沿纵向设有螺纹孔，用于机构复位。

其中，保持架为管状结构，其中上部设有长形孔(截面为田径运动场形状)，为传动销钉的上下移动提供空间；中部设有凸边，用于安装复位弹簧；中下部设有圆孔，用于与滚珠配合；下端正交设置两对马蹄形孔，为SMA丝驱动过程提供运动空间；保持架底部通过螺纹固定在底盖上的中心孔内。

其中，滑套为等外径的套筒式结构；其内设有带斜面的阶梯状凹槽，上部的凹槽用于锁紧状态下滚珠的径向限位，下部的凹槽用于解锁后滚珠的收纳；滑套下部不同高度上设有两对正交的通孔，用于SMA丝的布置。

其中，驱动弹簧通过弹簧衬套安装在保持架之外，其上端支撑在壳体内壁上，下端支撑在弹簧衬套的凸边上，驱动弹簧通过弹簧衬套和传动销钉间接驱动滑销。

其中，复位弹簧上端支撑在保持架中部的凸边上，下端支撑在滑套上端面；锁紧状态时复位弹簧轻度压缩，确保滑套上部的凹槽斜面与滚珠保持接触，防止因振动等因素导致滑套上移进而引起意外拔销解锁；拔销后滑套上移使复位弹簧完全压缩，其储存的弹性势能为滑套、滚珠、SMA丝的复位提供驱动力。

其中，SMA丝穿过滑套下部的通孔和壳体侧壁的孔，固定在壳体的上部，SMA丝的布置路径上所有的转角部位均经过倒圆角处理，以防止SMA丝因应力集中而影响其使用可靠性。两根SMA丝正交布置、互为备份，实现冗余驱动。

其中，壳体、保持架和底盖共同组成拔销器的支撑单元，为其他零件提供支撑和定位。

其中，壳体中部内侧面开有凹槽，安装行程开关，行程开关可对拔销过程和复位过程进行实时监测和闭环控制；凹槽和行程开关的数量可根据需要设置，对称布置使用，可以是1对、2对甚至更多对，凹槽的位置与SMA丝的布置在周向上错开。

锁紧状态下，驱动弹簧完全压缩，滚珠在滑套、保持架和滑销的共同作用下保持平衡，滑销受滚珠的约束而保持在伸出状态。需要解锁拔销时，对SMA丝通电，SMA丝受热后收缩，带动滑套上移，滚珠失去平衡并掉入滑套下部的收纳空间，滑销受驱动弹簧压紧力的作用而下移，完成拔销过程，同时复位弹簧进入压缩状态。需要复位时，利用复位工装将滑销从保持架拉出，滑销移动一定距离后，滑销梯形槽到达保持架圆孔处，滚珠在滑套中部凹槽斜面的侧向压力作用下进入滑销梯形槽中，复位弹簧推动滑套下移，直至滑套上部凹槽斜面与滚珠接触，拔销器复位完成。

进一步地，所述行程开关通过感受弹簧衬套的位置来确定滑销的位置，从而对拔销过程和复位过程进行实时监测，并对SMA丝的供电电路进行控制。

进一步地，所述复位工装，其结构类似于开瓶器，头部设有螺钉，可与滑销的螺纹孔配合，需要复位时，将该螺钉与滑销进行螺纹连接，同时将复位压杆向下挤压，借助杠杆原理使螺钉向内收缩，将滑销从壳体内拉出。

进一步地，SMA丝和壳体、保持架之间进行绝缘处理。

本发明与现有的技术相比，优势表现在以下几个方面：

(1)本发明的滑销为等直径轴式结构，其与保持架的配合是经典的孔轴式配合，配合精度高，机加工难度小，避免了现有技术中阶梯轴式配合而带来的同轴度难以控制的问题；

(2)本发明的滑销与保持架配合段高度是现有技术的两倍以上，在拔销器的整个高度范围内都配合，因此滑销可承受更大的剪切负载，且滑动可靠性高；

(3)本发明传动销钉安装在滑销的哑铃型通孔中，允许传动销钉在孔内有一定的活动自由度，这种间接驱动滑销的方式，可避免驱动弹簧压紧力在周向分布不均匀而引起滑销滑动不顺畅的问题；

(4)本发明中设有监测弹簧衬套运动位置的行程开关，可对外发出拔销的状态信号，并与SMA丝的供电电路组成闭环反馈系统，拔销成功时可及时切断电路，保护SMA丝不会因过热而损坏。

附图说明

图1为现有技术的一种拔销器结构示意图；

图2为现有技术的另一种拔销器结构示意图；

图3为本发明的拔销器锁紧状态的剖视图；

图4为本发明的拔销器解锁状态的剖视图；

图5为本发明的拔销器行程开关的工作示意图；

图6为本发明的拔销器复位工装的结构示意图。

附图标号说明：1.滑销；2.保持架；3.驱动弹簧；4.弹簧衬套；5.传动销钉；6.复位弹簧；7.SMA丝；8.滑套；9.滚珠；10.壳体；11.底盖；12.行程开关；101.螺纹孔；102.哑铃形孔；103.梯形槽；201.长形孔；202.凸边；203.圆孔；204.马蹄形孔；801.斜面一；802.斜面二。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

