基于雙四桿機(jī)構(gòu)的可重復(fù)自動(dòng)鎖緊解鎖裝置

黃大興，蔣秋香，張 凱，姜景明，楊德財(cái)，王治易，2，錢志源，2

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109；2.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109）

0 引言

航天器發(fā)射段受運(yùn)載包絡(luò)限制，航天器的較大部件須處于收攏鎖緊狀態(tài)，進(jìn)入預(yù)定軌道后，部件需解鎖、釋放并分離。這類鎖緊解鎖分離裝置可使用爆炸螺栓、切割器、拔銷器等火工裝置實(shí)現(xiàn)，也可使用斷裂螺栓、解鎖螺母、電阻絲熔線機(jī)構(gòu)、形狀記憶合金、液態(tài)金屬、形狀記憶聚合物等非火工裝置實(shí)現(xiàn)［1-19］。該類裝置的應(yīng)用較為廣泛，大部分產(chǎn)品在航天器上均有成功應(yīng)用的案例，但存在在軌不可重復(fù)鎖緊解鎖等缺點(diǎn)。

隨著航天器的發(fā)展，航天器需要在軌重復(fù)鎖緊解鎖技術(shù)去實(shí)現(xiàn)鎖緊件與其他部件的多次鎖緊解鎖，對(duì)鎖緊解鎖裝置提出了新的需求。因此新型重復(fù)鎖緊解鎖技術(shù)得到快速發(fā)展［20］，用于航天器艙門的鎖緊機(jī)構(gòu)［21］、星載激光通信端機(jī)的重復(fù)鎖緊解鎖機(jī)構(gòu)［22］，以及飛船貨盤固定的重復(fù)鎖緊機(jī)構(gòu)［23］，均能實(shí)現(xiàn)在軌重復(fù)鎖緊解鎖功能，但需將鎖緊件調(diào)整到特定狀態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)鎖緊功能。

國(guó)際空間站（International Space Station，ISS）對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)產(chǎn)品在發(fā)射階段，通過(guò)16 個(gè)鎖緊裝置（Launch Lock）和10 個(gè)約束裝置進(jìn)行鎖緊；當(dāng)桁架段發(fā)射入軌后，由宇航員出艙解除16 個(gè)鎖緊裝置和外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的6 個(gè)約束裝置，對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)可以正常工作。通過(guò)短桿相連對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的固定部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分，通過(guò)約束裝置連接固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分與短桿的連接處。在艙內(nèi)工作模式下，需要解除外層短桿與轉(zhuǎn)動(dòng)部分的約束裝置，使短桿懸空在轉(zhuǎn)動(dòng)部分上。因此，國(guó)際空間站對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)執(zhí)行鎖緊動(dòng)作時(shí)，也存在一定的角度限制和在軌操作需求。

空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)需要能夠360°全角度在軌可重復(fù)自動(dòng)鎖緊解鎖裝置，以滿足發(fā)射階段鎖緊需求和入軌后解鎖需求，以及空間站夢(mèng)天試驗(yàn)艙對(duì)接、轉(zhuǎn)位等大載荷沖擊工況下的鎖緊解鎖需求，降低宇航員的相關(guān)在軌出艙工作量。

本文結(jié)合我國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的鎖緊解鎖需求，設(shè)計(jì)一種基于雙四桿機(jī)構(gòu)的在軌可重復(fù)全角度自動(dòng)鎖緊解鎖裝置。該產(chǎn)品通過(guò)了鑒定級(jí)環(huán)境試驗(yàn)、壽命驗(yàn)證試驗(yàn)及在軌飛行試驗(yàn)，其功能和性能得到充分驗(yàn)證。該機(jī)構(gòu)具有較大的工程應(yīng)用潛力，為航天器機(jī)構(gòu)的在軌可重復(fù)自動(dòng)鎖緊解鎖需求提供了解決方案。

1 方案設(shè)計(jì)

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)鎖緊解鎖裝置，主要由鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)和鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2 部分組成。鎖緊解鎖裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成鎖緊/解鎖動(dòng)作的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力的來(lái)源。

圖1 鎖緊解鎖裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the locking/unlocking device

鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)以雙四桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)增加碟簧機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)鎖緊末端效應(yīng)器、平行四邊形機(jī)構(gòu)、信號(hào)觸發(fā)機(jī)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)環(huán)形導(dǎo)軌的鎖緊/解鎖功能。

鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出端與鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入端連接，為鎖緊/解鎖動(dòng)作提供動(dòng)力。鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)一系列齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率的輸出，在傳動(dòng)鏈中增加安全離合器等功能部件，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)鏈的過(guò)載保護(hù)功能。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足鎖緊解鎖裝置在有限質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)360°全角度可重復(fù)自動(dòng)鎖緊解鎖功能，保證在軌多次鎖緊解鎖動(dòng)作的可靠性，滿足鎖緊力矩鎖緊剛度等性能需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用以下幾種措施。

1）采用無(wú)刷直流電機(jī)作為鎖緊解鎖動(dòng)作驅(qū)動(dòng)設(shè)備，并接入大減速比的傳動(dòng)鏈以保證足夠的驅(qū)動(dòng)力矩輸出，對(duì)傳動(dòng)鏈涉及的齒輪及軸承采用濺射二硫化鉬固體的潤(rùn)滑措施，保證活動(dòng)部件長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

2）采用安全離合器對(duì)鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，防止故障模式下?lián)p傷傳動(dòng)鏈。

3）作為鎖緊對(duì)象的對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)環(huán)形導(dǎo)軌沿軸線方向的傾斜會(huì)導(dǎo)致四桿機(jī)構(gòu)末端效應(yīng)器的壓塊無(wú)法壓平。為使鎖緊解鎖裝置能適應(yīng)該方向的偏差，在四桿機(jī)構(gòu)末端增加1 個(gè)銷軸副（構(gòu)件3和構(gòu)件4 的連接處），保證環(huán)形導(dǎo)軌沿軸線方向發(fā)生傾斜時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)中的末端效應(yīng)器的壓塊始終能夠保持與環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面貼合，保證鎖緊環(huán)形導(dǎo)軌。同時(shí)，鎖緊解鎖裝置中的平行四邊形機(jī)構(gòu)的構(gòu)件3與構(gòu)件5 連接的銷軸副處采用較大的間隙配合，在保證壓緊塊不與其他零部件發(fā)生干涉的情況下，使構(gòu)件4 可以小幅擺動(dòng)。

4）對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)環(huán)形導(dǎo)軌圓跳動(dòng)為0.5 mm，該類偏差會(huì)導(dǎo)致四桿機(jī)構(gòu)末端效應(yīng)器壓塊的圓弧面無(wú)法與環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面完全貼合。為使鎖緊解鎖裝置能夠適應(yīng)該方向的偏差，在末端效應(yīng)器中采用大剛度碟簧來(lái)適應(yīng)壓緊塊的位置微小的偏差，保證壓緊塊與環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面的貼合。

5）采用大跨距同軸過(guò)約束雙四桿機(jī)構(gòu)以減輕機(jī)構(gòu)質(zhì)量，雙四桿機(jī)構(gòu)上安裝同步板強(qiáng)制雙四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步，雙四桿機(jī)構(gòu)銷軸副的銷軸表面濺射二硫化鉬固體潤(rùn)滑膜、雙四桿機(jī)構(gòu)銷軸副的銷孔鑲嵌銅套，降低銷軸副的摩擦系數(shù)，提高銷軸副的耐磨性，防止活動(dòng)部件冷焊，保證雙四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步順暢，避免銷孔配合姿態(tài)偏斜導(dǎo)致的相互間偏磨，影響鎖緊解鎖動(dòng)作正常執(zhí)行。

1.2 工作原理

在空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)發(fā)射段、對(duì)接轉(zhuǎn)位等大沖擊工況下，需鎖緊解鎖裝置，實(shí)現(xiàn)環(huán)形導(dǎo)軌與艙體組件或桁架組件之間的剛性連接。鎖緊解鎖裝置采鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)鎖緊環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面Ⅰ和Ⅱ，通過(guò)摩擦力實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面切向的鎖緊，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形導(dǎo)軌的鎖緊位置全周任意選取，環(huán)形導(dǎo)軌截面如圖2 所示。

圖2 鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案Fig.2 Scheme of the locking actuator

