(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

脫落(分離)連接器的功能是連接飛行器與其母體之間、飛行器各部分之間的連接器，當(dāng)飛行器起飛離開母體之前或是同時、在飛行過程中各級分離時，插頭與插座按預(yù)定的方式實現(xiàn)分離。主要運用于航天運載系統(tǒng) 、戰(zhàn)略武器系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等系統(tǒng)。

為了定位準(zhǔn)確和導(dǎo)向作用，脫落(分離)連接器均設(shè)計有導(dǎo)向柱及導(dǎo)向套，分離裝置(分離彈簧)一般都設(shè)計在導(dǎo)向套或?qū)蛑?，并隨其個數(shù)和位置分布。分離裝置的作用是鎖緊機構(gòu)解鎖后強制使插頭插座快速分離，一般均勻或?qū)ΨQ分布在插頭或插座內(nèi)。脫落(分離)連接器是否能夠可靠分離對整個系統(tǒng)和設(shè)備功能的實現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用，其分離力的設(shè)計需經(jīng)過全面的分析核算確定。

2 原理分析

2.1 受力模型

在脫落(分離)連接器分離過程中，整個系統(tǒng)受到彈簧分離力、摩擦阻力和產(chǎn)品重力的作用，同時受到使用過程中帶來的其他阻力，如電纜、設(shè)備等，受力模型可簡化如圖1所示。

圖1 受力模型

圖1中p表示彈簧彈力，mg表示插頭重力，f表示系統(tǒng)摩擦力阻力，F(xiàn)表示使用過程中受到的外力，α為產(chǎn)品軸線與水平線之間的夾角。

2.2 阻力的確定

阻力主要由插頭重力在分離方向上的分力和摩擦力組成，從圖1中可知，重力在分離方向上的分力為：

G1=mgsinα

(1)

而摩擦力的形成就要復(fù)雜得多。以JF21系列268芯產(chǎn)品為例，如圖2所示，導(dǎo)向柱與導(dǎo)向套之間存在摩擦力，接觸對之間存在摩擦力(即分離力) 。

圖2 摩擦力受力點示意圖

系統(tǒng)摩擦力f為導(dǎo)向柱與導(dǎo)向套之間的摩擦力f1與接觸對之間的摩擦力f2之和，即

f=f1+f2

(2)

接觸對之間的摩擦力f2即為設(shè)計文件中插孔要求的分離力，可在設(shè)計接觸件時加以計算規(guī)定，其數(shù)值通過試驗測量得出。計算整個系統(tǒng)中接觸件的分離力時需充分考慮接觸件數(shù)量，接觸件種類，存在分離力的所有位置。

根據(jù)摩擦力計算公式：

f=μN

(3)

可計算出導(dǎo)向柱與導(dǎo)向套之間摩擦力f1的大小，式(2)中μ為摩擦系數(shù)，N為接觸面法向壓力，由圖1可知：

N=F+mgcosα

(4)

由將式(4)帶入式(3)中可得：

f1=μ(F+mgcosα)

(5)

摩擦系數(shù)μ可通過查表得出，表1中列出了常用摩擦副在無潤滑和有潤滑條件下的摩擦系數(shù)。

2.3 分離力的設(shè)計

表1 摩擦系數(shù)表

分離力是為了克服阻力使插頭與插座強制分離而存在，其大小根據(jù)阻力的大小進行設(shè)計，脫落(分離)連接器的分離力一般由彈簧提供(分離彈簧、護套彈簧)。彈簧的設(shè)計需進行精準(zhǔn)的彈簧力計算，根據(jù)胡克定律，材料在彈性變形范圍內(nèi)，力與變形成正比的規(guī)律，可得公式：

P=kx

(6)

式(6)中P為彈簧彈力，x為彈簧變形量；k為勁度系數(shù)，表示彈簧的一種屬性，它的數(shù)值與彈簧的材料，彈簧絲的粗細，彈簧圈的直徑，單位長度的匝數(shù)及彈簧的原長有關(guān)，其數(shù)值可通過式(7)進行計算。

(7)

式(7)中，d-彈簧鋼絲直徑mm，D-彈簧中經(jīng)mm，n-有效圈數(shù)，G-彈簧鋼絲彈性模量。

彈簧力需要克服摩擦阻力、產(chǎn)品重力做功，確保產(chǎn)品可靠分離，如圖3所示，L為分離距離，v為產(chǎn)品分離后的初速度，為保證產(chǎn)品可靠分離，要求分離后插頭的初速度v≥0。

圖3中彈簧力P做正功，重力在分離方向上的分力G1、摩擦力f做負功，L為分離距離。以JF21系列268芯產(chǎn)品為例，如圖4所示，產(chǎn)品水平分離，分離角度α=0°，x為接觸件分離距離， 為彈簧做功的有效距離。

