直热后置式石蜡驱动器的位移输出特性研究.pdf

技术创新成组技术与生产现代化 年第 卷第期收稿日期:作者简介:李涛(),男,安徽六安人,硕士研究生,研究方向为先进数控技术及应用.文章编号:()直热后置式石蜡驱动器的位移输出特性研究李涛,纪玉杰,姜宏彪(沈阳理工大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 ;沈阳航天新乐有限责任公司 技术部,辽宁 沈阳 )摘要:为研究直热后置式石蜡驱动器的位移输出特性,以石蜡的热力学特性为理论基础,建立了以正二十烷烃为相变驱动材料的直热后置式石蜡驱动器位移输出理论模型.制作直热后置式石蜡驱动器样机,搭建专用试验台,在不同温度负载和石蜡量下对样机的位移输出特性进行了试验.试验结果表明:在一定范围内,石蜡驱动器的输出位移随石蜡受热温度的升高和石蜡填充量的增大而增大,随负载的增大而减小;理论计算与试验的结果吻合良好.关键词:直热后置式;石蜡驱动器;非火工;热力学;位移输出特性中图分类号:T P ;TU 文献标识码:Ad o i:/j i s s n 随着空间科技的发展,航天器越来越复杂,所用分离装置的量也不断增大.例如,美国的阿波罗飞船上用了 个,俄罗斯的联盟号飞船上使用了 个,我国载人飞船上使用了上百个分离装置.目前,航空航天领域的连接分离技术按释放方式可主要分为火工与非火工两大类.火工释放装置虽然具有结构简单、作用速度大、成本低等优点,但也伴有释放冲击大、爆炸有污染、使用不可逆等缺点 .据统计,全球在 年前的 次发射中,有 次的发射失败被证实与释放冲击过大有关.而非火工能够弥补火工连接分离技术的这些缺点,因此非火工释放装置的研究将是今后的主要趋势.非火工分离技术近些年发展迅速,它具有体积小、结构简单、作用时间短、冲击小、无磁性干扰等优点.目前国际上流行的非火工释放装置按解锁驱动方式的不同,可分为熔断释放装置、石蜡驱动释放装置、基于形状记忆合金的释放装置、电磁铁驱动释放装置和电机驱动释放装置五大类.比较而言,在这五大类中,石蜡驱动释放装置在提供驱动过程中不会产生零部件破坏问题,可重复多次使用.这是因为石蜡在温度达到其熔点附近时,具有很大的体积膨胀系数.此外,石蜡驱动释放装置在驱动总体响应时间和输出功率方面也具有显著的优势 .根据文献 ,石蜡驱动释放装置(又称石蜡驱动器)可用含有膨胀石墨的石蜡作为相变驱动材料.石蜡具有优良的热可靠性和耐热性能,是一种良好的低温储能材料,可使活塞式石蜡驱动器在工作过程中响应速度加快,加热效果更显著.文献 针对活塞式石蜡驱动器进行力学分析,建立以石蜡为相变驱动材料的驱动器输出模型,搭建实物模型,并通过正交试验法安排有效试验,测量在不同温度、负载和石蜡量下的输出位移,对所建立输出模型进行了试验验证.本文将基于上述文献,以石蜡为相变驱动材料,建立直热后置式石蜡驱动器的位移输出理论模型,并在不同温度和载荷条件下对石蜡驱动器样机的位移输出特性进行试验.直热后置式石蜡驱动器的结构直热后置式石蜡驱动器由驱动器外壳、后盖、驱动杆、密封元件(O形圈、斯特封、格莱圈)、密封盖等组成(图).用加热片通电加热,石蜡因受热由固技术创新G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,体融化为液体,发生相变;相变产生的驱动力和输出位移将直接作用在驱动杆端面,使驱动杆向图所示的驱动器左侧移动.图直热后置式石蜡驱动器的三维剖视图石蜡驱动器所用格莱圈为聚四氟乙烯环,所用O形圈为橡胶材料.石蜡驱动器密封元件的工作压力为 MP a.密封盖采用可拆式结构,安装简便.设计时应根据驱动器的实际工作要求,选择合适的密封盖.装在石蜡驱动器右侧的O形圈用于防止石蜡外泄,提高驱动器的密封性能.石蜡驱动器的位移输出理论模型为研究直热后置式石蜡驱动器的位移输出特性,可根据文献 列出处于相变温度下的石蜡状态方程,即VV(TT)(pp)()式中:V为石蜡体积,m;T为石蜡受热后温度,;p为石蜡承受的压强,MP a;为等压体积膨胀系数;为等温体积压缩系数;p、V和T分别为石蜡初始状态的压强、体积和温度.设环形石蜡柱的内径、外径分别为D和D,石蜡柱变形前后的长度分别为l和l,则VV(DD)(ll)()石蜡受热膨胀产生的输出力为:F石蜡(DD)(pp)()设f为系统总体摩擦力,G为外载荷(大小等于外挂负载),F为压缩前载荷,k为弹簧的倔强系数,则F石蜡k(ll)FfG()由上述式子可推导出输出位移s,即sll(TT)(DD)(FfG)(DD)l k()试验可得:,.石蜡驱动器位移输出特性的试验设计为验证以正二十烷烃为相变驱动材料的直热后置式石蜡驱动器的位移输出理论模型,本文在不同温度、负载和石蜡量下进行了试验.在试验过程中,温度的变化范围为 ,负载的变化范围为 g,相应的输出位移较大;石蜡柱的内径Dmm,外径D mm,长度的变化范围为 mm.位移输出特性正交试验的因素及水平如表所示.表位移输出特性正交试验的因素及水平序号温度/石蜡柱长度/mm负载/g输出位移/mm 技术创新成组技术与生产现代化 年第 卷第期直热后置式石蜡驱动器样机试验在制作石蜡柱时,采用加热熔融的方法将石蜡注入圆筒状的模腔中.在冷却和固化时,石蜡因热胀冷缩而形成液芯.由于石蜡柱中心附近的气泡会对试验结果产生很大影响,因此为了消除气泡、减小液芯尺寸,必须分多次加入液态石蜡.本文搭建的直热后置式石蜡驱动器样机构成如图所示.测试石蜡驱动器位移输出特性的试验装置如图所示.它主要包括加热部分和测量部分.图直热后置式石蜡驱动器的样机构成加热片;石蜡驱动器;支撑缸;电磁继电器;温度控制仪;无纸记录仪;位移传感器;定滑轮;砝码图测试石蜡驱动器位移输出特性的试验装置直热后置式石蜡驱动器位移输出特性试验装置的加热部分主要包括:加热片、温度控制仪、电磁继电器.试验过程中,通电的加热片由温度控制仪来控制.控制温度时,首先设置温度,然后通过加热片内部的温度传感器测量温度信息,将温度信息反馈至温度控制仪,最后通过温度控制仪的输出信号对电磁继电器进行控制.电磁继电器对电信号进行控制的同时,可对加热片的输出功率进行控制.电磁继电器能与其他部件组成反馈控制系统,使加热片的温度稳定.在直热后置式石蜡驱动器的内腔放置石蜡.加热时,石蜡的温度升高,体积膨胀,推动驱动杆,产生横向位移;当停止加热时,石蜡的温度逐渐下降,体积收缩,驱动杆在复位弹簧作用下逐渐回至原位.直热后置式石蜡驱动器位移输出特性试验装置的测量部分主要有位移传感器、无纸记录器等.测试时,在石蜡驱动器驱动杆末端的螺纹上安装位移传感器探针,以获取驱动杆的位移信息;将位移信息转换成电子信号后可反馈给无纸记录仪.