某伸展臂鎖定機構的可靠性分析

檀中強，鄧國兵，趙明巖

(1.中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018;2.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州 310018;3.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營 257000)

某伸展臂鎖定機構的可靠性分析

檀中強1，2，鄧國兵3，趙明巖1

(1.中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018;2.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州 310018;3.山東科瑞控股集團有限公司，山東東營 257000)

改進某伸展臂鎖定機構，通過分析其工作原理與失效模式，構建鎖定可靠性模型。綜合考慮尺寸、裝配誤差和構件變形對鎖定功能的影響，利用一次二階矩法得到可靠性指標。結合實際尺寸，計算出室溫及空間極限溫度下的可靠度，分析出影響可靠度的主要因素，并提出改進措施。結果表明，新結構可有效提高可靠度。

伸展臂;鎖定機構;機構運動精度可靠性

0 前言

伸展臂已應用在各種空間探測活動中［1－2］。作為其關鍵組成部分，鎖定機構在伸展臂完全展開后，實現定位鎖緊。鎖定機構能否正常工作直接影響到伸展臂展開后的姿態穩定性［3］，甚至空間探測活動的成敗。為確保伸展臂在工作中能夠按要求到位鎖緊，必須對其工作可靠性進行研究。文中分2個方面對鎖定機構可靠性進行分析:(1)機構受加工和裝配誤差影響的鎖定可靠性［4－5］;(2)機構受工作環境影響的鎖定可靠性［6－7］。該研究對伸展臂展開到位鎖定的高可靠性具有重要意義。

1 鎖定機構工作原理

某伸展臂鎖定機構經改進后，將銷孔基體的尺寸增大，使擋塊與銷孔基體接觸，這樣加工后更容易裝配，且能降低裝配誤差。改進后鎖定機構的工作原理如圖1所示，伸展臂完全展開后，定位件被筒壁上的擋塊擋住，此時滑槽與銷孔相對，如圖1中位置。

圖1 鎖定機構鎖緊原理示意圖

驅動件繼續向上運動，壓縮伸縮連桿，鎖緊滑銷受力在滑槽中滑動。直到鎖緊滑銷進入銷孔并壓緊，鎖定機構實現鎖緊。

2 鎖定機構可靠性分析

2.1 鎖定機構失效模式分析

圖2 鎖緊滑銷與銷孔軸線位置

圖3 限位鎖定可靠

2.2 安全邊界方程

從圖1可以看出，當限位鎖定機構的定位件被擋塊擋住定位以后，滑銷軸線與銷孔軸線之間的距離r由鎖緊滑銷大端直徑d1、滑槽直徑D1、定位件的長度b、銷孔軸線與擋塊的距離a、及牽連運動引起的誤差Δ牽等因素共同決定。

滑銷能在滑槽中滑動，存在一定的尺寸間隙，以r1表示滑銷軸線到滑槽上邊緣的距離，則r、r1、b、a 4個尺寸形成一個與裝配尺寸鏈類似的尺寸關系，如圖4所示。

圖4 裝配尺寸鏈

故得銷軸與銷孔軸線之間的距離r為:

2.3 鎖定機構的可靠性模型

2.3.1 加工裝配誤差對鎖定機構可靠性的影響［8－10］

當考慮加工誤差和裝配誤差的影響時，r1、b、a、D2、d1均可視為隨機變量，且相互獨立，假設各隨機變量均服從正態分布，根據式 (5)可求出功能函數Z的均值和方差分別為:

式 (6)、(7)中，μx為隨進變量x的均值，σx為隨機變量x的均方差，x代指以上各隨機變量。用可靠性分析一次二階矩法得可靠性系數為:

2.3.2 構件變形對鎖定機構可靠性的影響［11－12］

限位擋塊可以近似為一個懸臂梁，在受到定位件給他的作用力后會發生一定量的變形而引起a的變化，以Δa表示。定位件受力，從而引起長度b的變化，以Δb1表示。受太空環境的影響，溫度荷載使定位件發生變形，以Δb2表示。

銷孔基體也會發生變形，定位件與銷孔基體產生的變形在尺寸鏈中可以部分抵消，剩余量以Δb2的一半進行估算。則式 (2)改寫為:

將以上兩式代入式 (8)、(9)，可得考慮構件變形下的機構可靠度。

2.4 r1的均值與方差

3 鎖定機構的可靠度計算

某伸展臂的參數選擇原則:鎖緊滑銷在滑槽中運動，配合選擇H7/g6，間隙很小，滿足自由滑動且精密定位要求。故與孔有關的尺寸選擇7級精度，與軸有關的尺寸選擇6級精度。

4 改進措施

通過以上分析可知，將鎖定機構改進后 (銷孔基體頂住擋塊)，溫度變化對可靠度的影響已降低，但低溫極限對機構正常鎖定的影響仍不容忽視。為了消除溫度對機構鎖定可靠度的影響，由公式(13)可知，只要在設計時盡量減小b的尺寸即可，如圖5(a)所示。如果結構尺寸允許，甚至可以修改限位擋塊的位置，用銷孔基體本身充當限位擋塊，如圖5(b)所示，此時b=0，溫度的影響可以完全消除。

如果結構尺寸不允許，或者b的尺寸不能減小，還可以通過選擇熱線性系數小的材料、減小擋塊長度以及提高加工精度等措施來提高可靠度。

圖5 鎖定機構改進圖

5 結束語

文中對伸展臂鎖定機構的可靠性進行了分析。當不考慮構件的變形時，加工及裝配精度可保證其具有較高的鎖定可靠度;當考慮構件變形時，低溫極限溫度對鎖定機構工作可靠度的影響較大。通過對影響因素的具體分析，提出了相應的改進措施。文中對其他尺寸鏈的裝配可靠性分析具有一定的借鑒作用。

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Reliability Analysis of Locking Mechanism of a Dep loyable Mast

TAN Zhongqiang1，2，DENG Guobing3，ZHAO Mingyan1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou Zhejiang 310018，China;2.College of Machinery and Automatic Control，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou Zhejiang 310018，China;3.Kerui Group，Dongying Shandong 257000，China)

Lockingmechanism of a deployablemastwasmodified.On the base of working principle，themechanism’s failure mode was analyzed and a new model of reliability was constructed.In the process of calculating reliability index，the factors such as size，assembly error，and space environment influence were taken into consideration，and the method of MFOSM(Mean First Order Second Moment)was applied.Based on the actual size of themechanism，locking reliabilities atboth room temperature and space limit temperature were calculated.Themain factors that influence the reliability were analyzed and the improvementwas put forward.The result shows that the new model has a high reliability.

Deployablemast;Lockingmechanism;Reliability ofmechanism kinematics accuracy

TH115

A

1001－3881(2015)21－197－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.049

2014－08－11

機械設計及理論浙江省重中之重學科和浙江理工大學重點實驗室開放基金資助項目 (ZSTUMD2012A009)

檀中強 (1979—)，男，博士研究生，實驗師，主要從事機構運動可靠性方向的研究。E－mail:tzq@cjlu.edu.cn。