冉江南 徐春光 朱 超 李占芯 高 奔 陳 明

1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300458 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 北京 100094

1 設(shè)計(jì)背景

空間站的在軌組裝建造、維護(hù)維修、空間應(yīng)用與科學(xué)試驗(yàn)都需要航天員實(shí)施出艙活動(dòng),攜帶相關(guān)的設(shè)備和艙外工具,完成指定的操作任務(wù)[1-3]。我國空間站已開始在軌建造,在一項(xiàng)出艙任務(wù)規(guī)劃中,需要航天員對(duì)某設(shè)備實(shí)現(xiàn)多次往復(fù)推進(jìn)操作?；诠δ苄枨?、空間約束,以及航天員人機(jī)工效學(xué)要求,在傳統(tǒng)膠槍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上[4],筆者采用CREO軟件[5]設(shè)計(jì)了一種空間站艙外工具用往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)膠槍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),這一往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有推力大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),并且能夠滿足航天員艙外環(huán)境中單手操作的人機(jī)工效學(xué)要求[6-8]。筆者對(duì)該往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)組成及原理進(jìn)行介紹,分析航天員重點(diǎn)關(guān)注的驅(qū)動(dòng)與解鎖的操作力,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)組成

往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能的前提下,充分考慮了空間環(huán)境因素[9-10]。往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由固定手柄、驅(qū)動(dòng)手柄、主殼體、轉(zhuǎn)軸A、驅(qū)動(dòng)軸桿、撥片、撥片復(fù)位彈簧、鎖止機(jī)構(gòu)、推桿、復(fù)位彈簧等組成,如圖1所示。固定手柄與主殼體固定連接,驅(qū)動(dòng)手柄上部通過轉(zhuǎn)軸A與固定手柄銷接。驅(qū)動(dòng)軸桿安裝在驅(qū)動(dòng)手柄的頂部,并與撥片下端接觸。撥片上設(shè)有軸孔,與推桿配合,在調(diào)整塊的作用下近似豎直狀態(tài)。推桿軸向方向上設(shè)置有撥片復(fù)位彈簧和復(fù)位彈簧,分別作用于撥片和推桿。鎖止機(jī)構(gòu)安裝在主殼體上,置于驅(qū)動(dòng)手柄前方,方便單手操作。鎖止機(jī)構(gòu)與推桿上的齒槽相配合,實(shí)現(xiàn)解鎖和鎖止。

▲圖1 往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)組成

鎖止機(jī)構(gòu)主要由鎖止片、銷軸、鎖止壓簧、鎖止座、轉(zhuǎn)軸B、扳機(jī)等組成,如圖2所示。鎖止座安裝在主殼體上,設(shè)有圓柱槽孔,分別用于安裝鎖止壓簧和鎖止片。鎖止座側(cè)壁設(shè)有長圓槽孔,用于銷軸上下滑動(dòng)。鎖止片末端設(shè)有棘齒,與推桿的齒槽相配合。扳機(jī)通過轉(zhuǎn)軸B與鎖止座銷接,鎖止座通過銷軸與鎖止片銷接。

▲圖2 鎖止機(jī)構(gòu)組成

3 工作原理

3.1 推桿驅(qū)動(dòng)

對(duì)驅(qū)動(dòng)手柄施加驅(qū)動(dòng)力FA,驅(qū)動(dòng)手柄繞OA點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)撥片向驅(qū)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí),撥片相對(duì)推桿發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng),撥片與推桿相互作用,兩者之間產(chǎn)生較大摩擦力。繼續(xù)按壓驅(qū)動(dòng)手柄,撥片繼續(xù)向驅(qū)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng),壓縮撥片復(fù)位彈簧。同時(shí),在摩擦力的作用下,撥片帶動(dòng)推桿向驅(qū)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng),壓縮復(fù)位彈簧。推桿上的齒槽與鎖止機(jī)構(gòu)相配合,當(dāng)按壓驅(qū)動(dòng)手柄至極限位置時(shí),推桿前移一個(gè)齒槽的距離,并在鎖止機(jī)構(gòu)的作用下鎖定。此時(shí),松開驅(qū)動(dòng)手柄,在撥片復(fù)位彈簧的作用下,撥片和驅(qū)動(dòng)手柄復(fù)位,完成一次驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)推桿向驅(qū)動(dòng)方向移動(dòng)一個(gè)齒距。重復(fù)以上操作,可實(shí)現(xiàn)推桿不同行程的位移。

3.2 鎖止和解鎖

正常狀態(tài)下,鎖止片棘齒位于推桿的一個(gè)齒槽內(nèi),并鎖定。當(dāng)推桿向驅(qū)動(dòng)方向前進(jìn)時(shí),鎖止片向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)推桿向驅(qū)動(dòng)方向移動(dòng)一個(gè)齒距時(shí),鎖止片復(fù)位,重新完成對(duì)推桿的鎖定。推桿至指定位置后,對(duì)扳機(jī)施加解鎖力FD,扳機(jī)繞OD點(diǎn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng),并帶動(dòng)鎖止片壓縮鎖止壓簧,沿鎖止座圓柱槽孔向下運(yùn)動(dòng),直至鎖止片棘齒與推桿完全脫離。此時(shí),在復(fù)位彈簧的作用下,推桿迅速向回復(fù)方向移動(dòng),直至推桿完全復(fù)位。松開扳機(jī),在鎖止壓簧的作用下,鎖止片復(fù)位,與推桿初始位置狀態(tài)齒槽配合,完成解鎖操作。

