基于SMA驅(qū)動的分離裝置研究概述

趙守強(qiáng) 劉凌 趙天翔 曹新玉

摘 要：文章是針對記憶合金在分離裝置上的應(yīng)用，對國內(nèi)外領(lǐng)域現(xiàn)狀進(jìn)行介紹與分析。現(xiàn)有分離裝置有：SMA分瓣螺母空間解鎖機(jī)構(gòu)、張開型自收攏記憶合金解鎖器、旋轉(zhuǎn)式SMA分離螺母空間壓緊釋放裝置。此類裝置多應(yīng)用于航天領(lǐng)域，如星箭分離，帆板展開等。這些都需要分離機(jī)構(gòu)來幫助它完成一些相應(yīng)的重要工作，而基于記憶合金的分離裝置對航天領(lǐng)域具有舉足輕重的作用。

關(guān)鍵詞：記憶合金；分離裝置；SMA

中圖分類號：V47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0087-02

Abstract： In this paper， the application of memory alloy in separation device is introduced and analyzed in the field of domestic and foreign. The existing separation devices include： space unlocking mechanism of SMA split valve nut， opening type self-closing memory alloy unlocking device， and rotating SMA separating nut space pressing releasing device. Most of these devices are used in the field of space， such as separation of star and arrow， deployment of canvas， and so on. All these require the separation mechanism to help it to complete some important work， and the separation device based on memory alloy plays an important role in the aerospace field.

Keywords： memory alloy； separating device； SMA

1 概述

記憶合金在某種激勵(lì)下所產(chǎn)生的驅(qū)動力對分離裝置運(yùn)行具有重要作用，而分離裝置在很多領(lǐng)域有著至關(guān)重要的作用，特別是在航天器上具有非常廣泛的應(yīng)用，例如天線、太陽帆板的展開和釋放，火箭與星體的分離等。當(dāng)前我國關(guān)于這方面的研究主要在火工領(lǐng)域，所制作的分離裝置也以這類領(lǐng)域?yàn)橹鳎绫菟ǎ菽傅取５腔鸸けǚ绞接泻芏啾锥伺c不足，爆炸所引發(fā)的振動，產(chǎn)生的灰塵都會對裝置的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，并且其不能重復(fù)利用。相較于火工爆炸式的分離裝置，基于SMA驅(qū)動的分離裝置原理簡單，可以充分利用，振動小，更不會產(chǎn)生灰塵。所以此類裝置得到航空機(jī)構(gòu)的重視。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

