БЛОКИРУЮЩИЙ И ДЕБЛОКИРУЮЩИЙ МЕХАНИЗМ С ОБЛАДАЮЩИМ ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ Российский патент 2004 года по МПК B64G1/64 F16B1/00 

Настоящее изобретение относится к блокирующему и деблокирующему механизму с обладающим эффектом памяти исполнительным органом согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

В космической технике известно применение плавкой проволоки (DE 19649739 А1), которая удерживает в натянутом состоянии проволоку за ее загнутый конец и которая плавится при пропускании по ней тока, освобождая удерживаемую ей проволоку. Такая натянутая проволока, имеющая форму катушки, в свою очередь удерживает вместе две половины составного пальцевого держателя. При освобождении проволоки обе половины этого пальцевого держателя расходятся под действием пружины, деблокируя палец, удерживаемый держателем. Такой палец служит, например, для удержания при запуске ракеты панелей солнечной батареи космического аппарата в сложенном состоянии и их освобождения за счет своего деблокирования по достижении космическим аппаратом заданной точки полета. Недостаток, связанный с применением плавкой проволоки, заключается в том, что она не обеспечивает надежного и точного срабатывания.

В патенте US 5129753 описан блокирующий и деблокирующий механизм с обладающим эффектом памяти исполнительным органом. При этом используют проволоку с эффектом памяти, которая при срабатывании укорачивается в результате повышения температуры, поднимая при этом из исходного положения стопорную втулку. В результате сама эта стопорная втулка освобождает состоящий из нескольких частей зажимный патрон, элементы которого расходятся в стороны и освобождают удерживаемый ими хвостовик, разблокируя тем самым все соединение.

Из патента US 5160233 известен предназначенный для применения в космической технике пальцевый держатель с обладающим эффектом памяти исполнительным органом, который предназначен для отделения пустых топливных баков, удерживаемых этим пальцем снаружи на космическом аппарате. Такой известный держатель освобождает палец в результате происходящего за счет управляемого изменения температуры разжимания в этом пальцевом держателе цилиндрических сегментов, в образованное которыми отверстие с внутренней резьбой вставлен резьбовой участок пальца и которые за счет этого удерживают последний. При разжимании цилиндрический исполнительный орган с эффектом памяти поднимает цилиндрические сегменты вместе с пальцем в такое положение, которое допускает боковое расхождение этих цилиндрических сегментов в пальцевом держателе, а само расхождение цилиндрических сегментов в стороны обеспечивается за счет вхождения исполнительного органа его выполненным в форме усеченного конуса торцом в образованное цилиндрическими сегментами кольцевое отверстие. Обладающий эффектом памяти исполнительный орган при подводе тепла удлиняется, что сопровождается описанным выше приподнятием и разжиманием цилиндрических сегментов. В качестве тепла, подводимого для деблокирования, в такой конструкции используют джоулево тепло. Для разжимания цилиндрических сегментов необходим сравнительно большой и мощный исполнительный орган, а при скольжении находящих друг на друга деталей в пальцевом держателе могут возникать проблемы, обусловленные их холодным привариванием.

Цилиндрические сегменты, средства их фиксации в заблокированном положении и средства их разведения в стороны в деблокирующем положении имеют сравнительно сложную конструкцию.

В патентах US 5718531 и US 4753465 описаны блокирующие и деблокирующие механизмы, в которых фиксирующие пальцы, выполненные из сплава с эффектом памяти, удерживают блокируемый элемент непосредственно и сжимаются, соответственно укорачиваются при нагреве, освобождая этот заблокированный элемент. Фиксирующие пальцы, поскольку им приходится выдерживать значительную нагрузку, приходится выполнять с учетом существующих требований с большим запасом прочности и соответственно назначать большие размеры. Связанный с этим недостаток состоит в том, что для обеспечения необходимой степени сжатия при освобождении заблокированного элемента приходится нагревать выполненное из обладающего эффектом памяти сплава изделие большой массы, для чего необходимо очень большое количество энергии.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой блокирующий и деблокирующий механизм с обладающим эффектом памяти исполнительным органом, который при простом конструктивном исполнении и небольшом потреблении энергии обеспечивал бы надежное срабатывание.