通過(guò)環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩克服環(huán)形導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)環(huán)形導(dǎo)軌與艙體組件或桁架組件的連接，保證艙體組件或桁架組件一起隨環(huán)形導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)。該鎖緊方式的優(yōu)點(diǎn)在于，既增加了摩擦工作面（2 個(gè)工作面），又可以使環(huán)形導(dǎo)軌盡可能減小所承受的徑向力，即在理想情況下，鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)圓弧面Ⅰ的鎖緊力與對(duì)圓弧面Ⅱ的鎖緊力形成力平衡。不會(huì)使環(huán)形導(dǎo)軌承受額外的力。鎖緊解鎖裝置的鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案如圖2 所示。由圖2可知，支點(diǎn)O1和O2與殼體通過(guò)銷軸副相連，構(gòu)件1與構(gòu)件2 及構(gòu)件2 與構(gòu)件3 之間通過(guò)銷軸副相連。構(gòu)件1 繞支點(diǎn)O1轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)構(gòu)件2 帶動(dòng)構(gòu)件3 繞支點(diǎn)O2擺動(dòng)，構(gòu)件3 通過(guò)構(gòu)件4 壓緊環(huán)形導(dǎo)軌圓周面。為防止構(gòu)件4 在鎖緊過(guò)程中大幅偏擺，導(dǎo)致與其他構(gòu)件發(fā)生干涉，將構(gòu)件3、構(gòu)件4、構(gòu)件5 及機(jī)架形成1 個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，使構(gòu)件4 與環(huán)形導(dǎo)軌面基本保持平行。

如圖2 所示的自鎖位置，保證鎖緊機(jī)構(gòu)不會(huì)因?yàn)闃?gòu)件的擾動(dòng)而發(fā)生回彈，破壞鎖緊狀態(tài)。為保證機(jī)構(gòu)鎖緊的可靠性，采用過(guò)死點(diǎn)的方式，使構(gòu)件1 到達(dá)死點(diǎn)位置后再轉(zhuǎn)過(guò)約5°，此時(shí)采用限位塊對(duì)構(gòu)件1限位，并在此位置觸發(fā)鎖緊信號(hào)，完成鎖緊。

在構(gòu)件2 中安裝碟簧，通過(guò)碟簧的預(yù)壓縮實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的施加，鎖緊過(guò)程中，通過(guò)碟簧的壓縮實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦副鎖緊力的逐步施加。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)射段和在軌段的需求分析，鎖緊解鎖裝置需滿足以下幾點(diǎn)要求：

1）對(duì)環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面4 和5 的總鎖緊力不小于350 N。

2）環(huán)形導(dǎo)軌在鎖緊方向的偏差不超過(guò)0.5 mm，保證鎖緊時(shí)徑向附加力不超過(guò)3 000 N。

3）鎖緊解鎖裝置執(zhí)行鎖緊動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)30 s，執(zhí)行解鎖動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)30 s。

為滿足上述3 點(diǎn)技術(shù)需求，從鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)碟簧機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)和鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3 方面對(duì)機(jī)構(gòu)重要參數(shù)展開(kāi)計(jì)算分析設(shè)計(jì)。

2.1 碟簧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在不考慮環(huán)形導(dǎo)軌安裝精度和變形的情況下，構(gòu)件4 能夠保證完全鎖緊導(dǎo)軌，且環(huán)形導(dǎo)軌不受額外的徑向力。當(dāng)環(huán)形導(dǎo)軌位置發(fā)生偏差時(shí)，導(dǎo)致一側(cè)壓縮行程增大，另一側(cè)壓縮行程減小，兩側(cè)受力不均，使導(dǎo)軌承受巨大的徑向力，影響對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的正常工作。為解決該問(wèn)題，在構(gòu)件2 中增加一低剛度、大行程的碟簧機(jī)構(gòu)，用于對(duì)摩擦副施加鎖緊力，碟簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3 所示［24］。

圖3 碟簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the discspring mechanism

該碟簧的使用工況可視為靜載荷，碟簧失效形式為在最大應(yīng)力點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形，為保證自由高度的穩(wěn)定，一般設(shè)計(jì)碟簧壓平時(shí)其強(qiáng)度接近或小于材料的屈服點(diǎn)，壓平時(shí)，本產(chǎn)品所用碟簧的強(qiáng)度在使用區(qū)間內(nèi)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于靜載荷碟簧，其正常工作高度與碟簧總行程最高比值可取0.85 以上。針對(duì)目前的設(shè)計(jì)，考慮碟簧因環(huán)形導(dǎo)軌位置偏差引起彈簧過(guò)度壓縮的情況，也滿足正常工作高度與碟簧總行程最高比值不大于0.8 的要求，工作最大應(yīng)力不超過(guò)1 100 MPa。該設(shè)計(jì)取值主要為降低碟簧機(jī)構(gòu)的整體剛度，采用碟簧對(duì)合的形式。當(dāng)?shù)蓹C(jī)構(gòu)承受載荷時(shí)，碟簧沿著導(dǎo)向件表面滑動(dòng)，將一部分載荷傳遞至導(dǎo)向件，使得各碟片承受的載荷由動(dòng)端的碟片開(kāi)始向內(nèi)依次遞減；各碟片的應(yīng)力大小也不相等，動(dòng)端碟片的應(yīng)力最大，壽命最短。因此在將碟簧使用時(shí)，應(yīng)力設(shè)計(jì)在較小的范圍內(nèi)，保證應(yīng)力最大的動(dòng)端碟片具有足夠的使用壽命。

