一種航天用分步預(yù)緊連接裝置

□ 劉 寅

天津航天機電設(shè)備研究所 天津 300458

1 設(shè)計背景

從20世紀后期開始,世界各國開展深空探測活動日益頻繁,探測目標的選擇逐步轉(zhuǎn)向小行星、火星等地外天體。在探測任務(wù)中,返回系統(tǒng)需要采集星體表面的土壤。在將土壤轉(zhuǎn)運至返回器的過程中,需要一種裝置能夠分步傳遞推力至后續(xù)組件。在推力傳遞過程中,當推力達到要求數(shù)值時,先進行卸載,再繼續(xù)傳遞推力。筆者根據(jù)整體功能的需求性,設(shè)計了一種航天用分步預(yù)緊連接裝置。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

分步預(yù)緊連接裝置主要由子套、調(diào)節(jié)螺釘、鋼球、波簧、張緊套、導(dǎo)向帽、壓簧、母套等部分組成。分步預(yù)緊連接裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分步預(yù)緊連接裝置中,子套和母套的作用是為前后組裝提供接口。其中,子套的內(nèi)側(cè)為波簧提供裝配和導(dǎo)向定位凹槽,母套的內(nèi)側(cè)為壓簧提供軸向進給導(dǎo)向和收納空間,并為鋼球提供止推槽。子套如圖2所示,母套如圖3所示。

調(diào)節(jié)螺釘通過螺紋旋入張緊套,張緊套的外側(cè)與波簧內(nèi)側(cè)接觸。壓簧和導(dǎo)向帽安裝于母套內(nèi),壓簧存在一定預(yù)緊力,用于向?qū)蛎碧峁┩屏?通過調(diào)整墊片將波簧壓緊在子套內(nèi)。調(diào)節(jié)螺釘裝配如圖4所示。

3 工作原理

分步預(yù)緊連接裝置的作用在于能夠?qū)⑤斎胪屏Ψ植絺鬟f給后續(xù)連接組件。在這一過程中,當?shù)谝欢瓮屏_到要求數(shù)值時,先進行卸載,使推力幾乎歸零之后,繼續(xù)傳遞下一段推力。

分步預(yù)緊連接裝置工作原理如圖5所示。子套受到軸向推力傳遞給鋼球。鋼球受到母套凹槽向內(nèi)推力作用,壓縮波簧變形。波簧向內(nèi)壓縮,直至鋼球自身移動到凹槽外。子套受到軸向推力作用,繼續(xù)向前運動。壓簧預(yù)設(shè)的預(yù)緊力可以防止子套帶動前端零件一起產(chǎn)生慣性沖力,保證推進動作整體平穩(wěn)。

4 鋼球受力計算

鋼球在產(chǎn)生位移前,共受到來自三個方向的力,分別為系統(tǒng)給予的推力Fp、波簧給予的彈力Fs、凹槽給予的支反力Fz。其中,Fp與Fs成90°夾角,Fp、Fs均與Fz成135°夾角。材料之間存在潤滑涂層,在忽略材料之間相對摩擦力的情況下,不難得出Fp和Fs受力大小相同。鋼球受力分析如圖6所示。

通過以上分析,將克服推力的計算問題轉(zhuǎn)換為波簧彈力的固有屬性設(shè)計。已知要求推力理論值為250 N,波簧彈力后期可以通過調(diào)節(jié)螺釘微量調(diào)節(jié)至最終數(shù)值。

5 波簧有限元分析

5.1 模型簡化

分步預(yù)緊連接裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,波簧產(chǎn)生大變形導(dǎo)致網(wǎng)格節(jié)點位移較大,系統(tǒng)矩陣必須以較小載荷步進行更新。由于接觸較多,導(dǎo)致每一載荷步的迭代收斂速度較慢。為減少計算所需要的時間,仿真計算主體部分取1/6模型進行分析,如圖7所示。為了驗證模型分析可靠性,將對1/6模型分析的結(jié)果與對1/2模型和完整模型分析的結(jié)果相比較,1/2模型與完整模型分別如圖8、圖9所示,發(fā)現(xiàn)所得到的分析結(jié)果差距約為0.32%,因此可以認為此項簡化并沒有影響仿真結(jié)果。

