电驱钢球锁紧机构的试验研究及设计优化

孙泽阳，刘宝龙，吴新跃

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

电驱钢球锁紧机构的试验研究及设计优化

孙泽阳，刘宝龙，吴新跃

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

电驱钢球锁紧机构是一种机械式快开执行机构，用于重要法兰结构的连接锁紧、快速解锁。针对该机构解锁速度要求高、工作温度范围广的特点，采用控制变量试验方法，对各因素对该机构钢球锁和电磁铁的影响进行分析，得出了解锁阻力与解锁速度、环境温度间的关系，并得出了吸合力与环境温度间的关系。然后，通过钢球锁结构优化、电磁铁参数优化、热变形协调设计等设计优化方法，有效提高了电驱钢球锁紧机构的解锁安全裕度。

钢球锁；螺管吸入式电磁铁；试验研究；设计优化方法

0 引 言

电驱钢球锁紧机构是一种机械式快开执行机构[1]，常用于重要法兰结构的连接锁紧、快速解锁。该机构的主体结构如图1所示。

电驱钢球锁紧机构由钢球锁和电磁铁两部分组成。其中，钢球锁可通过长轴柱孔、芯轴柱段、钢球的配合实现机构的锁紧、承受预紧载荷，并通过芯轴锥段、弹簧轴、大小弹簧的配合实现机构的快速解锁和分离；电磁铁为直流螺管吸入式结构，其铁芯与钢球锁固定连接，通电后，铁芯被通电线圈磁化，在轴向电磁力作用下沿轴向运动，提供自动解锁的驱动力。

电驱钢球锁紧机构的工作模式为多件同步动作，要求各机构解锁迅速、过程无卡滞。同时，该机构工作的温度环境为-40～60 ℃，对配合件材料的热变形协调有较高的要求。基于此，本文对电驱钢球锁的解锁过程进行试验研究，分析其影响因素，并提出设计优化措施，提高该机构的解锁安全裕度。

1 试验研究及分析

电驱钢球锁紧机构的解锁安全裕度主要由钢球锁的解锁阻力和电磁铁的吸合力决定。为分析各因素对解锁安全裕度的影响，采用控制变量试验进行研究。

1.1 钢球锁试验研究及分析

钢球锁的解锁试验工装如图2所示。改变拉伸机的拉伸速度和环境箱的温度，以测试钢球锁在不同状态下的解锁阻力。

钢球锁的解锁阻力与解锁速度的关系曲线如图3所示。由图3可见，解锁阻力随解锁速度的增快而增大。而电磁铁铁芯的瞬时吸合速度可达2 000 mm/min，会产生较大解锁阻力。针对该特性，应对钢球锁的结构进行优化，防止高解锁速度下的运动卡滞现象。

钢球锁的解锁阻力与环境温度的关系曲线见图4。

由图4可见，解锁阻力随环境温度降低而增大。分析原因为：钢球锁芯轴为聚酰亚胺材料，其摩擦系数随温度的降低而增大[2,3]（见图5），而解锁过程的阻力主要由芯轴与钢球的滑动摩擦造成，故低温会造成解锁阻力增大。针对该材料特性，应对电磁铁吸合力进行设计优化，提升吸合力的设计裕度。

1.2 电磁铁试验研究及分析

电磁铁的吸合试验工装如图6所示。图6中改变环境箱的温度，以测试电磁铁在不同状态下的吸合力。

试验结果表明：电磁铁在20 ℃条件下吸合力为350 N，在60 ℃条件下吸合力为320～340 N，而在-40 ℃条件下吸合力小于200 N，铁芯动作缓慢，甚至出现卡滞现象。

分析原因为：电磁铁铁芯材料为Q235钢材，线膨胀系数为10.6～12.2 μm/(m·℃)，绕线骨架材料为聚四氟乙烯，线膨胀系数为138 μm/(m·℃)。基于此，计算20 ℃和-40 ℃条件下电磁铁铁芯与绕线骨架的配合间隙，如表1所示。可见，-40 ℃环境下电磁铁铁芯与绕线骨架的配合间隙显著小于常温状态设计值，甚至出现过盈配合情况，这大大降低了电磁铁的吸合力，可能引起运动卡滞现象。针对该特性，应对电磁铁配合件材料的热变形进行协调，以降低吸合过程中的阻力，提升吸合力的设计裕度。

表1 电磁铁铁芯与绕线骨架配合间隙计算结果 单位：mm

2 设计优化方法

2.1 钢球锁结构优化

常见的钢球锁紧机构中，长轴设计有圆柱孔[4]，当机构处于锁紧状态时，该圆柱孔与钢球、锁紧套筒的锥面配合工作，传递锁紧力；当机构解锁时，钢球沿圆柱孔滑落，实现机构的快速分离。但该结构可能造成钢球限位不足、凸出长轴外表面的问题，导致解锁过程卡滞。

