空间重复锥杆卡爪式连接分离机构设计与分析_简彬.pdf
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1、空间重复锥杆卡爪式连接分离机构设计与分析简彬1,赵冲2,王珂2,赵海峰2,陈炳兴3,荣吉利1(1.北京理工大学 宇航学院,北京100081;2.中国科学院 空间应用工程与技术中心,北京100094;3.福州大学 机械工程及自动化学院,福建,福州350108)摘 要:为满足航空宇航领域中对可重复连接分离技术的需求,提出了一种小型轻量化、有容差、高承载和高刚度的空间重复锥杆卡爪式连接分离机构.采用 ANSYS Workbench 软件对空间重复连接分离机构进行静力学仿真校核其高承载能力,采用 ADAMS 软件建立该机构的运动学模型并验证其运动可行性.基于等效弹簧接触模型建立了空间重复锥杆卡爪式连接
2、分离机构的连接刚度显示表达式,利用 ANSYS Workbench 软件分析在无预紧力条件下和仅有预紧力条件下的刚度,并进行线性函数拟合.结合线性规划方法,优化了预紧力使刚度和承载能力同时最大化.最后,研制原理样机,开展 10 次以上重复连接与分离实验,证明了该设计的有效性.通过研制重复锥杆卡爪式连接分离机构,为其在飞行器交会对接、卫星在轨服务、天线重复展开和大型宇航结构在轨构造等工程应用领域提供技术支撑.关键词:连接分离机构;静力学校核;运动学仿真;刚度模型中图分类号:V414.1 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2023)03-0267-07DOI:10.15918/j.tb
3、it1001-0645.2022.063Design and Analysis of Space Reusable Rod-Cone-Claw TypeConnection and Separation MechanismJIAN Bin1,ZHAO Chong2,WANG Ke2,ZHAO Haifeng2,CHEN Bingxing3,RONG Jili1(1.School of Aerospace Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Technology and EngineeringCen
4、ter for Space Utilization,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;3.School of Mechanical Engineering andAutomation,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China)Abstract:To meet the demand for reusable connection and separation technology in the aerospace field,a spacereusable rod-cone-claw
5、type connection and separation mechanism with the advantages of lightweight,limitedtolerance,high load-bearing,and high stiffness was proposed in this paper.The static simulation of the space re-usable connection and separation mechanism based on ANSYS Workbench was implemented to check its highbear
6、ing capacity.The kinematic simulation of the mechanism was conducted by ADAMS software to verify themotion feasibility.Based on the equivalent spring contact model,the display expression of the connection stiff-ness of the space reusable rod-cone-claw type connection and separation mechanism was est
7、ablished.The stiff-ness values of the reusable connection and separation mechanisms under the condition of no preload and only un-der the condition of preload were analyzed using ANSYS Workbench software,and the first-order polynomialfunction was fitted to the stiffness.Combined with the linear prog
