關鍵詞:材料工程師論文,材料科學,旋轉運動,解鎖裝置

　　為滿足現階段各種材料的空間制備實驗需求，需要創建能在空間長期工作的材料科學實驗平臺。材料科學實驗平臺包括真空裝置、加熱裝置、樣品轉位裝置和樣品提拉裝置。樣品轉位裝置可以實現對多個實驗樣品的轉位運動。在飛行器發射階段科學材料實驗裝置不進行工作[1-4]，此時實驗裝置需要將轉位裝置中的實驗樣品鎖死，減小實驗樣品的摩擦和振動。在科學實驗裝置運行階段，實驗裝置需要對轉位裝置進行解鎖，避免在旋轉過程中實驗樣品與其他裝置發生摩擦。本文設計了一種適用于空間材料科學實驗旋轉運動的自動解鎖裝置(已申請專利)，可對配套試驗樣品進行上鎖和解鎖，具有質量小、可靠性高的特點。

　　1實驗裝置組成及工作原理

　　解鎖裝置在材料科學實驗裝置中的安裝位置如圖1所示。此自動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，實驗裝置中的6個實驗樣品分別安裝在蓋板的6個六方孔中，6個實驗樣品頭部與減振墊接觸，蓋板、減振墊、下壓板作為一個組件(蓋板組件)安裝在上壓板上。減振墊起到讓實驗樣品減振的作用。

　　螺釘安裝在上壓板、下壓板、減振墊、蓋板的中心孔中。自動解鎖裝置結構圖如圖2所示。解鎖裝置工作原理:在飛行器發射期間，解鎖裝置緊密壓在實驗樣品上端面。實驗樣品頭部為六方結構，插入相應的解鎖裝置六方孔中，此時電機斷電自鎖，傳動機構不工作，解鎖裝置將實驗樣品抱死，裝置為鎖死狀態。入軌后，傳動機構給實驗裝置提供動力，6個實驗樣品開始旋轉運動，當旋轉動力大于彈簧解鎖力時，實驗樣品帶動蓋板轉動。蓋板、減振墊、下壓板通過6個螺釘連接，蓋板帶動下壓板轉動，當轉過一定角度，下壓板凸臺對中上壓板凹槽時，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個實驗樣品上端脫離，實現解鎖。開口銷用于防止螺母的松動。

　　2關鍵零部件的設計與校核

　　2.1上壓板與下壓板的結構設計

　　下壓板中心有6個凸臺，實驗樣品在壓緊狀態下，下壓板中心的6個凸臺與上壓板中心的6個凸臺完全接觸配合，當實驗樣品轉動帶動蓋板、減振墊和下壓板組成的蓋板組件轉動時，上壓板的6個凸臺與下壓板的6個凸臺相互錯開，在彈簧力的作用下下壓板中心的6個凸臺陷入上壓板中心凹槽內，從而使解鎖裝置與實驗樣品脫離，達到解鎖的目的。上壓板結構圖如圖3所示，下壓板結構圖如圖4所示。

　　2.2蓋板與實驗樣品的結構設計

　　蓋板中的孔型設計為六方孔形，實驗樣品頭部設計為六面體柱狀。鎖緊狀態下實驗樣品與蓋板配合，6個實驗樣品頭部分別插入對應蓋板孔中，限制實驗樣品自轉。為便于導向，蓋板中六方孔與安瓿頭部六方形均設計為錐形。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，蓋板結構如圖5所示，實驗樣品頭部結構如圖6所示。

　　2.3彈簧設計

　　裝置將實驗樣品鎖死時，彈簧處于壓縮狀態，利用彈簧彈力將上壓板凸臺與下壓板凸臺壓緊。需要解鎖時，實驗樣品轉動帶動下壓板與上壓板錯位后，彈簧伸展帶動螺釘向上拉動蓋板組件回升，實現解鎖。其設計如下: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類彈簧進行設計，即其受變載荷作用次數在103以下。其力學性能數據為許用切應力τP=533MPa，許用彎曲應力σBP=677MPa。2)根據安裝尺寸初選鋼絲直徑為1.8mm，旋繞比C=7，計算曲度系數K:

　　3解鎖力計算

　　傳動機構能否帶動裝置中活動部件旋轉是能否可靠解鎖的關鍵。活動部件是由蓋板、減振墊及下壓板組成的組件。在轉位動作開始后，上壓板會與活動部件中的下壓板摩擦，由此對實驗樣品組件轉軸中心產生摩擦力矩M1，而傳動機構在實驗樣品組件轉軸中心產生反向的力矩M2，比較M1與M2大小，便能判斷轉位電機能否帶動解鎖裝置活動部件旋轉。M1的產生是由上壓板與下壓板摩擦產生的，而摩擦副的正壓力是實驗樣品對活動部件下壓板的壓力F樣品以及彈簧對下壓板的拉力F彈簧的合力，如圖7所示。

　　4解鎖試驗

　　可靠解鎖是產品功能的關鍵。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。解鎖裝置結構如圖8所示，實驗樣品結構如圖9所示。為考核解鎖裝置結構強度及解鎖可靠性，對裝置下壓板加載力學試驗要求的12g加速度及不同裕度加速度值，進行多次重復性解鎖試驗。電機輸出0.5N•m轉矩進行解鎖試驗，試驗結果見表1。實驗結果顯示，該實驗裝置能可靠解鎖，裝置各部分結構完好無損。

　　5結束語

　　本文提出了一種適用于空間材料科學實驗旋轉運動的自動解鎖裝置，介紹了其結構和工作原理。該自動解鎖裝置結構簡單、體積小、質量輕，滿足航天對產品體積及質量的要求;通過計算，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;解鎖實驗結果表明在20g加速度載荷下該裝置可實現解鎖功能，性能穩定，安全可靠，裝置結構剛度、強調滿足要求，具有很好的應用前景，為同類產品的設計提供了一定參考。

　　作者：崔曉杰 陸登柏 張正軍 單位：蘭州空間技術物理研究所

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