基于SMA驱动的扭转弹簧式分离装置设计概述

赵守强 李新明 赵天翔 宋强

摘 要：分离装置能够实现空间分离功能，在火箭的逐级分离、航天器的分离、天线的部署等诸多方面具有重要作用。传统的火工爆炸式虽然有可靠性高、响应速度快、体积小等优点，但爆炸会产生冲击、灰尘、以及不可重复使用等问题也不容忽视。SMA（形状记忆合金）驱动的分离装置具有无污染、冲击小、可重复使用等优点被各国重视，本文对基于SMA驱动的扭转弹簧式分离装置进行分析设计。

关键词：SMA；扭转弹簧；分离装置

记忆合金材料是早20实际60年代逐渐形成和发展的一种新型的具有功能性的材料，简称之为SMA。它的本质是在一定的温度下，会实现材料的相体从奥氏体到马氏体转变的合金，在初始状态的记忆合金马氏体能够塑性变形，提高温宿到某一平衡或者临界温度以上又可恢复成最开始的状态，我们称这种能够回复到初始状态的能力成为记忆效应，它形变量是一般弹性材料的20倍以上，最大回复应变为8%，回复应力为300～600MPa。SMA主要有钛镍基、铜基和铁基这三大类，镍钛基是目前发现的形状记忆效应最好的一种，其抗拉强度大于1000MPa，延伸率也大于20%，回复应力会相应的变大，它的稳定性良好，具有循环性，抵抗腐蚀和摩擦的能力也非常优秀，是一种非常优秀的功能材料。

装置分离原理

扭转弹簧式分离装置采用了非自锁螺纹连接、SMA弹簧驱动、扭转弹簧助力。记忆合金弹簧在受到温度激励之后会产生形变和应力，进而压缩偏置弹簧启动拔销器运动，特制螺栓失去束缚，在扭转弹簧的助力下自动旋转落下，这也是选择非自锁螺纹连接的重要原因，让螺栓旋转下落时更加顺畅方便，旋下之后连接件与被连接件失去束缚，从而完成装置解锁。特制的法兰螺栓是为了使拔销器的销子可以对其进行固定。非自锁状态的运用是采用了螺纹升角与摩擦叫的关系进行了相应的设计。销子是起到固定法兰螺的作用，该装置施加预紧力是通过旋紧螺栓，而不是旋紧螺母，再加上非自锁的缘故，销子固定螺母的作用更加重要。

各零件设计分析

2. 螺栓设计

关于螺栓需要特特制，其部件为实现诸多功能而进行处理，无论是销子插入的孔还是非自锁螺纹的攻丝，再到螺栓端头与扭转弹簧的连接。其中螺栓端头与扭转弹簧的连接有诸多细节需要注意：扭转弹簧端头与螺栓头需要顺时针卡住，逆时针释放；因为扭转弹簧释放膨胀会卡在筒壁上，所以不会随螺栓脱落，所以两者之间是非锁定连接；在扭转弹簧释放时，会相应的产生惯性，假若扭转惯性过大，扭转弹簧达到恢复状态，此时扭转弹簧就会对螺栓产生阻力，为此特意设置半圆弧斜坡型沟槽，用于给惯性释放空间，同时斜坡槽的设置会加速扭转弹簧与螺栓的脱离；弹簧端头需要进行磨圆处理，去除棱角，以免因提高了摩擦因数而阻碍螺栓脱落旋转。

对于螺栓端头坡度的样式细节部位，坡度过渡要平缓，粗糙度降到最低，同样是为确保脱落顺畅。

2. 扭转弹簧设计

扭转弹簧在装置的运行过程中起到助力作用，该助力能够确保特制螺栓能够在拔销器收缩之后，加速旋下，缩短装置的响应时间，而却确保不因为杂质尘土等影响装置响应。

弹簧材料的选择：选用GB4375-1989规定的70号碳素钢丝。在使用过程中因对螺栓的旋转脱落起辅助作用，所以选用B级，制作应力较低的弹簧。

经过计算算得扭转弹簧的各项参数，弹簧旋转释放时刚好因为自身的膨胀使其卡在装置的筒壁上，避免出现扭转弹簧的反作用出现特制螺栓无法旋下的现象，同时特制螺栓也会在上设计半圆型沟槽，增加安全可靠性。

2.3 销子设计

销子是起到固定法兰螺的作用，该装置施加预紧力是通过旋紧螺栓，而不是旋紧螺母，再加上非自锁的缘故，销子固定螺母的作用更加重要。销子的力学性能也是至关重要的一项，在力学性能符合校核标准的情况下才能确保上述内容能够实现。

2.4 抗剪套设计

抗剪套的是为了削弱连接件与被连接件因相互的错动而产生的剪切力，起到保護螺栓的作用，由本文前面的计算螺栓可以承受住预紧力施加时的剪切力。所以对于抗剪套的设计是在给螺栓增大安全系数。防止出现意外，所以对于其内径即为螺栓的直径。抗剪套的外径可以设计为25mm，由此，抗剪套的厚度即为5m，这样的厚度足以保证其对螺栓的保护。

因为抗剪套不是固定存在的，它是可以随螺栓运动的，同时它跟螺栓也可以相对运动，所以，这对抗剪套与螺栓和筒壁之间的配合又提出了更高的要求，假设，抗剪套与螺栓配合过于紧密，并且与筒壁之间的配合也因紧密产生阻力，那么，在装置释放过程中，因为配合过于紧密所产生的阻力就会阻碍螺栓旋转，那么扭转弹簧所起到的作用也就大大折扣，因此要对配合严格控制。

2.5 法兰螺母设计

法兰螺母，也称带垫螺母，花齿螺母，六角法兰面螺母，法兰螺帽等。大多用在管道连接或者需要增加螺母接触面的工件上。在本装置的设计上是为了防止非自锁螺纹连接提供的阻碍预紧力施加的力，假若，螺母不存在法兰销钉固定，那么，螺母就因为非自锁自动脱落，失去预紧力。本装置目的是让螺栓在扭转弹簧的推动下自行脱落，而不是螺母。为此，必须依靠固定的螺母进行固定，这也就是设计销的原因，销子将被连接件和法兰个连接，阻碍了螺母旋下方向的力，实现固定。由于设计的特殊性。从而本螺母的设计比较特殊。其法兰直径根据前文中销的设计从而确定为90mm。螺母部分即是特殊设计的非自锁螺纹，数据在前文中已经算出。

3 结语

本文从扭转弹簧式分离装置的原理出发，对该装置中的螺栓、扭转弹簧、销、抗剪套、法兰螺母等零件进行了设计分析。用扭转弹簧、记忆合金弹簧、普通偏置弹簧所设计的分离装置，扭转弹簧的扭转力会显著缩短装置解锁的时间，但是扭转弹簧的扭转力必须在一定范围内，否则会因为为惯性产生震动，影响装置的精度。根据各项原因，确定扭转弹簧、记忆合金弹簧、普通偏置弹簧的基本性能参数。

参考文献：

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[3]李奕璇.用形状记忆合金弹簧驱动装置设计分离装置[J].金属材料与冶金工程，2015（4）：45-47.