一種航天用分步預緊連接裝置

□ 劉 寅

天津航天機電設備研究所 天津 300458

1 設計背景

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向小行星、火星等地外天體。在探測任務中,返回系統需要采集星體表面的土壤。在將土壤轉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組件。在推力傳遞過程中,當推力達到要求數值時,先進行卸載,再繼續傳遞推力。筆者根據整體功能的需求性,設計了一種航天用分步預緊連接裝置。

2 結構設計

分步預緊連接裝置主要由子套、調節螺釘、鋼球、波簧、張緊套、導向帽、壓簧、母套等部分組成。分步預緊連接裝置結構如圖1所示。

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

調節螺釘通過螺紋旋入張緊套,張緊套的外側與波簧內側接觸。壓簧和導向帽安裝于母套內,壓簧存在一定預緊力,用于向導向帽提供推力,通過調整墊片將波簧壓緊在子套內。調節螺釘裝配如圖4所示。

3 工作原理

分步預緊連接裝置的作用在于能夠將輸入推力分步傳遞給后續連接組件。在這一過程中,當第一段推力達到要求數值時,先進行卸載,使推力幾乎歸零之后,繼續傳遞下一段推力。

分步預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推力作用,壓縮波簧變形。波簧向內壓縮,直至鋼球自身移動到凹槽外。子套受到軸向推力作用,繼續向前運動。壓簧預設的預緊力可以防止子套帶動前端零件一起產生慣性沖力,保證推進動作整體平穩。

4 鋼球受力計算

鋼球在產生位移前,共受到來自三個方向的力,分別為系統給予的推力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換為波簧彈力的固有屬性設計。已知要求推力理論值為250 N,波簧彈力后期可以通過調節螺釘微量調節至最終數值。

5 波簧有限元分析

5.1 模型簡化

分步預緊連接裝置結構較為復雜,波簧產生大變形導致網格節點位移較大,系統矩陣必須以較小載荷步進行更新。由于接觸較多,導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模型分析的結果與對1/2模型和完整模型分析的結果相比較,1/2模型與完整模型分別如圖8、圖9所示,發現所得到的分析結果差距約為0.32%,因此可以認為此項簡化并沒有影響仿真結果。

5.2 接觸與剛體設置

接觸屬性包括切向屬性與法向屬性。由于本次仿真分析產生的接觸壓力并不大,因此在法向壓力上不設置上限值。在切向屬性中設置摩擦因數,研究范圍為0.05～0.3,中間每間隔0.05取一個值,不設置接觸阻尼。

模型由球槽、鋼球、波簧、下引導面、側引導面五個部件組成,結構如圖10所示。其中,鋼球與球槽、波簧、側引導面、下引導面之間存在接觸,波簧與側引導面、下引導面之間存在接觸,共有六對接觸。

由于側引導面、下引導面、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,設置為剛體,以減小計算量,控制點設置在質心處。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,所以將波簧設置為彈性體。

5.3 邊界條件設置

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,后續拉力不產生變化。

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

5.4 分析結果

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系,說明波簧在端點處位移與彈性力的關系近似為正比例函數,后續的理論計算會用到這一結論。在后半段出現較大波動,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,但是此時已經越過拉力值的最高點,所以不必給予過多關注。

6 參數優化

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,從而使整體機構更容易拉出。仿真也證實了這一點。仿真摩擦因數為0.1,計算一組不同厚度的波簧所需要的拉力,無中心預緊,結果如圖14、表1所示。

表1 波簧厚度與拉力關系

從結果中可以發現,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整為0.22 mm。

5.2 摩擦因數與拉力

從直觀上來說,摩擦因數越大,使機構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與拉力關系,無中心預緊,結果如圖15、表2所示。

表2 摩擦因數與拉力關系

從結果中可以發現,模型對于摩擦因數較為敏感,在摩擦因數變化0.05的范圍內,拉力大小改變約為40 N,波簧厚度越大,拉力改變越大。

7 結束語

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