Указанная задача решается в соответствии с изобретением согласно отличительным признакам п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы.

Предлагаемое в изобретении решение основано на использовании свойств обладающих эффектом памяти сплавов. Такие сплавы, например на основе TiNi, могут, как известно, присутствовать в двух различных твердых фазах, а именно, характеризуются наличием мартенситной структуры при низкой температуре и аустенитной структуры при высокой температуре с прогрессивным переходом во время нагрева сплава из одной фазы в другую. Связанные с изобретением преимущества обусловлены использованием так называемого "одностороннего эффекта" (или "необратимого эффекта") подобных сплавов. Такой эффект заключается в том, что изготовленное из этого сплава металлическое изделие способно, как известно, после его "псевдопластической" деформации в мартенситной фазе вновь восстанавливать исходную форму при переходе в результате повышения температуры в аустенитную фазу. Однако последующее охлаждение с переходом в мартенсит не сопровождается повторной деформацией изготовленного из подобного сплава изделия, которое сохраняет форму, восстановленную при переходе в аустенитную фазу.

Преимущество предлагаемого в изобретении блокирующего и деблокирующего механизма состоит в том, что он состоит из небольшого количества элементов, а благодаря своей компактности легко может быть интегрирован в существующие конструкции и тем самым позволяет существенно упростить известные системы. Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении держателя заключается в том, что для освобождения проволоки не применяются "отстреливающие" элементы, как, например, при пиротехническом освобождении проволоки, а также в том, что освобождение проволоки не сопровождается разрушением никаких элементов или деталей. Применение сплавов с эффектом памяти, предварительно подвергнутых специальному процессу механической обработки, позволяет повысить начальную температуру аустенитного превращения до значений, которые значительно выше, чем у имеющихся на рынке сплавов на основе TiNi. Подобные сплавы позволяют, кроме того, использовать предлагаемый в изобретении блокирующий и деблокирующий механизм с держателем проволоки и при более высоких окружающих температурах, таких, например, как возникающие при космических полетах.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид спереди в продольном разрезе пальцевого держателя с корпусом исполнительного органа,

на фиг.2 - пальцевый держатель, показанный без корпуса исполнительного органа, в деблокированном положении и

на фиг.3 - вид сверху пальцевого держателя со снятой верхней частью корпуса исполнительного органа.

Блокирующий и деблокирующий механизм 1 для пальца 20 в показанном на фиг.1 варианте состоит из двух цилиндрических сегментов 2 и 3, образующих держатель, механической пружины 6, поводка 7, витой проволоки 4, оба конца 7 и 8 которой изогнуты крючком с образованием отверстий 27 и 28, и корпуса 11 исполнительного органа, состоящего из нижней части 12, средней части 13 и верхней части 14. В корпусе 11 в закрытые кольцевые канавки 15 и 16 вставлено по одной обладающей эффектом памяти проволоке 9 и 10. Выполненные в виде разомкнутых колец обладающие эффектом памяти проволоки 9 и 10 проходят одним из своих концов сквозь отверстия 27 и 28, удерживая таким путем стянутыми витки натянутой пружиной 6 витой проволоки 4. Блокируемый или фиксируемый палец 20 входит резьбовым участком 5 и хвостовиком 18 в резьбовое отверстие цилиндрических сегментов 2 и 3, удерживаемых в сомкнутом положении витой проволокой 4.

На фиг.2 описанный выше пальцевый держатель 1 показан в деблокированном положении. При этом в результате регулируемого или управляемого изменения температуры обе обладающие эффектом памяти проволоки 9 и 10, которые для упрощения на фиг.2 не показаны, сжимаются, укорачиваясь вдоль их продольной оси, и за счет этого выскакивают из отверстий 27 и 28. В результате витки витой проволоки 4 разжимаются, и цилиндрический сегмент 3 откидывается в сторону под действием предварительно сжатой механической пружины 6. Откидывающийся вбок цилиндрический сегмент 3 освобождает продольную половину резьбового участка 5 пальца. При этом закрепленный на цилиндрическом сегменте 3 поводок 17 воздействует на хвостовик 18 пальца, увлекая его вместе с собой вбок в показанном стрелкой 29 направлении, в результате чего и вторая продольная половина резьбового участка 5 пальца освобождается из пальцевого держателя 1.

