基于SMA驱动的扭转弹簧分离装置优化设计

赵守强 刘凌 赵天翔 刘成

摘 要：在扭转弹簧分离装置中，拔销器是一个十分关键的零部件，直接影响到分离装置的使用效果。拔销器由一个偏置弹簧和一个SMA记忆合金驱动弹簧组成，偏执弹簧的作用是将SMA记忆合金驱动弹簧复位，它们在一起能够实现销子的拔出与插入。文章分析了形状记忆效应影响因素，介绍了SMA拔销器的原理，并通过润滑和公差配合等方面对扭转弹簧分离装置进行了优化设计。

关键词：SMA驱动；扭转弹簧；优化设计

中图分类号：V423.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0072-02

Abstract： In the torsional spring separation device， the pin puller is a very key component， which directly affects the use of the separation device. The pin puller consists of a bias spring and a SMA memory alloy drive spring. The bigoted spring is used to reset the SMA memory alloy drive spring. Together， the pins can be pulled out and inserted. This paper analyzes the influencing factors of shape memory effect， introduces the principle of SMA pin puller， and optimizes the design of torsion spring separator through lubrication and tolerance fit.

Keywords： SMA drive； torsional spring； optimal design

引言

记忆合金在某种激励下所产生的驱动力对分离装置运行具有重要作用，而分离装置在很多领域有着至关重要的作用，特别是在航天器上具有非常廣泛的应用，例如天线、太阳帆板的展开和释放，火箭与星体的分离等。当前我国关于这方面的研究主要在火工领域，所制作的分离装置也以这类领域为主。记忆合金弹簧在受到温度激励之后会产生形变和应力，进而压缩偏置弹簧启动拔销器运动，特制螺栓失去束缚，在扭转弹簧的助力下自动旋转落下，这也是选择非自锁螺纹连接的重要原因，让螺栓旋转下落时更加顺畅方便，旋下之后连接件与被连接件失去束缚，从而完成装置解锁。

1 形状记忆效应影响因素

材料、形状、温度、应力等方面都影响着记忆合金的效应。不同形状的材料在热传导方面会存在延时性，导致受热不一定均匀，特别对于那些记忆合金筒，记忆合金管等大型元件；温度自然是影响记忆合金材料最大的因素，那么不同的材料的平衡温度和对温度的响应范围都有差异，对于这一点要通过不断的实验进行测量数据，从而选择适合某类装置的材料。由于应力也是引起记忆合金材料中马氏体相变的重要因素，所以需要考虑应力对记忆合金效应的影响，结合数据相变的温度同应力呈线性关系。

2 装置分离原理

早在1993年美国洛德马丁公司就开始了基于SMA分离装离装置的研发，研制了两种以SMA为驱动的分离螺母Low Force Nut和Two-Stage Nut，简称LFN和TSN。LFN的推动机构是SMA驱动器，通过加热SMA金属，产生形变，产生的应力是连接的螺栓断裂，所应用的螺栓进行刻痕处理，从而方便螺栓的失效从而实现连接件与被连接件的分离；TSN型分离装置，卸除螺栓上的预加载荷，再实现螺栓与螺母的分离。

扭转弹簧式分离装置采用了非自锁螺纹连接、SMA弹簧驱动、扭转弹簧助力。记忆合金弹簧在受到温度激励之后会产生形变和应力，进而压缩偏置弹簧启动拔销器运动，特制螺栓失去束缚，在扭转弹簧的助力下自动旋转落下，这也是选择非自锁螺纹连接的重要原因，让螺栓旋转下落时更加顺畅方便，旋下之后连接件与被连接件失去束缚，从而完成装置解锁。特制的法兰螺栓是为了使拔销器的销子可以对其进行固定。非自锁状态的运用是采用了螺纹升角与摩擦的关系进行了相应的设计。销子是起到固定法兰螺的作用，该装置施加预紧力是通过旋紧螺栓，而不是旋紧螺母，再加上非自锁的缘故，销子固定螺母的作用更加重要。