驱动器中设置的温度传感器用来捕获温度信息.该温度信息也可反馈给无纸记录仪.加热时,采用无纸记录仪对温度和位移进行测量,且要求每秒钟测量一次.试验结束后可对数据进行分析.试验结果与讨论直热后置式石蜡驱动器的位移输出特性试验,得出了图所示的输出位移变化曲线.(a)长 mm石蜡柱(b)长 mm石蜡柱技术创新G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,(c)长 mm石蜡柱(d)长 mm石蜡柱图输出位移变化曲线由图可知:当石蜡柱长度和载荷一定时,石蜡驱动器的输出位移随着加热温度的提高而增大;在温度和载荷一定时,石蜡柱的长度越大,石蜡驱动器的输出位移就越大;在其他条件一定时,石蜡驱动器的输出位移随着负载的增大而线性减小.分析可知:直热后置式石蜡驱动器的加热温度和输出位移的变化趋势近似,这与理论计算的结果吻合良好.结语本文建立了直热后置式石蜡驱动器的位移输出理论模型.在试验验证中,直热后置式石蜡驱动器的输出位移随着受热温度和石蜡量的增大而增大,随着负载的增大而线性减小.实际使用中可适当提高温度、在工作要求允许范围内减小负载、在允许空间内增大石蜡柱长度,以提高石蜡驱动器的实际位移输出量.参考文献仲作阳,张海联,周建平,等航天器非火工连接分离技术研究综述J载人航天,():盖玉先,梁潇,杨帅,等非火工包带式星箭分离技术研究进展J机械设计与制造,(s):杨斌久,肖龙,盖玉先包带式星箭分离非火工解锁装置研究进展J机械设计与制造,(s):,M O E N I N GCJ,T H EA E R O S P A C EC O R P O R A T I O N P y r o t e c h n i cs h o c k f l i g h tf a i l u r e sC/P r o c e e d i n g s o ft h e s t A n n u a lT e c h n i c a lM e e t i n go f t h e I n s t i t u t eo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s L a sV e g a s,U S A:I n s t i t u t eo fE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,:R A S H I D IS,EH S AN IM H,S HAK OUR IM,e ta l Ar e v i e wp o t e n t i a l s o f m a g n e t i c s h a p e m e m o r y a l l o y s f o r e n e r g yh a r v e s t i n gJ J o u r n a l o fM a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s,:杨斌久,王振威,盖玉先航天器非火工释放装置研究进展J机械设计与制造,(s ):O G D E NS,K L I NT B E R GL,THO RN E L LG,e t a l R e v i e wo nm i n i a t u r i z e dp a r a f f i np h a s ec h a n g ea c t u a t o r s,v a l v e s,a n dp u m p sJ M i c r o f l u i d i c s a n dN a n o f l u i d i c s,():P R I E B EJ T h eu t i l i z a t i o no fh i g ho u t p u tp a r a f f i na c t u a t o r s i na e r o s p a c ea p p l i c a t i o n sC/s tJ o i n tP r o p u l s i o n C o n f e r e n c ea n dE x h i b i t S a nD i e g o,C A,U S A:A I AA,:N I N GDY,L IZH,L I A N GGD,e t a l D e s i g na n dp e r f o r m a n c e s t u d yf o re l e c t r o t h e r m a l l yd e e p s e ad r i v e m i c r o u n i t su s i n gap a r a f f i np h a s ec h a n g em a t e r i a lJM i c r o m a c h i n e s,():邓建红,费华,王林雅,等癸酸石蜡/膨胀石墨定形相变材料的制备及性能J化工进展,():张顺杰,王露斯,聂超,等空间大载荷石蜡驱动器研制J北京航空航天大学学报,():陈兵芽,刘莹,胡敏,等石蜡热膨胀性能试验装置的研究J制造技术与机床,():蔡祖光陶瓷工厂常用O形橡胶密封圈的泄漏及其解决途径J佛山陶瓷,():陈兵芽石蜡热力学特性及其无缆驱动器研究D南昌:南昌大学,马庆鑫,纪玉杰活塞式石蜡驱动器摩擦力试验研究J一重技术,():S AN G I AN D,N A F I C YS,S P I N K SG MT h e r m a l l ya c t i v a t e dp a r a f f i n f i l l e dM c K i b b e n m u s c l e sJ J o u r n a lo fI n t e l l i g e n tM a t e r i a lS y s t e ma n dS t r u c t u s,():(下转第 页)设计与生产实践成组技术与生产现代化 年第 卷第期F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so fP o s tA n c h o r e dS t e e lC o r b e lL I UL i d a(N o I n d u s t r i a lE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e,S I P P RE n g i n e e r i n gG r o u pC o,L t d,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do np r a c t i c a l e n