電驅鋼球鎖緊機構的試驗研究及設計優化

孫澤陽，劉寶龍，吳新躍

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

電驅鋼球鎖緊機構的試驗研究及設計優化

孫澤陽，劉寶龍，吳新躍

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

電驅鋼球鎖緊機構是一種機械式快開執行機構，用于重要法蘭結構的連接鎖緊、快速解鎖。針對該機構解鎖速度要求高、工作溫度范圍廣的特點，采用控制變量試驗方法，對各因素對該機構鋼球鎖和電磁鐵的影響進行分析，得出了解鎖阻力與解鎖速度、環境溫度間的關系，并得出了吸合力與環境溫度間的關系。然后，通過鋼球鎖結構優化、電磁鐵參數優化、熱變形協調設計等設計優化方法，有效提高了電驅鋼球鎖緊機構的解鎖安全裕度。

鋼球鎖；螺管吸入式電磁鐵；試驗研究；設計優化方法

0 引 言

電驅鋼球鎖緊機構是一種機械式快開執行機構[1]，常用于重要法蘭結構的連接鎖緊、快速解鎖。該機構的主體結構如圖1所示。

電驅鋼球鎖緊機構由鋼球鎖和電磁鐵兩部分組成。其中，鋼球鎖可通過長軸柱孔、芯軸柱段、鋼球的配合實現機構的鎖緊、承受預緊載荷，并通過芯軸錐段、彈簧軸、大小彈簧的配合實現機構的快速解鎖和分離；電磁鐵為直流螺管吸入式結構，其鐵芯與鋼球鎖固定連接，通電后，鐵芯被通電線圈磁化，在軸向電磁力作用下沿軸向運動，提供自動解鎖的驅動力。

電驅鋼球鎖緊機構的工作模式為多件同步動作，要求各機構解鎖迅速、過程無卡滯。同時，該機構工作的溫度環境為-40～60 ℃，對配合件材料的熱變形協調有較高的要求。基于此，本文對電驅鋼球鎖的解鎖過程進行試驗研究，分析其影響因素，并提出設計優化措施，提高該機構的解鎖安全裕度。

1 試驗研究及分析

電驅鋼球鎖緊機構的解鎖安全裕度主要由鋼球鎖的解鎖阻力和電磁鐵的吸合力決定。為分析各因素對解鎖安全裕度的影響，采用控制變量試驗進行研究。

1.1 鋼球鎖試驗研究及分析

鋼球鎖的解鎖試驗工裝如圖2所示。改變拉伸機的拉伸速度和環境箱的溫度，以測試鋼球鎖在不同狀態下的解鎖阻力。

鋼球鎖的解鎖阻力與解鎖速度的關系曲線如圖3所示。由圖3可見，解鎖阻力隨解鎖速度的增快而增大。而電磁鐵鐵芯的瞬時吸合速度可達2 000 mm/min，會產生較大解鎖阻力。針對該特性，應對鋼球鎖的結構進行優化，防止高解鎖速度下的運動卡滯現象。

鋼球鎖的解鎖阻力與環境溫度的關系曲線見圖4。

由圖4可見，解鎖阻力隨環境溫度降低而增大。分析原因為：鋼球鎖芯軸為聚酰亞胺材料，其摩擦系數隨溫度的降低而增大[2,3]（見圖5），而解鎖過程的阻力主要由芯軸與鋼球的滑動摩擦造成，故低溫會造成解鎖阻力增大。針對該材料特性，應對電磁鐵吸合力進行設計優化，提升吸合力的設計裕度。

1.2 電磁鐵試驗研究及分析

電磁鐵的吸合試驗工裝如圖6所示。圖6中改變環境箱的溫度，以測試電磁鐵在不同狀態下的吸合力。

試驗結果表明：電磁鐵在20 ℃條件下吸合力為350 N，在60 ℃條件下吸合力為320～340 N，而在-40 ℃條件下吸合力小于200 N，鐵芯動作緩慢，甚至出現卡滯現象。

分析原因為：電磁鐵鐵芯材料為Q235鋼材，線膨脹系數為10.6～12.2 μm/(m·℃)，繞線骨架材料為聚四氟乙烯，線膨脹系數為138 μm/(m·℃)。基于此，計算20 ℃和-40 ℃條件下電磁鐵鐵芯與繞線骨架的配合間隙，如表1所示。可見，-40 ℃環境下電磁鐵鐵芯與繞線骨架的配合間隙顯著小于常溫狀態設計值，甚至出現過盈配合情況，這大大降低了電磁鐵的吸合力，可能引起運動卡滯現象。針對該特性，應對電磁鐵配合件材料的熱變形進行協調，以降低吸合過程中的阻力，提升吸合力的設計裕度。

表1 電磁鐵鐵芯與繞線骨架配合間隙計算結果 單位：mm

2 設計優化方法

2.1 鋼球鎖結構優化

常見的鋼球鎖緊機構中，長軸設計有圓柱孔[4]，當機構處于鎖緊狀態時，該圓柱孔與鋼球、鎖緊套筒的錐面配合工作，傳遞鎖緊力；當機構解鎖時，鋼球沿圓柱孔滑落，實現機構的快速分離。但該結構可能造成鋼球限位不足、凸出長軸外表面的問題，導致解鎖過程卡滯。

