關(guān)鍵詞:材料工程師論文,材料科學(xué),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),解鎖裝置

　　為滿足現(xiàn)階段各種材料的空間制備實(shí)驗(yàn)需求，需要?jiǎng)?chuàng)建能在空間長期工作的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括真空裝置、加熱裝置、樣品轉(zhuǎn)位裝置和樣品提拉裝置。樣品轉(zhuǎn)位裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品的轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)。在飛行器發(fā)射階段科學(xué)材料實(shí)驗(yàn)裝置不進(jìn)行工作[1-4]，此時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置需要將轉(zhuǎn)位裝置中的實(shí)驗(yàn)樣品鎖死，減小實(shí)驗(yàn)樣品的摩擦和振動(dòng)。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行階段，實(shí)驗(yàn)裝置需要對(duì)轉(zhuǎn)位裝置進(jìn)行解鎖，避免在旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)驗(yàn)樣品與其他裝置發(fā)生摩擦。本文設(shè)計(jì)了一種適用于空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)解鎖裝置(已申請(qǐng)專利)，可對(duì)配套試驗(yàn)樣品進(jìn)行上鎖和解鎖，具有質(zhì)量小、可靠性高的特點(diǎn)。

　　1實(shí)驗(yàn)裝置組成及工作原理

　　解鎖裝置在材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中的安裝位置如圖1所示。此自動(dòng)解鎖裝置主要由上壓板、下壓板、減振墊、蓋板、螺釘、彈簧、螺母、開口銷組成。上壓板安裝在上底座上，實(shí)驗(yàn)裝置中的6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品分別安裝在蓋板的6個(gè)六方孔中，6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品頭部與減振墊接觸，蓋板、減振墊、下壓板作為一個(gè)組件(蓋板組件)安裝在上壓板上。減振墊起到讓實(shí)驗(yàn)樣品減振的作用。

　　螺釘安裝在上壓板、下壓板、減振墊、蓋板的中心孔中。自動(dòng)解鎖裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。解鎖裝置工作原理:在飛行器發(fā)射期間，解鎖裝置緊密壓在實(shí)驗(yàn)樣品上端面。實(shí)驗(yàn)樣品頭部為六方結(jié)構(gòu)，插入相應(yīng)的解鎖裝置六方孔中，此時(shí)電機(jī)斷電自鎖，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不工作，解鎖裝置將實(shí)驗(yàn)樣品抱死，裝置為鎖死狀態(tài)。入軌后，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)給實(shí)驗(yàn)裝置提供動(dòng)力，6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品開始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力大于彈簧解鎖力時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品帶動(dòng)蓋板轉(zhuǎn)動(dòng)。蓋板、減振墊、下壓板通過6個(gè)螺釘連接，蓋板帶動(dòng)下壓板轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度，下壓板凸臺(tái)對(duì)中上壓板凹槽時(shí)，在彈簧力作用下，螺母將蓋板、減振墊、下壓板組成的蓋板組件回拉，蓋板、減振墊與6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品上端脫離，實(shí)現(xiàn)解鎖。開口銷用于防止螺母的松動(dòng)。

　　2關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與校核

　　2.1上壓板與下壓板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　下壓板中心有6個(gè)凸臺(tái)，實(shí)驗(yàn)樣品在壓緊狀態(tài)下，下壓板中心的6個(gè)凸臺(tái)與上壓板中心的6個(gè)凸臺(tái)完全接觸配合，當(dāng)實(shí)驗(yàn)樣品轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蓋板、減振墊和下壓板組成的蓋板組件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上壓板的6個(gè)凸臺(tái)與下壓板的6個(gè)凸臺(tái)相互錯(cuò)開，在彈簧力的作用下下壓板中心的6個(gè)凸臺(tái)陷入上壓板中心凹槽內(nèi)，從而使解鎖裝置與實(shí)驗(yàn)樣品脫離，達(dá)到解鎖的目的。上壓板結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，下壓板結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

