一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构制造技术

本发明专利技术提供一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，该机构采用缺口螺栓作为连接紧固件，采用SMA管作为分离的驱动元件；分离结构基板与固定结构基板通过圆锥面配合，缺口螺栓穿过SMA管和分离结构基板后，通过螺纹连接在固定结构基板上，从而连接并压紧SMA管、分离结构基板和固定结构基板；加热层通电时，SMA管受热发生相变而伸长，驱动缺口螺栓发生拉伸变形，在缺口处因应力集中而断裂，实现分离，螺栓断裂后的冲击载荷则由金属橡胶垫块吸收；加热层外的隔热层和硅胶绝缘套能减小热量的散失，使SMA管的加热和变形速度更快，机构分离时间更短。本发明专利技术释放载荷大、解锁彻底、可靠性高、抗振动和冲击能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构
本专利技术涉及航天器连接－分离机构的
，特别涉及一种SMA(形状记忆合金)驱动的连接与分离机构。
技术介绍
航天器需要多种连接－分离机构实现连接与解锁功能，如多级运载火箭的分离、卫星或者宇宙飞船上太阳翼的展开等等。目前这种装置多为火工品螺栓(又称爆炸螺栓)和石蜡驱动器，火工品螺栓在解锁分离的过程中会造成冲击并引发污染问题，而石蜡驱动器结构复杂且操作缓慢，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，解决该问题的一个主要焦点是应用SMA发展新型的连接－分离机构。在利用SMA研制新型连接－分离机构方面，国内外均有了一定的进展，提出了多种依靠SMA材料尤其是SMA丝进行驱动的设计方案，如以SMA丝驱动的拔销器、SMA丝驱动的分瓣螺母大载荷释放机构。以SMA丝驱动的连接－分离机构具有解锁载荷大、同步性好等优点，但也普遍存在如下的缺点：(1)SMA丝一般为机械拉紧或压紧，容易造成SMA丝的物理损伤，存在使用过程中SMA丝断裂的风险，可靠性低；SMA丝驱动零件之间均有摩擦作用，容易造成解锁不彻底；SMA本身的特性导致抗振动和冲击能力差。(2)依靠SMA丝收缩实现驱动，而SMA丝长度较短，使得机构的设计裕度较小，随着驱动次数的增加，SMA丝的驱动性能将发生衰减，机构的裕度会进一步降低。(3)驱动机构中没有对释放过程的精确监测和控制，不能判断SMA丝在机构内部是否发生作动，从而导致释放失败。(4)SMA丝驱动机构结构复杂，零件数量多，成本高且可靠性不易保证。(5)SMA丝驱动机构不易进行冗余设计，分离可靠性差，应用范围受限。
技术实现思路
本专利技术主要解决现有技术中解锁不彻底、抗振动和冲击性能差、裕度小、不能监测释放的问题，提供了一种解锁彻底、抗振动和冲击能力强、可靠性高、可监测释放的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构。本专利技术采用的技术方案为：一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其包括：缺口螺栓、SMA管、加热层、隔热层、硅胶绝缘套、金属橡胶垫块、外壳、分离结构基板、固定结构基板、应变片和热敏电阻；其中，缺口螺栓的头部装有应变片，螺杆的下部带有螺纹，其螺纹以上螺杆中下部设有缺口，螺杆直径小于SMA管内径；外壳、分离结构基板通过螺栓与分离结构连接，固定结构基板通过螺栓与固定结构连接；外壳顶面的内侧粘有金属橡胶垫块；SMA管外圆柱面贴有应变片和热敏电阻，其外覆盖加热装置，由内至外依次是加热层、隔热层和硅胶绝缘套。连接状态下，分离结构基板和固定结构基板通过圆锥面配合，缺口螺栓的螺杆部分穿过SMA管和分离结构基板后，通过螺纹连接在固定结构基板上，从而在纵向连接并压紧SMA管、分离结构基板和固定结构基板；此时，SMA管的上端面抵在缺口螺栓头部的下端面，SMA管的下端面抵在分离结构基板上，螺栓的缺口位于分离结构基板和固定结构基板配合圆锥面的分离处，缺口螺栓承受拉力。