鄭云青，邵濟(jì)明，程芳華，劉 志

（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

結(jié)構(gòu)鎖是實(shí)現(xiàn)空間兩飛行器剛性密封連接的主要部件之一，各鎖間的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力通過鋼絲繩傳遞，形成鎖系機(jī)構(gòu)，其作用是為兩飛行器提供鎖緊力，保證兩者剛性連接，并在對接任務(wù)完成后能同步解鎖［1］。結(jié)構(gòu)鎖通過鋼絲繩連接6套對接鎖，長傳動(dòng)鏈、結(jié)構(gòu)鎖生產(chǎn)和裝配的差異及工作順序的不同，相同設(shè)計(jì)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)鎖鉤的實(shí)際脫鉤時(shí)間并不相同。首先脫鉤的結(jié)構(gòu)鎖與最后脫鉤的時(shí)間差，即結(jié)構(gòu)鎖解鎖的同步性會直接影響兩飛行器分離后的角速度。文獻(xiàn)［2－4］分析了鋼絲繩彈性變形、鋼絲繩預(yù)緊力、繩輪間摩擦因數(shù)，以及鎖鉤間摩擦因數(shù)對結(jié)構(gòu)鎖同步性的影響，文獻(xiàn)［2］定量給出了鋼絲繩的彈性變形、預(yù)緊力等對同步性的影響規(guī)律；文獻(xiàn)［3－4］明確繩輪間的摩擦因數(shù)是主要影響因素。采取文獻(xiàn)［2－4］的控制措施后，結(jié)構(gòu)鎖運(yùn)動(dòng)的同步性得到了一定程度的改善。但上述文獻(xiàn)分析過程中均假設(shè)同一組對接鎖的性能、參數(shù)完全相同，未考慮生產(chǎn)、裝配的差異。本文在采取上述措施的基礎(chǔ)上，建立了結(jié)構(gòu)鎖解鎖的力學(xué)模型，在考慮產(chǎn)品實(shí)際性能條件下分析了影響結(jié)構(gòu)鎖脫鉤時(shí)間的因素，并提出了減小結(jié)構(gòu)鎖脫鉤時(shí)間差需控制的措施。

1 結(jié)構(gòu)鎖工作原理

結(jié)構(gòu)鎖沿周向均布于對接框外側(cè)，分為兩組，每組有鎖6把，其中只有1把有驅(qū)動(dòng)裝置（如圖1所示的1＃鎖），其他鎖與鎖間通過鎖上的繩輪帶動(dòng)鋼絲繩，經(jīng)定滑輪連接到另一把結(jié)構(gòu)鎖的繩輪上。結(jié)構(gòu)鎖由主動(dòng)鉤組件和被動(dòng)鉤組件組成，運(yùn)輸飛船的主動(dòng)鉤組件與目標(biāo)飛行器上對應(yīng)的被動(dòng)鉤組件配合，而被動(dòng)鉤組件則安裝在被預(yù)緊的碟簧組上［1］。運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)鉤組件由電機(jī)通過繩輪驅(qū)動(dòng)偏心軸，使鎖鉤產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。鎖緊時(shí)，繩輪帶動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鉤在拉簧及限位板的約束下沿飛行器軸向作拉緊運(yùn)動(dòng)，將兩飛行器拉緊；解鎖時(shí)，偏心軸反轉(zhuǎn)，主動(dòng)鉤體沿飛行器軸向作反向運(yùn)動(dòng)，直至偏心軸上的凸輪與偏心套上的凸輪相互作用，使主動(dòng)鉤體讓開一定的角度，釋放被動(dòng)鎖鉤，實(shí)現(xiàn)解鎖。主動(dòng)鎖鉤處于解鎖時(shí)的狀態(tài)如圖2所示［5］。

圖1 一組結(jié)構(gòu)鎖布局Fig.1 Distributing of one group structure hooks

圖2 結(jié)構(gòu)鎖（主動(dòng)鉤處于解鎖位置）Fig.2 Schematic drawing of structure hook（active hook at released position）

