脫落(分離)連接器分離系統(tǒng)的設計研究

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

脫落(分離)連接器的功能是連接飛行器與其母體之間、飛行器各部分之間的連接器，當飛行器起飛離開母體之前或是同時、在飛行過程中各級分離時，插頭與插座按預定的方式實現(xiàn)分離。主要運用于航天運載系統(tǒng) 、戰(zhàn)略武器系統(tǒng)、戰(zhàn)術導彈等系統(tǒng)。

為了定位準確和導向作用，脫落(分離)連接器均設計有導向柱及導向套，分離裝置(分離彈簧)一般都設計在導向套或導向柱中，并隨其個數(shù)和位置分布。分離裝置的作用是鎖緊機構解鎖后強制使插頭插座快速分離，一般均勻或對稱分布在插頭或插座內。脫落(分離)連接器是否能夠可靠分離對整個系統(tǒng)和設備功能的實現(xiàn)起到至關重要的作用，其分離力的設計需經過全面的分析核算確定。

2 原理分析

2.1 受力模型

在脫落(分離)連接器分離過程中，整個系統(tǒng)受到彈簧分離力、摩擦阻力和產品重力的作用，同時受到使用過程中帶來的其他阻力，如電纜、設備等，受力模型可簡化如圖1所示。

圖1 受力模型

圖1中p表示彈簧彈力，mg表示插頭重力，f表示系統(tǒng)摩擦力阻力，F(xiàn)表示使用過程中受到的外力，α為產品軸線與水平線之間的夾角。

2.2 阻力的確定

阻力主要由插頭重力在分離方向上的分力和摩擦力組成，從圖1中可知，重力在分離方向上的分力為：

G1=mgsinα

(1)

而摩擦力的形成就要復雜得多。以JF21系列268芯產品為例，如圖2所示，導向柱與導向套之間存在摩擦力，接觸對之間存在摩擦力(即分離力) 。

圖2 摩擦力受力點示意圖

系統(tǒng)摩擦力f為導向柱與導向套之間的摩擦力f1與接觸對之間的摩擦力f2之和，即

f=f1+f2

(2)

接觸對之間的摩擦力f2即為設計文件中插孔要求的分離力，可在設計接觸件時加以計算規(guī)定，其數(shù)值通過試驗測量得出。計算整個系統(tǒng)中接觸件的分離力時需充分考慮接觸件數(shù)量，接觸件種類，存在分離力的所有位置。

根據(jù)摩擦力計算公式：

f=μN

(3)

可計算出導向柱與導向套之間摩擦力f1的大小，式(2)中μ為摩擦系數(shù)，N為接觸面法向壓力，由圖1可知：

N=F+mgcosα

(4)

由將式(4)帶入式(3)中可得：

f1=μ(F+mgcosα)

(5)

摩擦系數(shù)μ可通過查表得出，表1中列出了常用摩擦副在無潤滑和有潤滑條件下的摩擦系數(shù)。

2.3 分離力的設計

表1 摩擦系數(shù)表

分離力是為了克服阻力使插頭與插座強制分離而存在，其大小根據(jù)阻力的大小進行設計，脫落(分離)連接器的分離力一般由彈簧提供(分離彈簧、護套彈簧)。彈簧的設計需進行精準的彈簧力計算，根據(jù)胡克定律，材料在彈性變形范圍內，力與變形成正比的規(guī)律，可得公式：

P=kx

(6)

式(6)中P為彈簧彈力，x為彈簧變形量；k為勁度系數(shù)，表示彈簧的一種屬性，它的數(shù)值與彈簧的材料，彈簧絲的粗細，彈簧圈的直徑，單位長度的匝數(shù)及彈簧的原長有關，其數(shù)值可通過式(7)進行計算。

(7)

式(7)中，d-彈簧鋼絲直徑mm，D-彈簧中經mm，n-有效圈數(shù)，G-彈簧鋼絲彈性模量。

彈簧力需要克服摩擦阻力、產品重力做功，確保產品可靠分離，如圖3所示，L為分離距離，v為產品分離后的初速度，為保證產品可靠分離，要求分離后插頭的初速度v≥0。

圖3中彈簧力P做正功，重力在分離方向上的分力G1、摩擦力f做負功，L為分離距離。以JF21系列268芯產品為例，如圖4所示，產品水平分離，分離角度α=0°，x為接觸件分離距離， 為彈簧做功的有效距離。