需要分离时，对加热层通电流加热，SMA管受热后内部发生相变而沿轴向伸长，驱动缺口螺栓受拉变形，其缺口处因产生应力集中而发生断裂，使两个基板配合的圆锥面处失去约束，实现分离结构与固定结构之间的分离。进一步的，所述机构在连接状态下，其所有自由度均被完全约束，确保在大振动、冲击载荷作用下不会有部件发生运动而导致意外分离。进一步的，所述的缺口螺栓的头部深孔内装有应变片，能够监测螺栓的应变数值，并由数据线传递出来，在连接过程中可用于对缺口螺栓的轴向拉力进行精确控制，释放后可据此判断机构是否成功释放。进一步的，所述缺口螺栓预紧载荷可以直接通过扳手拧紧螺栓六角头进行加载，为了保证用较小的扭矩就能加载到较大预紧力，螺栓的螺纹设计成细牙螺纹，降低加载所需的扭矩，避免因为加载扭矩过大，将螺栓从缺口处拧断。进一步的，所述SMA管经分层处理，内层是具有形状记忆特性的SMA材料，外层是具有弹性和较高的变形抗力的弹性材料，受热时，内层SMA材料输出驱动力，带动外层弹性材料变形伸长，从而顶断缺口螺栓；冷却后，内层SMA材料的驱动力下降，逐渐低于外层弹性材料的弹性回复力，外层带动内层回复到加热前的形状，实现SMA管的自动复位。进一步的，所述的SMA管的外圆柱面上贴有应变片，用于监测SMA管的应变，其数据线引出到硅胶绝缘套的外面，引出时数据线分出两条，实现SMA管的应变监测的冗余设计。进一步的，SMA管外所贴的应变片，据此可以确定SMA管在驱动前压缩的应变量是否足够，在完成驱动拉断缺口螺栓后，SMA管的应变值会发生较大变化(2％～3％)，通过该应变值可以间接判断释放是否成功，给出成功释放的信号。进一步的，所述的SMA管的外圆柱面上贴有热敏电阻，用于监测SMA管的温度，其数据线引出到硅胶绝缘套的外面，引出时数据线分出两条，实现SMA管的温度监测的冗余设计。进一步的，SMA管外所贴的热敏电阻，其信号有三个功能：需要释放进行通电时，借助热敏电阻信号可以得到机构所处的环境温度，从而确定所需供电的电流大小，保证机构在任何环境下都能可靠释放；通电加热的过程中，通过热敏电阻信号可以实时了解SMA管及硅胶绝缘层的温度，当发现温度超出硅橡胶的耐高温度(200℃)时，及时切断供电电路，起到保护作用；完成释放后，通过监测热敏电阻信号可以判断SMA管是否冷却到常温，当其冷却到常温后，方可对其进行复位操作。进一步的，所述加热装置由加热层、隔热层和硅胶绝缘套组成，其中隔热层和硅胶绝缘套起到隔热和绝缘的作用。进一步的，所述的加热层分为四层，由内向外依次为内层高温硅橡胶、内层电阻加热箔、外层高温硅橡胶、外层电阻加热箔。两层电阻加热箔均是“弓”字形结构，能够在不会断裂的前提下适应SMA管的变形，两层功能相同，互为备份，任一层正常工作都能加热SMA管至触发分离，实现了冗余设计，提高了可靠性；高温硅橡胶层通过模压成型，保证高温情况下具有良好的绝缘性能，同时在加热箔随着SMA管伸长时，硅橡胶由于具有良好的弹性，不会发生撕裂。进一步的，所述机构分离后，缺口螺栓会向外弹开，外壳内表面粘接的金属橡胶垫块能吸收缺口螺栓断裂带来的冲击，保护外壳。本专利技术的原理在于：本专利技术分离结构与固定结构通过各自基板的圆锥面配合，依靠一个缺口螺栓进行连接，螺栓头部深孔内的应变片可以监测其应变，应变达到一定数值时，连接完成。该缺口螺栓采用塑性材料制成，加工成缺口螺栓前，先对原材料或者尚未加工缺口的成品螺栓进行单轴拉伸预处理，达到初始屈服点以上，使其发生一定塑性变形，这样制成的缺口螺栓中会存在一定的残余应变，可保证其发生断裂所需要的变形量较小，而预制的缺口使得螺栓承受拉力时，缺口处因应力集中而成为最先断裂的部位。缺口螺栓螺杆上所套的SMA管是机构分离的驱动元件，包裹在SMA管外的加热层通电时，SMA管受热内部发生相变而沿轴向伸长，驱动缺口螺栓发生拉伸变形并从缺口处断裂，分离结构基板与固定结构基板在圆锥配合面处发生分离，缺口螺栓断裂后的冲击载荷，由外壳内所贴的金属橡胶垫块吸收。在通电分离的过程中，SMA管上所贴的应变片与热敏电阻，可以监测SMA管的应变和温度，加热层外的隔热层和硅胶绝缘套，能减小热量的散失，从而使SMA管的加热变形过程可控、速度更快，机构分离时间更短。