针对上述结构问题，对钢球锁长轴的结构进行优化，将圆柱孔改进为圆锥孔（图7），可有效实现钢球限位，解决解锁过程卡滞问题。

2.2 电磁铁参数优化

针对钢球锁在低温环境、高解锁速度下的大解锁阻力，对电磁铁参数进行优化，以提高电磁铁吸合力的设计裕度。

电驱钢球锁紧机构的电磁铁为直流螺管吸入式，在满足结构尺寸限制的同时，采用全局寻优的方法进行参数优化[5～7]，电磁铁参数优化过程如图8所示。

通过上述优化，电磁铁的主要参数变化如表2所示。由表2可知，参数优化后，电磁铁在温度为-40 ℃时吸合力理论值由200 N提升至576 N。

表2 电磁铁参数优化结果

2.3 热变形协调设计

针对电磁铁配合件材料的热变形协调问题，兼顾材料刚度和隔磁能力，将绕线骨架的材料优化为铜合金材料，其线膨胀系数为17.8 μm/（m·℃）；同时，减小绕线骨架与铁芯间的设计间隙。设计优化后，20 ℃和-40 ℃时电磁铁铁芯与绕线骨架的配合间隙见表3。

表3 设计优化后配合间隙计算结果 单位：mm

可见，-40 ℃环境下电磁铁铁芯与绕线骨架的配合间隙增大，热变形协调，降低了吸合过程中的阻力，提升了吸合力的设计裕度。

3 设计优化结果分析

设计优化完成后，钢球锁采用13°限位锥孔设计，电磁铁采用1.0 mm线径、840匝绕组，且铁芯和绕线骨架分别采用DT4C及铝青铜材料。在-40～60 ℃温度范围内，对该电驱钢球锁紧机构进行单机解锁试验，记录钢球锁解锁阻力和电磁铁吸合力，结果见表4。

表4 设计优化后的解锁试验结果

试验数据表明，在-40～60 ℃温度范围内，电磁铁吸合力均在钢球锁解锁阻力的2.7倍以上（设计优化前小于2倍），设计裕度较大；试验现象表明，在电驱钢球锁紧机构解锁过程中，无运动卡滞现象，铁芯和绕线骨架之间运动顺畅。设计优化对钢球锁紧机构的解锁安全裕度提升明显。

4 结 论

通过上述研究，可得出结论如下：a）电驱钢球锁紧机构的钢球锁解锁阻力随解锁速度的增快而增大，随环境温度的降低而增大；电驱钢球锁紧机构的电磁铁吸合力随环境温度的降低而减小。b）通过钢球锁结构优化及电磁铁参数优化、材料热变形协调等方法，可以增大电驱钢球锁紧机构的解锁安全裕度。

[1] 关福州, 王俊. 机械式精密锁紧机构的设计与分析[J]. 金属加工, 2013(6): 41-42.

[2] 丛培红, 李同生, 等. 温度对聚酰亚胺摩擦磨损性能的影响[J]. 摩擦学学报, 1997, 17(3): 220-226.

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[4] 王明娣, 钟康民. 钢球传力式定位-锁紧组合元件及其力学计算[J]. 工艺装备, 2003(11): 49-50.

[5] 王强. 螺管式电磁铁设计与仿真分析[D]. 湘潭: 湖南科技大学, 2013.

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[7] 白志红, 周玉虎. 电磁铁的动特性的仿真与分析[J]. 电力学报, 2004, 19(2): 200-201.

Experimental Research and Design Optimization on Electromotive Steel-ball Locking Device

Sun Ze-yang, Liu Bao-long, Wu Xin-yue
(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Electromotive steel-ball locking device is a kind of mechanical quick-opening actuators, usually applied in locking and quick-opening of flanges. This device is used in large temperature range and should be unlocked quickly. In order to achieve these engineering goals, with the help of experimental method and control variate method, we analyzed the relationships between the resistance and driving force of the device with temperature and unlock velocity. In use of these results, we optimized the design of the steel-ball locking device in three ways: structure optimization of the long shaft, main parameters optimization of the electromagnet, thermal deformation coordination, and successfully improved the safety margin of the device.

Steel-ball locking device; Solenoid electromagnet; Experimental research; Design optimization

TH112.7

A

1004-7182(2017)03-0084-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170318

2016-08-09；

2017-04-15

孙泽阳（1990-），男，工程师，主要研究方向为航天发射技术