4 計(jì)算

4.1 驅(qū)動(dòng)力

在驅(qū)動(dòng)過程中,往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力分析如圖3所示。在受力分析簡化過程中,忽略不重要的摩擦力,同時(shí)由于鎖止壓簧預(yù)壓力相對(duì)復(fù)位彈簧力很小,因此忽略鎖止機(jī)構(gòu)的作用。驅(qū)動(dòng)過程中,撥片轉(zhuǎn)動(dòng)角度很小,分析過程中撥片可取豎直狀態(tài)。圖3中,F11為復(fù)位彈簧對(duì)推桿的作用力,F12為撥片復(fù)位彈簧對(duì)撥片的作用力,L10、L11為相應(yīng)的力臂。

▲圖3 驅(qū)動(dòng)過程中往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力分析

對(duì)驅(qū)動(dòng)過程進(jìn)行靜力學(xué)分析,驅(qū)動(dòng)力FA為:

FA=(F11+F12)L11/L10

(1)

取F11為42 N,對(duì)應(yīng)最大位置,F12為12.9 N,L11為11.3 mm,L10為75 mm,代入式(1),可得驅(qū)動(dòng)力FA為8.3 N,即最大位置需要的驅(qū)動(dòng)力為8.3 N。

4.2 解鎖力

解鎖過程中,往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力分析如圖4所示。在受力分析簡化過程中,忽略不重要的摩擦力,同時(shí)由于推桿對(duì)撥片的作用為解鎖助力,接觸脫離瞬間操作力最大,因此不考慮推桿對(duì)撥片的作用。圖4中,F21為復(fù)位彈簧對(duì)推桿的作用力,F22為鎖止壓簧對(duì)鎖止片的作用力,L20為解鎖力臂,L21為阻力臂,θ為銷軸對(duì)鎖止片的壓力與水平方向的夾角。

▲圖4 解鎖過程中往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)受力分析

筆者采用MATLAB軟件對(duì)解鎖過程進(jìn)行靜力學(xué)分析,代入相關(guān)力及力臂,并進(jìn)行簡化[11],可得到解鎖力FD為:

(2)

取F21為42 N,對(duì)應(yīng)最大位置,F22為3.6 N,θ為50.2°,代入式(2),可得到解鎖力FD為11.1 N,即最大位置時(shí)扳機(jī)解鎖力為11.1 N。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)依托于空間站某艙外維修工具,該工具核心部分為上述往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu),并且采用相同的參數(shù)。基于往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu),筆者進(jìn)行功能性操作試驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)、解鎖力測(cè)試試驗(yàn)。

5.1 功能性操作試驗(yàn)

連續(xù)按壓驅(qū)動(dòng)手柄,使推桿至最大位置,再按壓解鎖扳手,實(shí)現(xiàn)工具解鎖。重復(fù)以上動(dòng)作五次,按壓和解鎖過程中,各部件能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期動(dòng)作,運(yùn)動(dòng)靈活,無卡滯現(xiàn)象。

5.2 驅(qū)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)

采用虎鉗,在鉗口墊橡膠墊,夾住產(chǎn)品,以驅(qū)動(dòng)手柄中間位置為著力點(diǎn),采用20 N拉力計(jì)測(cè)量每次按壓驅(qū)動(dòng)手柄的驅(qū)動(dòng)力,重點(diǎn)記錄推桿在最大位置時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示,共測(cè)量八次,結(jié)果見表1。

▲圖5 驅(qū)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場

表1 驅(qū)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

驅(qū)動(dòng)力FA理論值為8.3 N,實(shí)測(cè)平均值為8.6 N,誤差為3.6%,在10%誤差范圍內(nèi),滿足性能要求。

5.3 解鎖力測(cè)試試驗(yàn)

采用虎鉗,在鉗口墊橡膠墊,夾住產(chǎn)品,按壓驅(qū)動(dòng)手柄,使推桿至最大位置,以扳機(jī)中間位置為著力點(diǎn),采用20 N拉力計(jì)測(cè)量每次解鎖過程中的最大力。解鎖力測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示,共測(cè)量八次,結(jié)果見表2。

▲圖6 解鎖力測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場

表2 解鎖力測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

解鎖力FD理論值為11.1 N,實(shí)測(cè)平均值為12.6 N,誤差為13.5%。誤差相對(duì)較大,超出10%允許范圍。誤差過大可能是由于摩擦因數(shù)設(shè)定等問題引起,需要進(jìn)一步改進(jìn),但是整體滿足使用要求。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有推力大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),通過鎖止機(jī)構(gòu)前置,使這一往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)更加符合航天人機(jī)工效學(xué)的要求,并且能夠?qū)崿F(xiàn)艙外單手操作。

完成以這一往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)為核心的艙外維修工具的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明能夠滿足航天員使用要求。同時(shí),這一往復(fù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有一定的通用性,可以通過對(duì)機(jī)構(gòu)推桿末端進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。