Палец 20 служит, например, для удержания при запуске ракеты панелей солнечной батареи космического аппарата в сложенном состоянии, при этом палец нагружен предварительным растягивающим усилием, приложенным в направлении его продольной оси со стороны сложенных панелей солнечной батареи. При срабатывании держателя в результате управляемого изменения температуры по завершении описанных выше стадий деблокирования пальца последний под действием указанного предварительного растягивающего усилия выходит из держателя 1 в показанном стрелкой 19 направлении (см. фиг.1), освобождая для раскрытия панели солнечной батареи.

На фиг.3 описанный выше пальцевый держатель показан в виде сверху со снятой и потому не показанной на фиг.3 верхней частью 14 корпуса 11 исполнительного органа. Концы 7 и 8 витой проволоки 4 проходят по касательной от витков витой проволоки 4 к корпусу 11 исполнительного органа.

В видимой на этом чертеже средней части 13 корпуса выполнена кольцевая канавка 16, в которую вставлена обладающая эффектом памяти проволока 10. В полностью собранном корпусе исполнительного органа при надетой верхней части 14 эта кольцевая канавка 16 закрыта верхней частью 14 корпуса. Согнутая в незамкнутое кольцо обладающая эффектом памяти проволока 10 закреплена в месте ее разрыва одним из своих концов в кольцевой канавке 16 с помощью зажима 21. Этот зажим 21 обеспечивает, кроме того, электрический контакт обладающей эффектом памяти проволоки 10 с проводником 22 электрического тока. Другой - свободный - конец обладающей эффектом памяти проволоки 10 не закреплен в кольцевой канавке 16, а выступает в прорезь 25, прерывающую эту кольцевую канавку 16 и пересекающую ее под определенным углом. Этот угол определяется тангенциальным расположением конца 8 проволоки.

В прорези 25 конец обладающей эффектом памяти проволоки 10 в ненагретом состоянии мартенсита проходит сквозь отверстие 28, образованное крючковым концом 8 натянутой проволоки. При нагреве, сопровождающемся переходом в аустенит, этот конец обладающей эффектом памяти проволоки 10 выходит из отверстия 28, освобождая конец 8 проволоки 4.

Для нагрева обладающей эффектом памяти проволоки 10 используют джоулево тепло. Для этой цели предусмотрен второй токоподвод 26 к свободному подвижному концу обладающей эффектом памяти проволоки 10, при этом заизолированный конец проводника 23 механически соединен с обладающей эффектом памяти проволокой 10 в расположенной перпендикулярно кольцевой канавке прорези 30, ширина которой достаточна для перемещения обладающей эффектом памяти проволоки 10 при ее сжатии, соответственно укорачивании.

Согласно изобретению можно использовать различные сплавы, обладающие эффектом памяти, например обычную проволоку из сплава TiNi без специальной предварительной механической обработки с начальной температурой аустенитного превращения в пределах от 60 до 80°С.

Рассмотренная в данном варианте выполнения проволока 10 с эффектом памяти представляет собой проволоку из сплава TiNi, которая подвергнута предварительной обработке, заключающейся в особой прокатке, после которой начальная температура аустенитного превращения этой проволоки превышает 100°С.

Другой конец 7 витой проволоки 4 аналогично сказанному выше в отношении ее конца 8 удерживает в рассматриваемом варианте выполнения вторую обладающую эффектом памяти проволоку 9, вставленную в кольцевую канавку 15 в нижней части 12 корпуса. Однако один из концов 7 или 8 проволоки 4 можно закрепить в пальцевом держателе и неподвижно. Преимущество, связанное с разъемным креплением обоих концов проволоки, состоит в обеспечении избыточности, повышающей надежность деблокирования пальца 20.

Корпус 11 исполнительного органа изготовлен из жаростойкой пластмассы типа полиэфирэфиркетона (ПЭЭК). Этот материал отнесен к классу материалов, пригодных для применения в космонавтике, и обладает очень высокими электрическими характеристиками в отношении изоляционных свойств в сравнении с другими типами пластмасс. Вместе с тем возможно применение и других термостойких и электроизоляционных материалов.