（1）國外研究現(xiàn)狀。美國洛德馬丁公司在1993年就開始了基于SMA分離裝離裝置的研發(fā)，研制了兩種以SMA為驅(qū)動的分離螺母Low Force Nut 和 Two-Stage Nut，簡稱LFN和TSN。LFN的推動機(jī)構(gòu)是SMA驅(qū)動器，通過加熱SMA金屬，產(chǎn)生形變，產(chǎn)生的應(yīng)力是連接的螺栓斷裂，所應(yīng)用的螺栓進(jìn)行刻痕處理，從而方便螺栓的失效從而實(shí)現(xiàn)連接件與被連接件的分離；TSN型分離裝置，卸除螺栓上的預(yù)加載荷，再實(shí)現(xiàn)螺栓與螺母的分離。在1999年，這兩類裝置在Mightsat 星搭載的SMARD裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)，最終成功實(shí)現(xiàn)裝置的分離，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。韓國航空大學(xué)在2010年Minsu Lee、WonjunTak和Byungkyu Kim三人研制了利用SMA彈簧的極限載荷和可控分離時(shí)間的裝置，該裝置有兩個(gè)釋放彈簧和一個(gè)驅(qū)動彈簧在加上變形模塊、外殼、阻攔器。在30W輸入功率下分離時(shí)間為55s，SMA絲為1.75mm，在150N的預(yù)加載荷下其最大沖擊是11.09g，變形模塊厚度1mm時(shí)極限載荷為1510N。2011年Min-hyoung Lee等人研制一種SMA分離裝置，其由驅(qū)動模塊、支撐模塊、釋放模塊和外殼組成。驅(qū)動模塊包括一個(gè)固定的記憶合金裝置和一盒進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)的記憶合金驅(qū)動器；支撐模塊由鋼球和中間鎖定塊組成；分離模塊由螺旋彈簧，旋轉(zhuǎn)零件和分離銷組成。該裝置在輸入電流時(shí)為2A時(shí)，分離時(shí)間為1.5s；當(dāng)電流增加3A時(shí)，分離時(shí)間為0.45s。該裝置能穩(wěn)定釋放50kg的負(fù)載，并且在沒有預(yù)加載的情況下，我們會發(fā)現(xiàn)，它的分離沖擊會變?yōu)?g。在2013韓國科學(xué)技術(shù)高級研究院和韓國航空航天研究所以分離螺母和SMA絲為基礎(chǔ)研制了一種具有分離時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡單、高預(yù)加載、低沖擊的非火工品分離裝置，該裝置為圓柱形結(jié)構(gòu)，其尺寸為Φ35×72mm，質(zhì)量為0.275kg。其元件包括外殼、SMA絲、安全彈簧、觸發(fā)塊、套筒、鎖定套筒、壓縮彈簧、螺栓和分離螺母等，圖1分別為其分離前后狀態(tài)示意圖。該裝置在分離時(shí)，通過SMA絲收縮，帶動觸發(fā)塊向上移動，解除對鎖定套筒的軸向約束，鎖定套筒在壓縮彈簧的作用下，帶動與其相連的滾軸軸向運(yùn)動，進(jìn)而解除對分瓣螺母的徑向約束，在預(yù)緊力作用下，實(shí)現(xiàn)螺栓與分瓣螺母的分離。該分離裝置作動簡單、迅速，在電源功率為10.4W（2A，5.2V）分離時(shí)間為50ms，可承受的預(yù)加載荷為15kN，最大分離沖擊為350g。（2）國內(nèi)研究現(xiàn)。我國在2004年發(fā)射了試驗(yàn)二號衛(wèi)星，在這次的試驗(yàn)中我國采用了記憶合金分離裝置，首次在太陽能帆板解鎖上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。鑒于記憶合金這種新型的材料應(yīng)用，其控制性、穩(wěn)定性和參數(shù)都存在或多或少的不足與不完善。所以這類解鎖結(jié)構(gòu)在我國航天上的應(yīng)用并不廣泛。具體的現(xiàn)有分離裝置有：SMA分瓣螺母空間解鎖機(jī)構(gòu)、張開型自收攏記憶合金解鎖器、旋轉(zhuǎn)式SMA分離螺母空間壓緊釋放裝置。2008年東方紅衛(wèi)星航天有限公司研制出這種張開型的自收攏記憶合金解鎖器，它是一種低載荷空間解鎖機(jī)構(gòu)。對電阻絲通電加熱后，記憶合金拉動解鎖的組件，實(shí)現(xiàn)解鎖。2010年北京航空航天大學(xué)的張小勇、閆曉軍等人研制了SMA的分瓣螺母空間解鎖機(jī)構(gòu)。在6V直流電壓下，加熱SMA絲產(chǎn)生恢復(fù)應(yīng)力，其應(yīng)力大于復(fù)位彈簧的推力，箍筒下移，裝置分離；SMA絲冷卻，復(fù)位彈簧回復(fù)，箍筒上移，復(fù)位結(jié)合，完成連接。這個(gè)裝置在解鎖時(shí)間上會實(shí)現(xiàn)0.3秒內(nèi)就可以解鎖完畢，解鎖的同步性也會小于0.04秒。2012年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉榮強(qiáng)研制了旋轉(zhuǎn)式SMA分離螺母空間壓緊釋放裝置。通電時(shí)SMA絲收縮拉動旋臂旋轉(zhuǎn)，卡銷失去約束，主驅(qū)動推動滾輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而釋放滾柱和分離螺母，最終實(shí)現(xiàn)釋放。