5.2 接觸與剛體設(shè)置

接觸屬性包括切向?qū)傩耘c法向?qū)傩?。由于本次仿真分析產(chǎn)生的接觸壓力并不大,因此在法向壓力上不設(shè)置上限值。在切向?qū)傩灾性O(shè)置摩擦因數(shù),研究范圍為0.05～0.3,中間每間隔0.05取一個值,不設(shè)置接觸阻尼。

模型由球槽、鋼球、波簧、下引導(dǎo)面、側(cè)引導(dǎo)面五個部件組成,結(jié)構(gòu)如圖10所示。其中,鋼球與球槽、波簧、側(cè)引導(dǎo)面、下引導(dǎo)面之間存在接觸,波簧與側(cè)引導(dǎo)面、下引導(dǎo)面之間存在接觸,共有六對接觸。

由于側(cè)引導(dǎo)面、下引導(dǎo)面、球槽的彈性變形對此次分析的影響均很小,因此可以忽略彈性變形,設(shè)置為剛體,以減小計算量,控制點設(shè)置在質(zhì)心處。鋼球的彈性變形直接影響接觸角的大小與摩擦力的方向,波簧的彈性變形為整個模型提供拉脫阻力,所以將波簧設(shè)置為彈性體。

5.3 邊界條件設(shè)置

仿真中,為了更好地模擬真實情況,采用兩個分析步。第一個分析步將球槽向鋼球靠近,在分析步結(jié)束時正好接觸剛球。第一個分析步模擬的是鋼球的裝配過程,意義在于為第二個分析步中鋼球與球槽的接觸提供初始的分析條件。第二個分析步將引導(dǎo)面作為一個整體向上提升2 mm,此時鋼球已從球槽中脫出,后續(xù)拉力不產(chǎn)生變化。

由于使用1/6模型,因此對稱面處還需要設(shè)置對稱約束,即約束對稱面上的節(jié)點在垂直于面的方向上不產(chǎn)生位移,在平行于面的方向上不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。模型整體約束如圖11所示,RP1點控制球槽位移,RP2點控制兩個引導(dǎo)面位移。

5.4 分析結(jié)果

仿真整體動畫如圖 12所示。

拉力隨鋼球豎直位移變化如圖13所示。

圖13中前半部分近似為線性關(guān)系,說明波簧在端點處位移與彈性力的關(guān)系近似為正比例函數(shù),后續(xù)的理論計算會用到這一結(jié)論。在后半段出現(xiàn)較大波動,原因是鋼球在此時與球槽的拐角位置接觸。接觸點區(qū)域很小,在計算接觸時較難準確得出接觸力的大小,但是此時已經(jīng)越過拉力值的最高點,所以不必給予過多關(guān)注。

6 參數(shù)優(yōu)化

6.1 波簧厚度與拉力

從直觀上來說,波簧厚度越小,彈性系數(shù)越小,在鋼球行程相同的情況下,對鋼球的彈性力也就越小,從而使整體機構(gòu)更容易拉出。仿真也證實了這一點。仿真摩擦因數(shù)為0.1,計算一組不同厚度的波簧所需要的拉力,無中心預(yù)緊,結(jié)果如圖14、表1所示。

表1 波簧厚度與拉力關(guān)系

從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),當波簧厚度為0.22 mm時,所需要的拉力為250.28 N,小于280 N,為螺栓調(diào)整留下余地。因此,在不改變彈簧形狀的情況下,傾向于將波簧厚度調(diào)整為0.22 mm。

5.2 摩擦因數(shù)與拉力

從直觀上來說,摩擦因數(shù)越大,使機構(gòu)拉出的彈性力也越大。波簧厚度為0.20 mm與0.22 mm,仿真計算兩組不同摩擦因數(shù)與拉力關(guān)系,無中心預(yù)緊,結(jié)果如圖15、表2所示。

表2 摩擦因數(shù)與拉力關(guān)系

從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),模型對于摩擦因數(shù)較為敏感,在摩擦因數(shù)變化0.05的范圍內(nèi),拉力大小改變約為40 N,波簧厚度越大,拉力改變越大。

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種航天用分步預(yù)緊連接裝置,通過理論計算、有限元仿真、參數(shù)優(yōu)化三種方法得到解鎖邊界條件的極限推力,滿足分步預(yù)緊的功能要求。