　　2.2蓋板與實(shí)驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　蓋板中的孔型設(shè)計(jì)為六方孔形，實(shí)驗(yàn)樣品頭部設(shè)計(jì)為六面體柱狀。鎖緊狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)樣品與蓋板配合，6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品頭部分別插入對(duì)應(yīng)蓋板孔中，限制實(shí)驗(yàn)樣品自轉(zhuǎn)。為便于導(dǎo)向，蓋板中六方孔與安瓿頭部六方形均設(shè)計(jì)為錐形。為防止鎖死，蓋板六方孔面積與樣品頭部面積相等的情況下，樣品錐角角度α應(yīng)該小于蓋板六方孔錐角角度θ，或者蓋板錐角角度θ>2arctanμ[5-6]，其中μ為蓋板(材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti)與樣品頭部(材料為鈦合金TC4)之間的摩擦系數(shù)，蓋板結(jié)構(gòu)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)樣品頭部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　2.3彈簧設(shè)計(jì)

　　裝置將實(shí)驗(yàn)樣品鎖死時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，利用彈簧彈力將上壓板凸臺(tái)與下壓板凸臺(tái)壓緊。需要解鎖時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下壓板與上壓板錯(cuò)位后，彈簧伸展帶動(dòng)螺釘向上拉動(dòng)蓋板組件回升，實(shí)現(xiàn)解鎖。其設(shè)計(jì)如下:1)彈簧為壓縮彈簧，其材料為1Cr18Ni9Ti。1Cr18Ni9Ti具有耐腐蝕、耐高溫特性，適用于做小彈簧[5-7]。彈簧按Ⅲ類彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)，即其受變載荷作用次數(shù)在103以下。其力學(xué)性能數(shù)據(jù)為許用切應(yīng)力τP=533MPa，許用彎曲應(yīng)力σBP=677MPa。2)根據(jù)安裝尺寸初選鋼絲直徑為1.8mm，旋繞比C=7，計(jì)算曲度系數(shù)K:

　　3解鎖力計(jì)算

　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能否帶動(dòng)裝置中活動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)是能否可靠解鎖的關(guān)鍵。活動(dòng)部件是由蓋板、減振墊及下壓板組成的組件。在轉(zhuǎn)位動(dòng)作開始后，上壓板會(huì)與活動(dòng)部件中的下壓板摩擦，由此對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品組件轉(zhuǎn)軸中心產(chǎn)生摩擦力矩M1，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)樣品組件轉(zhuǎn)軸中心產(chǎn)生反向的力矩M2，比較M1與M2大小，便能判斷轉(zhuǎn)位電機(jī)能否帶動(dòng)解鎖裝置活動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)。M1的產(chǎn)生是由上壓板與下壓板摩擦產(chǎn)生的，而摩擦副的正壓力是實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)活動(dòng)部件下壓板的壓力F樣品以及彈簧對(duì)下壓板的拉力F彈簧的合力，如圖7所示。

　　4解鎖試驗(yàn)

　　可靠解鎖是產(chǎn)品功能的關(guān)鍵。上壓板、下壓板選用硬鋁2A12材料制造。六方孔中心圓直徑為66mm。解鎖裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示，實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)如圖9所示。為考核解鎖裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及解鎖可靠性，對(duì)裝置下壓板加載力學(xué)試驗(yàn)要求的12g加速度及不同裕度加速度值，進(jìn)行多次重復(fù)性解鎖試驗(yàn)。電機(jī)輸出0.5N•m轉(zhuǎn)矩進(jìn)行解鎖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該實(shí)驗(yàn)裝置能可靠解鎖，裝置各部分結(jié)構(gòu)完好無損。

　　5結(jié)束語

　　本文提出了一種適用于空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)解鎖裝置，介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理。該自動(dòng)解鎖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，滿足航天對(duì)產(chǎn)品體積及質(zhì)量的要求;通過計(jì)算，該解鎖裝置只需提供2.1N•m的解鎖力矩即可解鎖，解鎖力較小;解鎖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在20g加速度載荷下該裝置可實(shí)現(xiàn)解鎖功能，性能穩(wěn)定，安全可靠，裝置結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)調(diào)滿足要求，具有很好的應(yīng)用前景，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一定參考。

　　作者：崔曉杰 陸登柏 張正軍 單位：蘭州空間技術(shù)物理研究所

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