針對上述結構問題，對鋼球鎖長軸的結構進行優化，將圓柱孔改進為圓錐孔（圖7），可有效實現鋼球限位，解決解鎖過程卡滯問題。

2.2 電磁鐵參數優化

針對鋼球鎖在低溫環境、高解鎖速度下的大解鎖阻力，對電磁鐵參數進行優化，以提高電磁鐵吸合力的設計裕度。

電驅鋼球鎖緊機構的電磁鐵為直流螺管吸入式，在滿足結構尺寸限制的同時，采用全局尋優的方法進行參數優化[5～7]，電磁鐵參數優化過程如圖8所示。

通過上述優化，電磁鐵的主要參數變化如表2所示。由表2可知，參數優化后，電磁鐵在溫度為-40 ℃時吸合力理論值由200 N提升至576 N。

表2 電磁鐵參數優化結果

2.3 熱變形協調設計

針對電磁鐵配合件材料的熱變形協調問題，兼顧材料剛度和隔磁能力，將繞線骨架的材料優化為銅合金材料，其線膨脹系數為17.8 μm/（m·℃）；同時，減小繞線骨架與鐵芯間的設計間隙。設計優化后，20 ℃和-40 ℃時電磁鐵鐵芯與繞線骨架的配合間隙見表3。

表3 設計優化后配合間隙計算結果 單位：mm

可見，-40 ℃環境下電磁鐵鐵芯與繞線骨架的配合間隙增大，熱變形協調，降低了吸合過程中的阻力，提升了吸合力的設計裕度。

3 設計優化結果分析

設計優化完成后，鋼球鎖采用13°限位錐孔設計，電磁鐵采用1.0 mm線徑、840匝繞組，且鐵芯和繞線骨架分別采用DT4C及鋁青銅材料。在-40～60 ℃溫度范圍內，對該電驅鋼球鎖緊機構進行單機解鎖試驗，記錄鋼球鎖解鎖阻力和電磁鐵吸合力，結果見表4。

表4 設計優化后的解鎖試驗結果

試驗數據表明，在-40～60 ℃溫度范圍內，電磁鐵吸合力均在鋼球鎖解鎖阻力的2.7倍以上（設計優化前小于2倍），設計裕度較大；試驗現象表明，在電驅鋼球鎖緊機構解鎖過程中，無運動卡滯現象，鐵芯和繞線骨架之間運動順暢。設計優化對鋼球鎖緊機構的解鎖安全裕度提升明顯。

4 結 論

通過上述研究，可得出結論如下：a）電驅鋼球鎖緊機構的鋼球鎖解鎖阻力隨解鎖速度的增快而增大，隨環境溫度的降低而增大；電驅鋼球鎖緊機構的電磁鐵吸合力隨環境溫度的降低而減小。b）通過鋼球鎖結構優化及電磁鐵參數優化、材料熱變形協調等方法，可以增大電驅鋼球鎖緊機構的解鎖安全裕度。

[1] 關福州, 王俊. 機械式精密鎖緊機構的設計與分析[J]. 金屬加工, 2013(6): 41-42.

[2] 叢培紅, 李同生, 等. 溫度對聚酰亞胺摩擦磨損性能的影響[J]. 摩擦學學報, 1997, 17(3): 220-226.

[3] 李曉軍, 浦玉萍, 等. 聚酰亞胺摩擦學性能的研究[J]. 材料工程, 2004(6): 24-32.

[4] 王明娣, 鐘康民. 鋼球傳力式定位-鎖緊組合元件及其力學計算[J]. 工藝裝備, 2003(11): 49-50.

[5] 王強. 螺管式電磁鐵設計與仿真分析[D]. 湘潭: 湖南科技大學, 2013.

[6] 周小擎. 直流電磁鐵的優化設計[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 1994, 22(5): 138-146.

[7] 白志紅, 周玉虎. 電磁鐵的動特性的仿真與分析[J]. 電力學報, 2004, 19(2): 200-201.

Experimental Research and Design Optimization on Electromotive Steel-ball Locking Device

Sun Ze-yang, Liu Bao-long, Wu Xin-yue
(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Electromotive steel-ball locking device is a kind of mechanical quick-opening actuators, usually applied in locking and quick-opening of flanges. This device is used in large temperature range and should be unlocked quickly. In order to achieve these engineering goals, with the help of experimental method and control variate method, we analyzed the relationships between the resistance and driving force of the device with temperature and unlock velocity. In use of these results, we optimized the design of the steel-ball locking device in three ways: structure optimization of the long shaft, main parameters optimization of the electromagnet, thermal deformation coordination, and successfully improved the safety margin of the device.

Steel-ball locking device; Solenoid electromagnet; Experimental research; Design optimization

TH112.7

A

1004-7182(2017)03-0084-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170318

2016-08-09；

2017-04-15

孫澤陽（1990-），男，工程師，主要研究方向為航天發射技術