8、ramming method,the preload value was optim-ized to maximize both stiffness and load-bearing capacity.Finally,the principal prototype of space reusable rod-cone-claw type connection and separation mechanism was developed,and 10 repeated connection and separationexperiments were carried out to prove t
9、he effectiveness of the design.The design of the space reusable rod-cone-claw type connection and separation mechanism provides theoretical and technical support for its application in 收稿日期:2022 03 15基金项目:中国科学院特别研究助理资助项目(T203021)作者简介:简彬(1979),男,高级工程师,E-mail:.通信作者:赵冲(1992),男,博士,助理研究员,E-mail:.第 43 卷第
10、3 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.32023 年 3 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMar.2023engineering applications such as aircraft rendezvous and docking,satellite on-orbit service,antenna repeated de-ployment,and large-scale aerospace structure on-orbit construction.Key words:connection and sep
11、aration mechanisms;static analysis;kinematic simulation;stiffness model 我国航空宇航领域日新月异,载人飞船、空间站建设、月球与火星着陆探测、深空探测研究等重大航天工程的陆续启动与实施,对可重复连接分离技术提出了更高更新的要求1 3.连接分离机构分为一次和重复连接分离机构.航天领域常用的一次连接分离机构是火工装置,技术成熟、连接分离可靠,用于火箭发射的多级分离和箭舱分离1.重复连接分离机构主要用于飞行器交会对接、卫星在轨服务、天线重复展开和大型宇航结构在轨构造等领域3.苏联于 1967 年采用锥杆式重复连接分离装置4实现了宇
12、宙 186 和宇宙 188 两个舱段的对接锁定工作,阿波罗飞船的对接机构属于早期的曲柄摇杆式连接分离机构5,通过四杆机构原理驱动锁钩拉紧和释放目标飞行器连接框,实现连接与分离,该机构结构简单,连接分离可靠.欧洲航天局提出两指卡爪式连接分离机构4,6,通过电机驱动双卡爪卡紧和释放被锁紧轴进行连接和分离.SSRMS 空间站机械臂末端执行器采用锥杆式捕获机构7,其特点是具有很大的容差范围,并且利用钢丝索缠绕捕获锥头的方式降低对被捕获结构的冲击和扰动.日本宇航局针对日本空间站试验舱的空间大型扩展平台研制了用于货柜重复连接与分离机构8.美国提出了一种用于锁紧有效载荷的连接与分离机构9,通过拉紧和释放绳索
13、,利用曲柄旋转驱使锁芯收缩和扩张实现机构与载荷板分离连接.国内研究人员张武等10为使可展太阳翼能够重复锁定和释放,研制了一种杠杆锁止式连接分离机构,结构简单易控制,锁定可靠性高;张文星等11设计了一种蜗轮蜗杆曲柄滑块式连接分离机构,具备一定容差能力和低冲击优势.综上,目前国内外出现了锥杆式、曲柄摇杆式、卡爪式和杠杆锁止式等重复连接分离机构.锥杆式和卡爪式连接分离机构结构简单、连接可靠,缺点是体积与重量较大、精度不高.曲柄摇杆式和杠杆锁止式连接分离机构通过电机驱动打破力平衡进行解锁,承载能力小,应用在大承载场合时连接可靠性难以保障.鉴于此,参考现有连接分离机构原理形式4 12,本文提出了一种小型
14、轻量化和高承载的重复锥杆卡爪式连接分离机构,并通过 ANSYS Workbench 静力学仿真校核、ADAMS 运动学仿真、连接刚度分析和连接分离功能实验,验证了该设计的可行性13.1 锥杆卡爪式连接分离机构设计 1.1 方案设计提出了一种空间重复锥杆卡爪式连接分离机构方案,如图 1 所示,利用锥面接触进行容差定位,通过卡爪卡紧锥杆完成锁定,具有小型轻量化、有容差、高承载、高刚度、定位精度高、锁紧可靠等优点.带锥杆的公座为被锁部,剩下部分为锁紧部.锥杆公座母座调节螺母锁芯套筒支撑架轴承螺母丝杠底盖电机卡爪销滑筒螺钉图 1 空间重复锥杆卡爪式连接分离机构结构图Fig.1 Structural d
15、iagram of space reusable rod-cone-claw type connectionand separation mechanism 空间重复锥杆卡爪式连接分离机构锁紧过程如下:带锥杆的被锁部开始向母座靠近,锥杆逐步进入母座内,由公座及母座的锥面完成定位;当锥杆进入锁芯后,电机正转驱动丝杠转动,依次带动螺母、滑筒向右移动,滑筒左端带动卡爪向右运动,锁芯外凸台挤压卡爪使其向内收拢,逐渐拉紧锥杆;当电机继续转动,滑筒和卡爪难以向右运动,可为连接部提供了一定的预紧力.空间重复锥杆卡爪式连接分离机构分离过程为锁紧过程的逆过程,即:电机反转,滑筒向左运动,卡爪在凸台挤压下向外运动