g i n e e r i n g,t h en o n l i n e a r f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f t h ep o s t a n c h o r e ds t e e l c o r b e l i s c a r r i e do u ti nt h i sp a p e r,b yt h e f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r eA B AQU S T h er e s u l t ss h o wt h a t a t t h e i n i t i a l s t a g eo f l o a d i n g,t h es t r e s sa t t h em i d d l ea n c h o rb o l to f t h e t o pr o wi s l a r g e,a n dt h ea n c h o rb o l t i sak e yc o m p o n e n t T h es t r e s sa t t h ep o s i t i o nw h e r et h es t e e lc o r b e l t o pp l a t ei sc o n n e c t e dw i t ht h ea n c h o rp l a t ei ss i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h a ta to t h e rp o s i t i o n s,w h e r et h es t r e s si sc o n c e n t r a t e d W i t ht h e i n c r e a s eo f l o a d,t h es t r e s sv a l u ea t t h ec o n n e c t i o np o s i t i o nb e t w e e nt h et o pp l a t eo f t h es t e e lb r a c k e ta n dt h ea n c h o rp l a t es i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e s,a n dt h es t r e s sn e a r t h e t o pr o wa n c h o rb o l th o l e s i s r e l a t i v e l yh i g h,r e a c h i n gy i e l ds t r e s s l o c a l l ya n dr e s u l t i n gi nap r o b l e mo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n T h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h es t e e lc o r b e lt o pp l a t ea n dt h ea n c h o rp l a t e f i r s t r e a c h e s t h e f u l l s e c t i o ny i e l d,a n dg r a d u a l l yy i e l d sn e a r t h e t o pr o wa n c h o rb o l th o l e T h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep o s t a n c h o r e ds t e e l c o r b e l d e s i g n e d i nt h i sp r o j e c tm e e t s t h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s:s t e e l c o r b e l;c h e m i c a l a n c h o rb o l t;f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s;s t r e s s(上接第 页)S t u d yo nt h eD i s p l a c e m e n tO u t p u tC h a r a c t e r i s t i c so fD i r e c t h e a tP o s tP a r a f f i nA c t u a t o rL IT a o,J IY u j i e,J I ANG H o n g b i a o(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,S h e n y a n gL i g o n gU n i v e r s i t y,S h e n y a n g ,C h i n a;T e c h n o l o g yD e p a r t m e n t,S h e n y a n gA e r o s p a c eX i n l eC o,L t d,S h e n y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:Ap r o t o t y p ew a sm a d e I n t h i sp a p e r,t os t u d y t h ed i s p l a c e m e n t o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so f d i r e c t h e a t p o s t p a r a f f i np a r a f f i na c t u a t o r,B a s e do nt h e t h 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y p e;p a r a f f i na c t u a t o r;t h e f i r ew o r k;t h e r m o d y n a m i c s;d i s p l a c e m e n to u t p u t c h a r a c t e r i s t i c