3 SMA連接分離驅(qū)動原理

（1）形狀記憶合金材料。記憶合金材料是早20實(shí)際60年代逐漸形成和發(fā)展的一種新型的具有功能性的材料，簡稱之為SMA。它的本質(zhì)是在一定的溫度下，會實(shí)現(xiàn)材料的相體從奧氏體到馬氏體轉(zhuǎn)變的合金，在初始狀態(tài)的記憶合金馬氏體能夠塑性變形，提高溫宿到某一平衡或者臨界溫度以上又可恢復(fù)成最開始的狀態(tài)，我們稱這種能夠回復(fù)到初始狀態(tài)的能力成為記憶效應(yīng)，它形變量是一般彈性材料的20倍以上，最大回復(fù)應(yīng)變?yōu)?%，回復(fù)應(yīng)力為300～600MPa。SMA主要有鈦鎳基、銅基和鐵基這三大，鎳鈦基是目前發(fā)現(xiàn)的形狀記憶效應(yīng)最好的一種，其抗拉強(qiáng)度大于1000MPa，延伸率也大于20%，回復(fù)應(yīng)力會相應(yīng)的變大，它的穩(wěn)定性良好，具有循環(huán)性，抵抗腐蝕和摩擦的能力也非常優(yōu)秀，是一種非常優(yōu)秀的功能材料。（2）形狀記憶合金性能和效應(yīng)。形狀記憶合金是具有回復(fù)能力的，這也是稱之為記憶性的原因，其記憶性體現(xiàn)在恢復(fù)性，加熱或者電流都將成為其產(chǎn)生記憶恢復(fù)性的重要激勵(lì)，不同溫度下記憶合金材料會產(chǎn)生相變，會在高溫奧氏體和低溫馬氏體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不同的熱力條件下，記憶合金材料因?yàn)橄嘧儯簿蜁胁煌男阅堋Ｐ螤钣洃浐辖鸱秩N，分別分單程、雙程、全程。單程的記憶效應(yīng)是因?yàn)椴牧显诘蜏叵聲冃危羌訜岵艜貜?fù)到以前的狀態(tài)。雙程的記憶合金效應(yīng)指的是材料通過加熱就會回復(fù)高溫相的狀態(tài)，然而，溫度降低冷卻就會回復(fù)到低溫項(xiàng)狀態(tài)。全程的記憶效應(yīng)是指加熱后會回復(fù)高溫的相狀態(tài)，溫度降低冷卻會變?yōu)闋顟B(tài)相同而取向相反的低溫相狀態(tài)。對于形狀記憶合金的記憶效應(yīng)，歸根結(jié)底是源自于馬氏體相變，這是熱彈性所致，馬氏體的形成是記憶合金性能最主要的因素。馬氏體會隨著溫度的下降而生長，溫度上升就會產(chǎn)生相反的效應(yīng)，最終直到消失。在這個(gè)變換中，就產(chǎn)生了驅(qū)動力。這個(gè)成為自由能，那么兩個(gè)相等溫度就是平和溫度。那么，這個(gè)平衡溫度就是馬氏體生長與消失的分界線，溫度低于這個(gè)分界線就會產(chǎn)生馬氏體，溫度高于這個(gè)分界線就會使馬氏體消失。這也就是記憶合金性能的性能原理。當(dāng)然，不僅僅溫度可以引起記憶合金材料中馬氏體的相變，應(yīng)力也是引起記憶合金材料中馬氏體相變的重要因素，相變的溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。（3）形狀記憶效應(yīng)影響因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論研究，記憶合金目前的主要材料有：Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si，這些組成了記憶合金體系，不同的記憶合金材料自然在記憶合金的效應(yīng)、性能等方面具有差異，這就形成了記憶合金效應(yīng)的影響因素。除了材料，在形狀、溫度、應(yīng)力等方面都影響著記憶合金的效應(yīng)。不同形狀的材料在熱傳導(dǎo)方面會存在延時(shí)性，導(dǎo)致受熱不一定均勻，特別對于那些記憶合金筒，記憶合金管等大型元件；溫度自然是影響記憶合金材料最大的因素，那么不同的材料的平衡溫度和對溫度的響應(yīng)范圍都有差異，對于這一點(diǎn)要通過不斷的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)，從而選擇適合某類裝置的材料。由于應(yīng)力也是引起記憶合金材料中馬氏體相變的重要因素，所以需要考慮應(yīng)力對記憶合金效應(yīng)的影響，結(jié)合數(shù)據(jù)相變的溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于SMA的分離裝置在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并從記憶合金的材料、性能、效應(yīng)的等方面分析了連接分離驅(qū)動原理。SMA分離裝置相較于傳統(tǒng)爆炸分離，憑借其無污染、沖擊小、可重復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，將會的到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)正在積極開展這方面的研究，類似SMA分瓣螺母空間解鎖機(jī)構(gòu)、張開型自收攏記憶合金解鎖器、旋轉(zhuǎn)式SMA分離螺母空間壓緊釋放裝置等的裝置，將會在航天領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊詩輝.形狀記憶合金連接分離裝置的若干研究[D].北京理工大學(xué)，2015.

[2]江晉民.基于形狀記憶合金的低沖擊大承載壓緊釋放裝置研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]白志富，果琳麗，陳岱松.新型非火工星箭連接分離技術(shù)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2009（1）：31-37.

[4]金培玉，張耀榮，于惠力.電磁摩擦離合器的參數(shù)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（3）：45-50.

[5]謝泉，顧軍慧.潤滑油品研究與應(yīng)用指南（第二版）[M].中國石化出版社，2007.

[6]陳安明，錢學(xué)軍.形狀記憶合金螺旋彈簧的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，1999（1）：17-19.

[7]李奕璇.用形狀記憶合金彈簧驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)分離裝置[J].金屬材料與冶金工程，2015（4）：45-47.