完成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，包括缺口螺栓(1)、SMA管(2)、加热层(3)、隔热层(4)、硅胶绝缘套(5)、金属橡胶垫块(6)、外壳(7)、第一应变片(8)、分离结构基板(10)、固定结构基板(13)、第二应变片(15)和热敏电阻(16)；其中，缺口螺栓(1)头部贴有第一应变片(8)，螺杆下部带有螺纹，螺纹以上螺杆的中下部设有缺口，螺杆直径小于SMA管(2)内径，外壳(7)和分离结构基板(10)通过螺栓连接分离结构，固定结构基板(13)通过螺栓连接固定结构，外壳(7)的顶面内侧粘有金属橡胶垫块(6)，SMA管(2)外圆柱面上贴有第二应变片(15)和热敏电阻(16)，其外依次覆盖有加热层(3)、隔热层(4)和硅胶绝缘套(5)；连接状态下，分离结构基板(10)和固定结构基板(13)通过圆锥面配合，缺口螺栓(1)的螺杆部分穿过SMA管(2)和分离结构基板(10)后，通过螺纹连接在固定结构基板(13)上，从而在纵向连接并压紧SMA管(2)、分离结构基板(10)和固定结构基板(13)，此时，SMA管(2)的上端面抵在缺口螺栓(1)头部的下端面，SMA管(2)的下端面抵在分离结构基板(10)上，缺口螺栓(1)的缺口位于两个基板配合圆锥面的分离处，螺栓承受拉力；需要分离时，对加热层(3)通电流加热，SMA管(2)受热内部发生相变而伸长，驱动缺口螺栓(1)受拉变形，其缺口处因产生应力集中而发生断裂，使两个基板相配合的圆锥面处失去约束，实现分离；分离后缺口螺栓(1)因断裂而产生的冲击能量由金属橡胶垫块(6)缓冲并吸收。...

【技术特征摘要】
1.一种SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，包括缺口螺栓(1)、SMA管(2)、加热层(3)、隔热层(4)、硅胶绝缘套(5)、金属橡胶垫块(6)、外壳(7)、第一应变片(8)、分离结构基板(10)、固定结构基板(13)、第二应变片(15)和热敏电阻(16)；其中，缺口螺栓(1)头部贴有第一应变片(8)，螺杆下部带有螺纹，螺纹以上螺杆的中下部设有缺口，螺杆直径小于SMA管(2)内径，外壳(7)和分离结构基板(10)通过螺栓连接分离结构，固定结构基板(13)通过螺栓连接固定结构，外壳(7)的顶面内侧粘有金属橡胶垫块(6)，SMA管(2)外圆柱面上贴有第二应变片(15)和热敏电阻(16)，其外依次覆盖有加热层(3)、隔热层(4)和硅胶绝缘套(5)；连接状态下，分离结构基板(10)和固定结构基板(13)通过圆锥面配合，缺口螺栓(1)的螺杆部分穿过SMA管(2)和分离结构基板(10)后，通过螺纹连接在固定结构基板(13)上，从而在纵向连接并压紧SMA管(2)、分离结构基板(10)和固定结构基板(13)，此时，SMA管(2)的上端面抵在缺口螺栓(1)头部的下端面，SMA管(2)的下端面抵在分离结构基板(10)上，缺口螺栓(1)的缺口位于两个基板配合圆锥面的分离处，螺栓承受拉力；需要分离时，对加热层(3)通电流加热，SMA管(2)受热内部发生相变而伸长，驱动缺口螺栓(1)受拉变形，其缺口处因产生应力集中而发生断裂，使两个基板相配合的圆锥面处失去约束，实现分离；分离后缺口螺栓(1)因断裂而产生的冲击能量由金属橡胶垫块(6)缓冲并吸收。2.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述缺口螺栓(1)采用塑性材料，先对原材料或成品螺栓进行预拉伸处理，使其发生一定塑性变形，降低对SMA管(2)驱动应变的要求。3.根据权利要求1所述的SMA驱动的缺口螺栓连接与分离机构，其特征在于，所述缺口螺栓(1)头部加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小勇，闫晓军，黄大伟，漆明净，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11