同時(shí)為保證碟簧特性的穩(wěn)定，減小碟簧的應(yīng)力幅，提高疲勞強(qiáng)度，取碟簧預(yù)壓縮量與碟簧總行程比值為0.33，碟簧預(yù)緊力為1 000 N。

環(huán)形導(dǎo)軌位置偏差對(duì)碟簧機(jī)構(gòu)工作情況的影響分析見(jiàn)表1。

表1 碟簧機(jī)構(gòu)工作點(diǎn)分析Tab.1 Working point analysis of the discspring mechanism

由表1 可得以下結(jié)論。

1）環(huán)形導(dǎo)軌處于理論位置時(shí)，總鎖緊力為11 538 N；環(huán)形導(dǎo)軌處于極限偏差位置時(shí)，總鎖緊力為11 220 N。摩擦系數(shù)按0.1 計(jì)算，總鎖緊力為1 122～1 153.8 N，滿足不小于350 N 的指標(biāo)要求。

2）當(dāng)環(huán)形導(dǎo)軌徑向偏差不大于0.5 mm 時(shí)，末端鎖緊力最大壓力差為1 824 N，滿足對(duì)環(huán)形導(dǎo)軌徑向力不超過(guò)3 000 N 的指標(biāo)要求。

2.2 四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)末端效應(yīng)器壓緊面接觸到環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面，桿AB開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)，桿AB須拆分為2 個(gè)構(gòu)件，且通過(guò)沿桿AB方向的滑動(dòng)副相互約束，桿BO2C可視為固定構(gòu)件。受力分析如圖4 所示。

圖4 四桿機(jī)構(gòu)受力分析Fig.4 Force analysis of the four-bar mechanism

四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩表達(dá)式如下：

式中：K為碟簧剛度，N/mm；LAB為桿AB的長(zhǎng)度，mm；LO1為桿O1A的長(zhǎng)度，mm；LO1B為桿O1B的長(zhǎng)度，mm；FA為碟簧鎖緊力，N；M為O1A所受的轉(zhuǎn)矩，N·mm；θ1為桿O1A的轉(zhuǎn)角，（°）；θ2為桿O1A與桿AB的夾角，（°）。

按照碟簧對(duì)四桿機(jī)構(gòu)在各個(gè)位置下的力展開(kāi)計(jì)算。按式（1）計(jì)算桿O1A在不同轉(zhuǎn)角下，桿AB所受的力，由此可得O1A處所受的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)該轉(zhuǎn)矩確定單套四桿機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力矩。計(jì)算得單套四桿機(jī)構(gòu)所需最大驅(qū)動(dòng)力矩為18 N·m，則雙四桿機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力為36 N·m。

2.3 鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈配2 個(gè)手動(dòng)鎖緊/解鎖接口，同時(shí)搭載磁滯安全離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)功能。據(jù)輸出力矩及成套件的選用情況，對(duì)鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電機(jī)通過(guò)3 級(jí)直齒嚙合將動(dòng)力傳遞至行星齒輪，再經(jīng)2 級(jí)行星齒輪減速器（National Grid Wireless，NGW）型行星齒輪后，通過(guò)2 級(jí)直齒嚙合將動(dòng)力傳遞至輸出端。

綜上所述，該方案中輸出轉(zhuǎn)速范圍為0.634 9～0.821 9 r/min，鎖緊時(shí)旋轉(zhuǎn)角度為77.5°～80°，所需時(shí)間為15.7～21.0 s，考慮傳感器延遲觸發(fā)（傳感器觸發(fā)到電機(jī)停止只需數(shù)10 ms）或故障模式下安全離合器打滑（5 s），滿足鎖緊解鎖時(shí)間小于30 s 的指標(biāo)要求。

3 性能試驗(yàn)

3.1 鎖緊力試驗(yàn)

