扭簧應(yīng)力松弛及沖擊特性試驗研究

段玉柱, 李怡晨, 馮雨晴, 張 雷, 朱佳龍, 2

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150006)

0 引言

扭簧作為一種無源驅(qū)動的儲能元件在工程實際特別是航天任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。構(gòu)架天線作為一種空間可展開天線，在太空任務(wù)中得到了大量應(yīng)用[1-3]，我國首個構(gòu)架天線的環(huán)境一號 C 星于2014年成功發(fā)射運(yùn)行，如圖1所示。構(gòu)架天線中大量使用扭簧驅(qū)動，以實現(xiàn)該大型可展開天線在發(fā)射階段收攏、入軌后展開到位的功能。扭簧在構(gòu)架天線中的應(yīng)用如圖2所示。

圖1 構(gòu)架天線在軌應(yīng)用實例Fig.1 The application of truss antenna in space missions

圖2 扭簧在構(gòu)架天線中的應(yīng)用Fig.2 The application of torsion springs in truss antenna

作為空間有效載荷可展結(jié)構(gòu)的動力源部分，扭簧的性能和可靠度直接影響到航天任務(wù)的成敗。由于航天器的特殊應(yīng)用背景，扭簧在長期貯存狀態(tài)下的性能變化和在沖擊條件下的性能表現(xiàn)，是工程中十分關(guān)注的問題，并影響到扭簧的可靠性設(shè)計。

就彈簧的應(yīng)力松弛和沖擊特性研究，目前多集中于螺旋拉壓彈簧。文獻(xiàn)[4]大致給出了隨著時間變化的彈簧應(yīng)力松弛規(guī)律；文獻(xiàn)[5-8]探討了拉壓彈簧及某些彈簧材料在特定條件下的應(yīng)力松弛規(guī)律；文獻(xiàn)[8-11]對拉壓彈簧和扭桿彈簧在沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析及試驗研究。但應(yīng)該指出，無論是應(yīng)力松弛特性還是沖擊特性，與彈簧的類型和結(jié)構(gòu)等關(guān)系極大，對于可靠度要求極高的航天任務(wù)而言，不宜直接將類型和結(jié)構(gòu)差異很大的拉壓彈簧數(shù)據(jù)應(yīng)用于航天用扭簧的應(yīng)力松弛和沖擊特性分析中。因此，開展試驗研究以獲取扭簧在特定條件下的應(yīng)力松弛和沖擊特性，為高可靠度扭簧設(shè)計及其應(yīng)用平臺的可靠度設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這是十分有意義的工作。

本文自行研制了扭簧扭矩衰減特性(用以表征扭簧應(yīng)力松弛特性)和沖擊特性測試的試驗裝置，針對若干結(jié)構(gòu)尺寸的扭簧進(jìn)行了不同怠位扭轉(zhuǎn)角條件下的扭矩衰減特性試驗和不同沖擊行程及沖擊負(fù)載條件下的沖擊特性試驗，獲得了怠位扭轉(zhuǎn)角對扭簧扭矩衰減特性的影響規(guī)律，以及沖擊行程和負(fù)載對扭簧沖擊特性的影響規(guī)律，為扭簧可靠性分析和工程設(shè)計提供了直接的試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

如圖3所示，是扭簧扭矩衰減特性和沖擊特性試驗設(shè)備構(gòu)成示意圖。圖4所示為試驗裝置。

圖3 試驗設(shè)備構(gòu)成示意圖Fig.3 Main components of the testing equipment

圖4 扭簧扭矩衰減特性和沖擊特性試驗裝置Fig.4 Structure of the testing device for torque decrement and impact characteristics of torsion spring1長立板 2動立板 3八角板 4待測扭簧 5襯套 6芯管 7左夾具 8傳感器 9八角孔板 10短立板 11轉(zhuǎn)角盤 12手柄 13銷釘 14右夾具 15轉(zhuǎn)臂 16心軸 17平口鉗

扭簧測試部分主要由平口鉗、扭簧夾具和測量部件組成。轉(zhuǎn)角盤端面每隔15°角設(shè)有銷孔，當(dāng)轉(zhuǎn)臂繞心軸轉(zhuǎn)到某一角度后，用銷釘穿過轉(zhuǎn)角盤銷孔和轉(zhuǎn)臂銷孔以鎖定轉(zhuǎn)臂，實現(xiàn)某個怠位扭轉(zhuǎn)角度以及實現(xiàn)某個沖擊行程。扭簧由芯軸支撐以防止其彎曲失穩(wěn)。

扭簧的左右夾具分別與轉(zhuǎn)臂和八角板固接。傳感器固定在平口鉗上。試驗初始，將與扭簧一端相連的八角板推入傳感器內(nèi)腔，使扭簧機(jī)械特性得以傳遞到傳感器上。傳感器的主要參數(shù)如表1所列。