圖3 分離過程受力模型

圖4 產(chǎn)品分離示意圖

根據(jù)能量守恒定律，彈簧的彈性勢能Ep轉(zhuǎn)化為摩擦力做功W、插頭的重力勢能Eh和動能Ek，同時考慮系統(tǒng)的可靠性，增加安全系數(shù)，即：

Ep=S(Ek+Eh+W)

(8)

式(8)中S為安全系數(shù)，脫落(分離)連接器要求可靠性高，實際運用中取2～3。

根據(jù)彈性勢能、重力勢能、動能及摩擦力做功的計算公式及式(1)、式(5)，可得：

(9)

(10)

Eh=G1L=mgsina*L

(11)

W=f1L+f2L1=u(F+mgcosα)L+n2f2L1(n2為接觸件個數(shù))

(12)

將式(7)、(9)～式(12)帶入式(8)，可得：

(13)

將式(13)進行演化，得：

(14)

設(shè)計彈簧時必需滿足式(14)的要求，根據(jù)實際使用需要對 取大于0的數(shù)值，以確保產(chǎn)品可靠分離。由于分離力越大，插頭與插座插合時需要的插合力越大，對接越困難，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度要求越高。因此，在保證插頭與插座可靠分離的前提下應(yīng)盡可能將彈簧分離力取較小值。

3 彈簧的分布

脫落(分離)連接器的分離系統(tǒng)由分離彈簧和護套彈簧組成，護套彈簧置于中心分離機構(gòu)中。為保證受力平衡，分離彈簧需根據(jù)實際需要均勻或?qū)ΨQ分布在插頭(YF41)或插座(JF21、JF5、YF41)內(nèi)，矩形連接器可設(shè)計兩個分離彈簧對稱分布于中心線上(F10)，或四個分離彈簧對稱分布于四個角上(JF21、JF5)；圓形連接器可設(shè)計三個分離彈簧均布于圓周上(YF41)。

4 有效降低摩擦力

由第2章的分析可知，分離力的大小由阻力決定的，阻力中的接觸件分離力有明確規(guī)定的取值范圍，因此摩擦阻力越小，需要的分離力也就越小，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)余量越大，強度越可靠，因此在設(shè)計過程中需要想辦法降低摩擦阻力。

對于存在滑動摩擦部位材料的選擇應(yīng)避開同種牌號的材料，因相同牌號的材料會互相滲透造成粘連，增加分離的難度。從表1可看出相同種類的材料軟、硬摩擦副的摩擦系數(shù)較大，所以硬度也要互相匹配(即取值范圍相同)，降低相互之間的磨損。

從表1可以看出有潤滑的條件下摩擦系數(shù)顯著降低，因此需要在有滑動摩擦的部位涂抹潤滑脂，潤滑脂的加入可隔離接觸面，有效降低摩擦系數(shù)，同時大大提高摩擦副的使用壽命。

摩擦副的表面粗糙度對摩擦力也有很大影響，因此設(shè)計時需規(guī)定表面粗糙度，并要求拋光。

5 結(jié)論

綜上所述，本文針對脫落(分離)連接器解鎖后(電磁解鎖、機械解鎖)，如何確定分離彈簧力的大小，使其足以克服系統(tǒng)摩擦阻力確保產(chǎn)品順利分離。從阻力的形成、分離力的計算、彈簧的分布和有效降低摩擦力四個方面進行了分析探討，旨在說明產(chǎn)品如何分離，分離過程中那些力做了正功，那些力作了負功，兩種力需要滿足什么樣的條件才能確保產(chǎn)品可靠分離?，F(xiàn)將分析計算結(jié)果進行歸納總結(jié)，以便設(shè)計時進行參考：

1)彈簧的設(shè)計需要滿足式(14)的要求，計算過程中要充分考慮到所有的分離力及阻力，提供分離力的彈簧有分離彈簧、護套彈簧等；產(chǎn)生的阻力有插頭、插座摩擦部位的滑動摩擦力，接觸件的分離力，插頭(或被彈開端)的重力，使用環(huán)境帶來的其它外力(如電纜、設(shè)備等)等。

2)設(shè)計彈簧時需充分考慮并圈高度的影響。

3)分離彈簧均勻分布在插頭或插座上。

4)具有滑動摩擦的部位不能選用相同牌號的材料，相同種類的材料硬度取值范圍相同。

5)降低系統(tǒng)摩擦力，可采用的辦法有：a)涂抹潤滑脂；b)增加零件表面光潔度；c)降低接觸面法向的壓力；d)選用分離力較小的接觸對，如線簧孔等。