2 受力分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)鎖的工作原理，結(jié)構(gòu)鎖的解鎖可分為三個(gè)階段。

a）結(jié)構(gòu)鎖伸出：從結(jié)構(gòu)鎖的鎖緊位置至結(jié)構(gòu)鎖處于0°位置。在該階段，結(jié)構(gòu)鎖主動(dòng)鎖鉤的銷軸沿限位板直線向上運(yùn)動(dòng)。

b）結(jié)構(gòu)鎖主動(dòng)鎖鉤被動(dòng)旋轉(zhuǎn)：從0°位置（如圖3所示）至臨界點(diǎn)S。在該階段，結(jié)構(gòu)鎖的主動(dòng)鎖鉤繞結(jié)構(gòu)鎖的旋轉(zhuǎn)中心在偏心套的凸塊驅(qū)動(dòng)下被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

圖3 主動(dòng)鎖鉤與被動(dòng)鎖鉤嚙合狀態(tài)Fig.3 Meshed state of active hook and passive hook

c）主被動(dòng)鎖鉤自主脫離：從臨界點(diǎn)至主被動(dòng)鎖鉤完全分開，實(shí)現(xiàn)解鎖。在該階段，在主被動(dòng)鎖鉤的相互作用下，主被動(dòng)鎖鉤自主脫鉤，實(shí)現(xiàn)解鎖。

其中階段b）、c）與分離有關(guān)。以下分析這兩個(gè)階段的受力。

結(jié)構(gòu)鎖的運(yùn)動(dòng)模型可簡化為在XOY平面工作的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖4所示［6］。其中：偏心軸的偏心距為曲柄，其長度為r；偏心軸的旋轉(zhuǎn)中心為曲柄的旋轉(zhuǎn)中心O；主動(dòng)鎖銷的中心為滑塊的中心；限位板為滑塊的滑動(dòng)平面。

結(jié)構(gòu)鎖主動(dòng)鎖鉤被動(dòng)旋轉(zhuǎn)階段，主動(dòng)鎖鉤（含偏心套）受被動(dòng)鎖鉤和拉簧的作用力N，f，F(xiàn)1，如圖4所示。其中N，f的合力在Y軸上的矢量投影與對接面間的分離力T平衡，即

式中：f＝μN(yùn)。此處：μ為主被動(dòng)鉤間的動(dòng)摩擦因數(shù)。則鎖鉤運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩

式中：M為鎖鉤運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩；h1為被動(dòng)鎖鉤作用于主動(dòng)鎖鉤的合力的力臂；h2為拉簧的力臂。

圖4 結(jié)構(gòu)鎖受力Fig.4 Force of structure hook

若M＞0，則鎖鉤解鎖時(shí)需外部動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)；若M＝0，則結(jié)構(gòu)鎖處于階段b）、c）的臨界點(diǎn)S；若M＜0，則鎖鉤解鎖時(shí)不需外部動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，而是主動(dòng)帶動(dòng)外部動(dòng)力源運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入主被動(dòng)鎖鉤自主脫離階段。

假設(shè)從0°位置運(yùn)動(dòng)至臨界點(diǎn)S所需時(shí)間

式中：θS為臨界點(diǎn)S對應(yīng)的角度；ω為電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)鎖運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度。從點(diǎn)S至完全脫鉤，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T2。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，某一時(shí)刻t鎖鉤轉(zhuǎn)過的角度

式中：I為結(jié)構(gòu)鎖擺動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對式（4）進(jìn)行積分，可得

式中：θF為結(jié)構(gòu)鎖完全脫鉤時(shí)的角度?？傔\(yùn)動(dòng)時(shí)間（脫鉤時(shí)間）

結(jié)構(gòu)鎖實(shí)際的脫鉤時(shí)間差

式中：i＝1～6。

由式（1）～（7）可知：結(jié)構(gòu)鎖的T與結(jié)構(gòu)鎖所受的M，ω及鎖鉤間的嚙合長度L有關(guān)。由式（1）～（3）可知：M取決于兩端面間的T，μ，F(xiàn)1。結(jié)構(gòu)鎖運(yùn)動(dòng)時(shí)，是由同一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，不同結(jié)構(gòu)鎖的ω相同，因此結(jié)構(gòu)鎖的脫鉤時(shí)間差與L，T，μ，F(xiàn)1有關(guān)。