表1 傳感器主要性能參數(shù)及其數(shù)值Tab.1 Main performance characteristics of the sensor

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)化由USB2811數(shù)據(jù)采集卡與信號放大模塊組成，試驗所用的數(shù)據(jù)采集及處理軟件為LABVIEW。

試驗選用3種規(guī)格的扭簧，其類型編號和尺寸如表2所列。扭簧材料的彈性模量為1.93×105MPa。

表2 扭簧類型編號及尺寸Tab.2 Type code and size of testing torsion springs

1.2 試驗方法

1.2.1 扭簧應(yīng)力松弛試驗方法過程

扭簧扭矩衰減特性測試方法是將扭簧扭轉(zhuǎn)到某一怠位扭轉(zhuǎn)角并固定，在其后的保持時間里，按照規(guī)定的時間點逐時測量扭簧扭矩衰減量，將各時間點以及在各時間點的扭矩衰減量ΔTh與初始扭矩T0之比(稱為扭矩衰減率γ，γ=ΔTh/T0)用曲線描繪出來，即獲得扭簧扭矩衰減特性規(guī)律。

1.2.2 扭簧沖擊特性試驗方法過程

扭簧沖擊特性測試方法：將扭簧扭至某一怠位扭轉(zhuǎn)角，然后釋放，并使其在沖擊終止扭轉(zhuǎn)角處停止，測量沖擊終止扭轉(zhuǎn)角處扭簧的沖擊扭矩Tc。定義扭簧在沖擊終止扭轉(zhuǎn)角處的沖擊扭矩和靜態(tài)扭矩Tz之比為扭矩沖擊放大倍數(shù)μ=Tc/Tz。以怠位扭轉(zhuǎn)角和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為變量，分析沖擊放大系數(shù)，可以探究沖擊行程及沖擊負(fù)載對扭矩沖擊放大倍數(shù)的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 扭簧扭矩衰減特性試驗結(jié)果及分析

本文進(jìn)行了3種怠位扭轉(zhuǎn)角：90°、75°及60°條件下的扭簧扭矩衰減特性試驗。

如圖5所示，給出了怠位扭轉(zhuǎn)角對扭簧扭矩衰減特性的影響規(guī)律，試驗保持時間為50小時，并在試驗開始后的第1、2、5、10、20和第50小時6個時間點測量了扭簧的扭矩。從圖5中可以看出，扭簧的扭矩衰減率隨時間變化分為兩個階段：第一階段變化較為劇烈，即扭簧扭矩衰減明顯；第二階段的扭矩衰減發(fā)展較為平緩。另外還可以看出，怠位扭轉(zhuǎn)角越大，扭簧扭矩衰減程度也越大，表明扭矩越大扭簧的扭矩衰減越嚴(yán)重。

圖5 扭簧扭矩衰減特性試驗結(jié)果Fig.5 Test results of torque decrement characteristics

根據(jù)試驗結(jié)果，采用最小二乘法對3種扭簧在3個怠位扭轉(zhuǎn)角下的扭矩衰減率與時間的關(guān)系進(jìn)行了擬合，其表達(dá)式為：

γ×100=a+blnt

(1)

式(1)中，常數(shù)a表示扭簧保持1小時的扭矩衰減率；常數(shù)b表示扭矩衰減率變化速率；t為保持時間，單位h。本試驗中兩個常數(shù)測試數(shù)值如表3所列。

表3 扭簧扭矩衰減特性試驗數(shù)據(jù)擬合常數(shù)Tab.3 Fitting results of torque decrement characteristics

扭簧扭矩衰減率變化速率表征了扭簧扭矩衰減的劇烈程度，對于長期貯存狀態(tài)下工作的扭簧，扭矩衰減率變化速率b對扭簧應(yīng)力松弛特性影響更為明顯。圖6給出了怠位扭轉(zhuǎn)角和扭簧類型對扭矩衰減率變化速率的影響規(guī)律。

從圖6中可以看出，扭簧扭矩衰減率變化速率隨著怠位扭轉(zhuǎn)角的增加呈線性增大的趨勢，表明扭簧承受的扭矩越大，松弛過程中扭簧扭矩衰減率變化也越劇烈。扭簧扭轉(zhuǎn)剛度提高(A、B和C 3種類型扭簧的剛度是漸次降低的)有助于增加扭簧抵抗變形的能力，因此，扭簧扭矩衰減率的變化是隨著扭簧扭轉(zhuǎn)剛度的提高而減小的。