3 SMA拔销器的原理

单向形状记忆合金驱动拔销器由一个偏置弹簧和一个SMA记忆合金驱动弹簧组成，偏执弹簧的作用是将SMA记忆合金驱动弹簧复位，它们在一起能够实现销子的拔出与插入。其中的原理是，当温度降低时，SMA弹簧会出现母相转变为马氏体，因此SMA弹簧的作用力变小、变软，另一侧的偏置弹簧就会压缩SMA弹簧，销子就会向左移。但是，当温度升高SMA时，弹簧就会出现马氏体逆转变为母相而产生回复的力，这个力大于偏置弹簧的压缩力。从而克服偏置弹簧的力，使销子向右移动，完成销子的拔插作用。

4 拔销器设计分析

拔销器是对设计中螺栓的轴向旋转所做的控制部分。通过拔销器的工作从而实现装置的解锁。而拔销器的驱动是靠记忆合金弹簧所提供的驱动力，压缩偏执弹簧。收缩销子，解锁束缚，完成解锁。根据输出力和输出位移的要求设计记忆合金弹簧与偏置弹簧组成偏压式双程驱动器。给出由记忆合金弹簧与普通弹簧（偏置弹簧）构成的偏置机构的工作原理。低温时，形状记忆合金弹簧处于马氏体状态，质地较软，偏动力（偏执弹簧的力）把记忆合金弹簧压向右侧；当温度升高时，记忆合金弹簧由于形变会伸长，其恢复力会将偏置弹簧推向左侧，这样随温度的升高和降低即热循环时，就会实现装置的往复运动。这种偏置机构可用于各种温控机构，来控制某些装置的开关，例如利用温度进行控制的百叶窗、汽车里的节温器等等。

5 优化分析

5.1 润滑

润滑在机械零件来说是一项很重要的工作，润滑在摩擦学的领域是非常重要的一门研究型学科，改善优化摩擦副的摩擦状态以及降低因摩擦阻力造成的摩擦损耗，润滑剂就会通过它的特性达到的目的。另外，润滑剂还具有防止生锈，减轻震动损害，对装置进行密封和传递动力等作用。充分合理的利用现代的润滑技术能够在提高机器的使用性能和寿命并减少能源消耗方面起到重大作用。

在扭转弹簧式分离装置里自然不可缺少润滑剂的使用，相较于破坏式，扭转弹簧式结构更复杂，所需要的润滑措施也自然更加细致。

特制螺栓与抗剪环之间、抗剪环与筒璧之间、非自锁螺纹之间、拔销器销子与销孔之间，都需要润滑。这样既利于装置的装配，同时对于装置的运行也起到保障作用，确保装置不因摩擦缘故导致响应缓慢甚至失败。同时，精密仪器对装置的防锈处理有更高的要求，润滑剂自然也对这一方面起到重要作用。

跟破坏杆式类似，国内许多品牌的优质润滑有可以满足扭转弹簧式装置的使用需求，长城、昆仑等品牌的润滑油可以运用到该装置上。

5.2 公差配合

根据公差与配合（GB1800～1804-79），国家标准推荐选用配合，基孔制的优先和常用配合。根据GB/T 1801-1999规定基孔制常用配合46种，优先选用的配合共有13种。扭转弹簧式装置孔轴配合需要确切的设计和查表，抗剪环和特制螺栓，抗剪环和筒壁，拔销器销子和销孔，由于分离时需要相互之间需要移动，所以选择间隙配合，查表后选择。特制法兰螺母和销子，由于需要较大的紧固力，并且需要固定，确保添加预紧力，并且防止因为松动而脱落，影响装置的运转。所以需要过盈配合，查表后选择。

6 结束语

文章分别从材料、形状、温度、应力等方面分析了形状记忆效应影响因素，介绍了扭转弹簧式分离装置的分离原理和SMA拔销器的工作原理，参照以往各项关于SMA分离装置所做出的设计分析和研究，此类装置的设计研究是以航天器中的分离设施为背景所进行的相关研究，利用记忆合金材料的记忆效应而设计的，并通过润滑和公差配合等方面对扭转弹簧分离装置进行了优化设计。

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