圖3 分離過程受力模型

圖4 產品分離示意圖

根據(jù)能量守恒定律，彈簧的彈性勢能Ep轉化為摩擦力做功W、插頭的重力勢能Eh和動能Ek，同時考慮系統(tǒng)的可靠性，增加安全系數(shù)，即：

Ep=S(Ek+Eh+W)

(8)

式(8)中S為安全系數(shù)，脫落(分離)連接器要求可靠性高，實際運用中取2～3。

根據(jù)彈性勢能、重力勢能、動能及摩擦力做功的計算公式及式(1)、式(5)，可得：

(9)

(10)

Eh=G1L=mgsina*L

(11)

W=f1L+f2L1=u(F+mgcosα)L+n2f2L1(n2為接觸件個數(shù))

(12)

將式(7)、(9)～式(12)帶入式(8)，可得：

(13)

將式(13)進行演化，得：

(14)

設計彈簧時必需滿足式(14)的要求，根據(jù)實際使用需要對 取大于0的數(shù)值，以確保產品可靠分離。由于分離力越大，插頭與插座插合時需要的插合力越大，對接越困難，對產品的結構強度要求越高。因此，在保證插頭與插座可靠分離的前提下應盡可能將彈簧分離力取較小值。

3 彈簧的分布

脫落(分離)連接器的分離系統(tǒng)由分離彈簧和護套彈簧組成，護套彈簧置于中心分離機構中。為保證受力平衡，分離彈簧需根據(jù)實際需要均勻或對稱分布在插頭(YF41)或插座(JF21、JF5、YF41)內，矩形連接器可設計兩個分離彈簧對稱分布于中心線上(F10)，或四個分離彈簧對稱分布于四個角上(JF21、JF5)；圓形連接器可設計三個分離彈簧均布于圓周上(YF41)。

4 有效降低摩擦力

由第2章的分析可知，分離力的大小由阻力決定的，阻力中的接觸件分離力有明確規(guī)定的取值范圍，因此摩擦阻力越小，需要的分離力也就越小，產品的結構余量越大，強度越可靠，因此在設計過程中需要想辦法降低摩擦阻力。

對于存在滑動摩擦部位材料的選擇應避開同種牌號的材料，因相同牌號的材料會互相滲透造成粘連，增加分離的難度。從表1可看出相同種類的材料軟、硬摩擦副的摩擦系數(shù)較大，所以硬度也要互相匹配(即取值范圍相同)，降低相互之間的磨損。

從表1可以看出有潤滑的條件下摩擦系數(shù)顯著降低，因此需要在有滑動摩擦的部位涂抹潤滑脂，潤滑脂的加入可隔離接觸面，有效降低摩擦系數(shù)，同時大大提高摩擦副的使用壽命。

摩擦副的表面粗糙度對摩擦力也有很大影響，因此設計時需規(guī)定表面粗糙度，并要求拋光。

5 結論

綜上所述，本文針對脫落(分離)連接器解鎖后(電磁解鎖、機械解鎖)，如何確定分離彈簧力的大小，使其足以克服系統(tǒng)摩擦阻力確保產品順利分離。從阻力的形成、分離力的計算、彈簧的分布和有效降低摩擦力四個方面進行了分析探討，旨在說明產品如何分離，分離過程中那些力做了正功，那些力作了負功，兩種力需要滿足什么樣的條件才能確保產品可靠分離?，F(xiàn)將分析計算結果進行歸納總結，以便設計時進行參考：

1)彈簧的設計需要滿足式(14)的要求，計算過程中要充分考慮到所有的分離力及阻力，提供分離力的彈簧有分離彈簧、護套彈簧等；產生的阻力有插頭、插座摩擦部位的滑動摩擦力，接觸件的分離力，插頭(或被彈開端)的重力，使用環(huán)境帶來的其它外力(如電纜、設備等)等。

2)設計彈簧時需充分考慮并圈高度的影響。

3)分離彈簧均勻分布在插頭或插座上。

4)具有滑動摩擦的部位不能選用相同牌號的材料，相同種類的材料硬度取值范圍相同。

5)降低系統(tǒng)摩擦力，可采用的辦法有：a)涂抹潤滑脂；b)增加零件表面光潔度；c)降低接觸面法向的壓力；d)選用分離力較小的接觸對，如線簧孔等。