考慮到在軌環(huán)境下對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面表面存在不同技術(shù)狀態(tài)，測(cè)試對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面表面不同技術(shù)狀態(tài)下的鎖緊解鎖裝置的鎖緊力。鎖緊力測(cè)試時(shí)產(chǎn)品狀態(tài)和測(cè)試設(shè)備如圖5 所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 鎖緊力測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of the locking force

圖5 鎖緊力測(cè)試Fig.5 Test of the locking force

3.2 鎖緊解鎖試驗(yàn)

驗(yàn)證鎖緊解鎖功能時(shí)，采用1 段環(huán)形導(dǎo)軌模擬件安裝到末端效應(yīng)器壓緊組件上，模擬鎖緊解鎖裝置對(duì)環(huán)形導(dǎo)軌的鎖緊解鎖，如圖6 所示。在這一過(guò)程中，觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)作是否順暢平穩(wěn)無(wú)卡滯，鎖緊狀態(tài)下是否壓緊貼合，解鎖狀態(tài)下分離距離是否足夠，并記錄鎖緊動(dòng)作和解鎖動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)果記錄見(jiàn)表3，可知鎖緊解鎖功能均正常實(shí)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作順暢平穩(wěn)無(wú)卡滯，鎖緊狀態(tài)壓緊貼合度高，解鎖狀態(tài)下分離正常且分離距離足夠。

表3 鎖緊解鎖功能驗(yàn)證Tab.3 Verification for the locking and unlocking functions

圖6 鎖緊解鎖裝置解鎖狀態(tài)Fig.6 Unlocking status of the locking/unlocking device

圖7 壽命試驗(yàn)前繞組電流Fig.7 Winding current before the life tests

圖8 壽命試驗(yàn)后繞組電流Fig.8 Winding current after the life tests

3.3 壽命驗(yàn)證試驗(yàn)

為保證在軌工作可靠，采用研制產(chǎn)品進(jìn)行壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，累計(jì)執(zhí)行鎖緊解鎖動(dòng)作2 000 多次。試驗(yàn)前后進(jìn)行了常溫性能測(cè)試，壽命試驗(yàn)前后測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。測(cè)試結(jié)果表明：試驗(yàn)前后，鎖緊解鎖動(dòng)作各項(xiàng)性能滿足要求，動(dòng)作順暢靈活無(wú)卡滯；電機(jī)繞組電流無(wú)明顯變化，即鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)各銷軸副試驗(yàn)前后狀態(tài)一致，性能穩(wěn)定，各銷軸副阻力矩?zé)o明顯變化，鎖緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈各齒輪試驗(yàn)前后狀態(tài)一致，性能穩(wěn)定，各齒輪副間嚙合狀態(tài)無(wú)明顯變化，傳動(dòng)效率無(wú)明顯變化。

表4 壽命試驗(yàn)情況Tab.4 Life tests

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，設(shè)計(jì)一種用于滿足其在軌期間多次自動(dòng)鎖緊解鎖需求的鎖緊解鎖裝置，利用研制的產(chǎn)品開(kāi)展多項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)該鎖緊解鎖裝置的功能和性能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

1）鎖緊解鎖裝置額定直流工作電壓為28 V，壽命末期最大功耗為6.356 W，解鎖安全距離為4.9 mm，滿足使用需求。

2）鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)雙面鎖緊環(huán)形導(dǎo)軌，環(huán)形導(dǎo)軌圓弧面涂滿真空潤(rùn)滑油脂的極端工況下鎖緊力安全裕度為2.1，能夠保證對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)可靠鎖緊。

3）鎖緊解鎖裝置在真空環(huán)境下和常壓環(huán)境下完成驗(yàn)證試驗(yàn)，鎖緊動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間為17.09～17.27 s，解鎖動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間為16.51～16.89 s。

4）通過(guò)地面2 000 多次鎖緊解鎖動(dòng)作次數(shù)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)可得，試驗(yàn)前后產(chǎn)品各項(xiàng)性能滿足要求，動(dòng)作順暢靈活無(wú)卡滯，繞組電流無(wú)明顯變化。

本文設(shè)計(jì)的鎖緊解鎖裝置具有全角度自動(dòng)鎖緊解鎖、結(jié)構(gòu)緊湊和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)在軌多次可靠鎖緊解鎖功能，適用于空間機(jī)構(gòu)的在軌多次自動(dòng)鎖緊解鎖，具有較大的工程應(yīng)用潛力。