Изобретение относится к средствам стыковки и расстыковки различных частей, преимущественно в изделиях космической техники. Предложенный механизм имеет исполнительный орган, содержащий проволоку (9, 10) с эффектом памяти. Ее свободный конец удерживает конец (7, 8) витой натянутой проволоки (4), блокирующей держатель. Держатель выполнен в виде сегментов (2, 3), удерживаемых проволокой (4) от расхождения под действием усилия механической пружины (6). В резьбовом отверстии, образованном сегментами (2, 3), установлен резьбовой фиксируемый элемент (палец) (20). При повышении температуры вследствие нагрева (например, электрического) проволоки (9, 10), ее свободный конец укорачивается и выходит из отверстия (27, 28), образованного концом (7, 8) натянутой проволоки (4). В результате проволока (4) деблокирует держатель, так что сегменты (2, 3) расходятся под действием усилия пружины (6) и освобождают палец (20). Технический результат изобретения состоит в создании конструктивно простого устройства с малым энергопотреблением, которое должно обеспечивать надежное срабатывание. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Блокирующий и деблокирующий механизм, имеющий термоуправляемый, обладающий эффектом памяти исполнительный орган, освобождающий при срабатывании по меньшей мере один конец (7, 8) натянутой проволоки, блокирующей держатель, которым удерживается фиксируемый элемент, отличающийся тем, что указанный исполнительный орган содержит другую проволоку (9, 10) с эффектом памяти, свободным концом которой удерживается указанный конец (7, 8) натянутой проволоки (4) так, что при повышении температуры вследствие подвода тепла к проволоке (9, 10), ее свободный конец укорачивается и выходит из отверстия (27, 28), образованного концом (7, 8) натянутой проволоки (4), в результате чего эта проволока (4) деблокирует держатель.2. Блокирующий и деблокирующий механизм по п.1, отличающийся тем, что проволока (9, 10) с эффектом памяти выполнена в форме разомкнутого кольца.3. Блокирующий и деблокирующий механизм по п.2, отличающийся тем, что проволока (9, 10) с эффектом памяти вставлена в закрытую кольцевую канавку (15, 16), в которой на участке свободного конца проволоки (9, 10) с эффектом памяти предусмотрена прорезь (25) под образующий отверстие (27, 28) конец натянутой проволоки (4).4. Блокирующий и деблокирующий механизм по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в проволоке (9, 10) с эффектом памяти использован материал с необратимым эффектом памяти, необратимо сжимающийся при повышении температуры и вызывающий соответствующее необратимое укорачивание проволоки.5. Блокирующий и деблокирующий механизм по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что материал проволоки (9, 10) с эффектом памяти представляет собой сплав на основе TiNi.6. Блокирующий и деблокирующий механизм по п.5, отличающийся тем, что материал с эффектом памяти представляет собой подвергнутую предварительной механической обработке проволоку, начальная температура аустенитного превращения которой, вследствие этой обработки, превышает 100°С.7. Блокирующий и деблокирующий механизм по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что проволока (9, 10) с эффектом памяти размещена в корпусе (11) исполнительного органа, выполненного из термостойкой пластмассы типа полиэфирэфиркетона (ПЭЭК).8. Блокирующий и деблокирующий механизм по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что для нагрева проволоки (9, 10) с эффектом памяти до начальной температуры аустенитного превращения использован источник джоулевого тепла.9. Блокирующий и деблокирующий механизм по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в нем держатель выполнен в виде цилиндрических сегментов (2, 3), удерживаемых в сомкнутом положении витой проволокой (4) от расхождения под действием усилия механической пружины (6), причем в резьбовом отверстии, образованном указанными сомкнутыми сегментами (2, 3), установлен своим резьбовым участком (5) нагруженный растягивающим усилием палец (20), который деблокируется данным блокирующим и деблокирующим механизмом путем освобождения концов (7, 8) витой проволоки (4), вследствие которого указанные сегменты (2, 3) расходятся под действием усилия указанной механической пружины.