2.2 扭簧沖擊特性試驗結(jié)果及分析

影響扭簧沖擊特性的因素主要有沖擊行程和沖擊負(fù)載，本文根據(jù)試驗條件，分析和探討了這兩種因素對扭簧沖擊特性的影響規(guī)律。

在相同沖擊負(fù)載(123kg·mm2)，沖擊終止扭轉(zhuǎn)角為30°，怠位扭轉(zhuǎn)角分別為90°、75°及60°(即對應(yīng)沖擊行程為60°、45°和30°)的條件下，測試并分析沖擊行程對扭矩沖擊放大倍數(shù)的影響，如圖7所示。

從圖7可以看出，在沖擊終止扭轉(zhuǎn)角(30°)確定的情況下，扭矩沖擊放大倍數(shù)是隨著沖擊行程的增大而增加的，這一現(xiàn)象比較容易理解。扭矩沖擊放大倍數(shù)隨著扭簧扭轉(zhuǎn)剛度變化的規(guī)律比較復(fù)雜，其原因在于隨著扭簧剛度提高，在怠位扭轉(zhuǎn)角處的靜扭矩隨之提高，同時沖擊扭矩也相應(yīng)增加。兩個因素相互博弈，導(dǎo)致扭簧扭矩沖擊放大倍數(shù)與扭轉(zhuǎn)剛度二者之間聯(lián)系復(fù)雜。

在怠位扭轉(zhuǎn)角為90°、沖擊終止扭轉(zhuǎn)角為30°(即沖擊行程為60°)和沖擊負(fù)載分別為123kg·mm2、338kg·mm2、882kg·mm2的條件下，測試了3種扭簧的沖擊扭矩，分析了沖擊負(fù)載對扭矩沖擊放大倍數(shù)的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 扭矩沖擊放大倍數(shù)與沖擊負(fù)載的關(guān)系Fig.8 Influence of shock load on torque impact amplifying coefficient

從圖8中可以看出，3種扭簧在沖擊終止扭轉(zhuǎn)角(30°)處的扭矩沖擊放大倍數(shù)隨著扭簧沖擊負(fù)載(用轉(zhuǎn)動慣量表征)的增大而增大，這與沖擊負(fù)載的增大增加了扭簧沖擊質(zhì)量有關(guān)，使得沖擊時的扭簧勢能大幅增加，造成了沖擊放大倍數(shù)的增大。

根據(jù)試驗結(jié)果(見圖7、圖8)，采用最小二乘法對3種扭簧沖擊行程、沖擊負(fù)載與扭矩沖擊放大倍數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了擬合，其表達(dá)式為：

μ=c*Δα+dlnI

(2)

式中μ表示放大系數(shù)；c表示扭矩沖擊放大倍數(shù)隨沖擊行程的變化速率；d表示扭矩沖擊放大倍數(shù)隨沖擊負(fù)載的變化速率；Δα表示沖擊行程，單位：°；I表示沖擊載荷，單位：kg·mm2；常數(shù)c、d值如表4所列。

表4 沖擊行程、沖擊負(fù)載與扭矩沖擊放大倍數(shù)關(guān)系擬合常數(shù)Tab.4 Fitting results of impact characteristics

3 結(jié)論

本文采用扭簧扭矩衰減特性和沖擊特性試驗裝置，以扭轉(zhuǎn)角、沖擊行程及負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為變量，對三種不同規(guī)格扭簧進(jìn)行應(yīng)力松弛特性試驗和沖擊特性試驗，并采用最小二乘法對試驗結(jié)果進(jìn)行了擬合，得出以下結(jié)論：

1) 扭簧的應(yīng)力松弛明顯分為兩個階段：第一階段持續(xù)時間較短，扭簧扭矩衰減明顯。第二階段扭矩衰減比較平緩，扭簧扭矩衰減率及其變化速率隨著怠位扭轉(zhuǎn)角的增加基本呈線性增大的趨勢，且隨著扭簧扭轉(zhuǎn)剛度的提高扭矩衰減率變化速率逐漸減??；

2) 扭簧扭矩沖擊放大倍數(shù)隨著沖擊行程和沖擊負(fù)載的增大而增大，且扭矩沖擊放大倍數(shù)隨沖擊行程和沖擊負(fù)載的變化速率都隨著扭簧扭轉(zhuǎn)剛度的增加而減小。

基于以上結(jié)論，對處于長期貯存狀態(tài)的扭簧，在今后的設(shè)計工作中，應(yīng)在滿足扭簧工作要求的前提下，盡可能的減小扭簧長期工作所處的扭轉(zhuǎn)角；對于受沖擊載荷作用的扭簧，應(yīng)在滿足扭簧工作要求的前提下，盡可能的減小扭簧的沖擊行程及沖擊負(fù)載。另外，對于工況多變的扭簧，可以通過提高扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度以降低扭簧對工況變化的敏感度。