3 影響因素分析

3.1 鎖鉤嚙合量

由于結(jié)構(gòu)鎖的布局和安裝精度等的影響，對接時(shí)結(jié)構(gòu)鎖主被動(dòng)鎖鉤間的L并不相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主動(dòng)被鎖鉤L為9～11mm時(shí)，主被動(dòng)鎖鉤的ΔT如圖5所示。由圖5可知：結(jié)構(gòu)鎖的ΔT與L成正比。L越大，ΔT也越大，變化率為0.49s／mm。

3.2 鎖鉤摩擦力

由于鎖鉤的加工精度、鍍膜的差異以及使用時(shí)磨損程度的不同，各對結(jié)構(gòu)鎖鉤間的摩擦因數(shù)各異，導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)鎖的脫鉤時(shí)間也存在差異。μ為0.01～0.60時(shí)ΔT如圖6所示。由圖6可知：隨著μ的增大，結(jié)構(gòu)鎖的ΔT由0s逐漸延長至1.26s。根據(jù)鎖鉤的材料和表面處理狀態(tài)，μ為0.2～0.4時(shí)，ΔT＝0.417s。

圖5 不同L的結(jié)構(gòu)鎖ΔTFig.5 ΔTunder various L

圖6 不同μ的結(jié)構(gòu)鎖ΔTFig.6 ΔT under variousμ

3.3 拉簧力

不同F(xiàn)1時(shí)結(jié)構(gòu)鎖的ΔT如圖7所示。由圖可知：ΔT與F1的大小成正比。實(shí)際拉簧力的誤差不超過最大值的10%，拉簧力的變化量不超過20N，ΔT＝0.02s，與摩擦因數(shù)和主被動(dòng)鎖鉤的嚙合量變化相比，拉簧力對脫鉤時(shí)間差可忽略不計(jì)。

圖7 不同F(xiàn)1的結(jié)構(gòu)鎖ΔTFig.7 ΔTunder various F1

3.4 端面間分離力

隨著結(jié)構(gòu)鎖的逐漸脫鉤解鎖，原均勻作用于6把結(jié)構(gòu)鎖的端面分離力會重新分配在還未解鎖的結(jié)構(gòu)鎖上。不同μ時(shí)，鎖鉤上的力為額定載荷的整數(shù)倍與結(jié)構(gòu)鎖脫鉤時(shí)間的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知：隨受力鎖鉤數(shù)量的逐漸減少，鎖鉤的T將提前。提前的時(shí)間越多，越利于同步分離。

圖8 不同受力鎖鉤數(shù)量的結(jié)構(gòu)鎖TFig.8 Released time under various number of stressed hooks

不同μ時(shí)，鎖鉤上的力為額定載荷的整數(shù)倍與結(jié)構(gòu)鎖ΔT的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知：當(dāng)μ小于0.05時(shí)，μ越小，由于鎖鉤受力不同導(dǎo)致的ΔT越大，越利于分離；當(dāng)μ大于0.05時(shí)，鎖鉤受力不同導(dǎo)致的ΔT保持在穩(wěn)定的水平（0.075s），不再隨μ的變化而變，即端面分離力的影響可忽略不計(jì)。

圖9 不同力鎖鉤數(shù)量的結(jié)構(gòu)鎖ΔTFig.9 ΔTunder various number of stressed hooks

4 結(jié)束語

本文對影響對接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)鎖解鎖同步性的因素進(jìn)行了研究。建立了結(jié)構(gòu)鎖解鎖的力學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)：拉簧力對鎖鉤解鎖同步性的影響可忽略不計(jì)；不同結(jié)構(gòu)鎖的鎖鉤嚙合長度是影響鎖鉤解鎖同步性的主要影響因素，應(yīng)加強(qiáng)鎖鉤嚙合長度的變化量控制，使鎖鉤的嚙合長度變化量保持在較小的范圍內(nèi)；當(dāng)負(fù)載相同時(shí)，不同結(jié)構(gòu)鎖摩擦因數(shù)的變化范圍越大，鎖鉤脫鉤時(shí)間變化越大，需控制摩擦因數(shù)的變化范圍；考慮脫鉤先后對受力的影響，當(dāng)μ大于0.05時(shí)，端面分離力對同步性的影響可忽略不計(jì)。研究結(jié)果經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了產(chǎn)品研制中分離角速度過大的問題。

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［2］ 鄭云青，柏合民，劉 志.鋼絲繩的彈性變形對鎖系機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步性的影響分析［J］.載人航天，2009（3）：59－63.

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