16、,释放锥杆.1.2 锥面角度分析空间重复锥杆卡爪式连接分离机构连接部公座与母座的接触受力关系如图 2 所示,主要参数包括预紧力 F0、横向载荷 P、摩擦力 f、正压力 Q 和锥度,由受力关系可得公座与母座接触时锥度对横向载荷和轴向载荷的影响.横向力平衡方程:P=Qsin+f cos=Qsin+Qcos=Q(sin+cos)(1)轴向力平衡方程:Qcos f sin+F0(2)268北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷横向载荷与轴向载荷之间的关系为P F0(sin+cos)cossin(3)=sin+coscossin令,表示横向载荷与轴向载荷的转换系数.设定接触为钢-钢材料,查询机械设计
17、手册14可知摩擦因数 =0.100.15,取无润滑干摩擦情况 0.15,取 090,计算可得转换系数 与锥面角度 的关系,如图 3 所示.由图 3 可知:当锥度 在 060之间,空间重复锥杆卡爪式连接分离机构所能承受的横向载荷随着锥度的增大缓慢增大;当锥度 在 6081.47之间,该机构所能承受的横向载荷随着锥度的增大快速增大;当锥度 81.47时,该机构仅受横向载荷,公座和母座的接触自锁,横向载荷不会影响轴向力.5 种典型锥度时转换系数 如表 1 所示.综上,根据图 3,当锥度 81.47,公座和母座形成自锁.但是锥度 越大,尤其超过 45后,可能会造成被锁部的锥杆难以沿着母座的锥面顺利滑入
18、锁芯内部.因此,考虑到连接分离机构主要承受为轴向载荷,选取锥度 为 45,其承受横向载荷仍能达到轴向载荷 1.353 倍以上,足以满足条件.2 静力学与运动学仿真分析 2.1 静力学仿真分析根据机械设计手册14丝杠螺母螺旋副相关校核公式计算可知,空间重复锥杆卡爪式连接分离机构选用的丝杠螺母螺旋副可承受预紧力为 2.297 3 kN,轴向载荷 6.620 9 kN.使用 SolidWorks 软件建立重复锥杆卡爪式连接分离机构的三维结构,如图 4(a)所示.卡爪丝杠轴承锁芯螺母(a)三维结构(b)位移云图滑筒锥杆0.206 3 Max0.183 380.160 460.137 530.114 6
19、10.091 6890.068 7670.045 8440.022 9220 MinXYZ01530 mm图 4 连接分离机构静力学分析Fig.4 Static analysis of connection and separation mechanism 由于该连接分离机构结构复杂,直接使用 AN-SYS Workbench 软件进行有限元分析会使划分单元复杂、计算时间长,甚至可能使计算结果出现较大偏差15.因此,先对重复锥杆卡爪式连接分离机构模型进行简化:由于底盖、调节螺母受力较小,可忽略;丝杠、螺母、滑筒之间的接触采用绑定连接;销与滑筒、卡爪之间接触采用不分离连接;锥杆与卡爪、公座与母座
20、为干摩擦连接.滑筒、销、锥杆与卡爪的材料为 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 钛合金,屈服强度达到 1 034 MPa;公座、母座、支撑架 F0PQf图 2 接触受力分析Fig.2 Contact force analysis 010203040506070809015010050050100150/()图 3 锥面角度和转换系数之间的关系Fig.3 The curve between cone angle and conversion coefficient表 1 5 种锥度的转换系数值Tab.1 Conversion coefficient of five cone angle锥
21、度/()1530456072转换系数0.4360.7961.3532.5438.819第 3 期简彬等:空间重复锥杆卡爪式连接分离机构设计与分析269和套筒材料为 45Cr,淬火加回火处理,屈服强度达到460 MPa.在 ANSYS Workbench 软件中,首先将锁紧部母座和套筒固定,然后对公座施加 6.6 kN 轴向向外的载荷,分析重复锥杆卡爪式连接分离机构零部件的变形和应力.结果表明:该连接分离机构内部结构最大位移为 0.160 15 mm,如图 4(b)所示.应力较大的零件为锥杆和卡爪,其应力云图如图 5 所示,锥杆最大等效应力为 630.42 MPa,卡爪最大等效应力为950.91
22、 MPa,满足钛合金材料强度要求.0510 mmXYZ0510 mmA点(a)锥杆应力云图(b)卡爪应力云图XYZ630.42 Max560.37490.33420.28350.23280.19210.14140.0970.0470.000 171 94 Min950.91 Max845.51740.12634.72529.33423.94318.54213.15107.762.362 2 Min图 5 锥杆和卡爪应力云图Fig.5 Stress nephogram of rod and claw 2.2 运动学仿真分析采用 ADAMS 软件建立空间重复锥杆卡爪式连接分离机构的运动学模型.首先
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