本发明提供一种具备高抗剪切性能的记忆金属拔销器，其结构如图3～图5所示，主要包括作动元件、支撑单元、触发单元、驱动单元和控制单元。

其中，滑销1是对外提供锁紧和解锁功能的作动元件，工作时，拔销器固定在连接结构上，滑销1伸出状态下，可承受来自分离结构的剪切负载，限制分离结构的运动，滑销1收缩状态时，解除对分离结构的限位。

支撑单元由保持架2、壳体10和底盖11组成，为拔销器的其他零件提供支撑和定位；保持架2为管状结构，为滑销1的伸出和收缩提供运动轨道，其上部从壳体10顶部的中心孔伸出，下部固定在底座11中心的内螺纹孔中；壳体10顶部设有法兰安装边，通过螺栓将拔销器固定在连接结构上，壳体10底部与底盖11的外螺纹配合。

触发单元由SMA丝7、滑套8、滚珠9组成，用于触发拔销过程。驱动单元包括驱动弹簧3、弹簧衬套4、传动销钉5和复位弹簧6，其中驱动弹簧3、弹簧衬套4和传动销钉5为拔销解锁过程提供驱动力，复位弹簧6为复位过程中SMA丝7、滑套8和滚珠9的复位提供驱动力。

控制单元主要由行程开关12和相应的电路系统做成，用于拔销和复位过程中的滑销位置的监测，并与SMA丝7的供电电路组成闭环反馈系统、参与电路控制。

锁紧状态下，如图3所示，滚珠9在滑套8上部凹槽、保持架2圆孔203和滑销1梯形槽103的共同作用下保持平衡；滑销1受滚珠9的约束而保持在伸出状态；传动销钉5横穿过滑销1的哑铃形孔102和保持架2的长形孔201，为弹簧衬套4提供纵向限位；完全压缩的驱动弹簧3安装在壳体10和弹簧衬套4之间；轻度压缩状态的复位弹簧6安装在保持架2中部的凸边202和滑套8之间；SMA丝7从保持架2下部的马蹄形孔204中穿过，经滑套8下部的通孔和壳体10侧壁的孔后固定在壳体10上部。

需要拔销时，对SMA丝7通电，SMA丝7受热后收缩从而带动滑套8上移，滚珠9失去平衡，受滑销1梯形槽103的斜面作用而掉入滑套8下部的收纳空间，滑销1失去纵向约束，驱动弹簧3推动弹簧衬套4、传动销钉5和滑销1沿着保持架2的长形孔201向下移动，直至滑销1收缩至保持架2以内，如图4所示，拔销完成。

需要复位时，利用图6所示复位工装，将其头部的螺钉拧入滑销顶部的螺纹孔101内，下压两侧的复位压杆，借助杠杆原理使螺钉向内收缩，从而将滑销1从保持架2中拉出,滑销1移动一定距离后，滑销1的梯形槽103到达保持架的圆孔203处，滚珠9在滑套8斜面二802的侧向压力作用下进入滑销1的梯形槽103中，同时，复位弹簧6推动滑套8下移，直至滑套8斜面一801与滚珠9接触，滚珠9重新进入平衡状态，驱动弹簧3完全压缩，SMA丝7被拉长，拔销器复位完成。

壳体10中部内壁上安装有行程开关12。一方面，行程开关12通过感受弹簧衬套4的位置来测量滑销1的位置，从而对拔销过程和复位过程进行实时监测，并对外发出拔销成功的状态信号；另一方面，将行程开关12与SMA丝7的供电电路组成闭环反馈系统，拔销成功时可自动切断电路，从而保护SMA丝不会因通电时间过长而过热损坏。图5所示为对称设置2个行程开关12，当这1对行程开关12示数均到达指定值时，即可判断拔销过程或复位过程完成。可以理解，行程开关的数量也可以设置为4个(2对)或更多对，多个行程开关通过一定的逻辑关系并联使用，根据其中任1对的示数即可判定拔销器的状态，状态监控的可靠性更高。

考虑到弹簧压紧力周向分布不均的特点，本发明的驱动弹簧3通过弹簧衬套4推动传动销钉5移动，进而驱动滑销1收缩，避免了不均匀的弹簧压紧力直接作用在滑销1上，同时在传动销钉5与滑销1的传力路径上设置有哑铃型孔102，该孔允许传动销钉5有一定的活动自由度，使得滑销1仅承受纵向的驱动力，从而确保拔销过程顺畅。

SMA丝7与保持架2、滑套8、壳体10之间需要进行绝缘处理。本实施例中，采用在SMA丝7外设置聚四氟乙烯耐高温绝缘套管的方式实现绝缘。可以理解，绝缘也可以采用其他方式：如通过绝缘氧化、陶瓷基绝缘涂层、高分子绝缘涂层等工艺对保持架2、滑套8、壳体10进行整体绝缘；或者对于无特殊承载要求的场合，保持架2、滑套8、壳体10也可以选择聚酰亚胺或者其它树脂材料实现绝缘。

需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如底、顶、上、下、内、外、纵向、周向等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何修改、等同变化与修饰、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。