Page 96 - 《真空与低温》2025年第5期

康 永等：空间楔形自锁式重复锁紧机构 635

产生的摩擦力。 尺寸不同的空间楔形自锁式重复锁紧机构原型机
2.2 滑移面材料选择 并进行了原型机的机械臂操作匹配、承载能力、热真
锁紧过程中锁紧楔块 b 下底面与机架存在滑 空以及寿命等一系列性能测试实验和 EVA 工效学
动摩擦，锁紧后锁紧楔块 b 上部自锁斜面与锁紧楔 评价。Ⅰ型原型机的本体尺寸为 400 mm×400 mm×
块 a 的下部自锁斜面长期贴合，摩擦自锁，处于真 108 mm，质量为 10 kg，Ⅱ型原型机的本体尺寸为
空的工作环境，并承受较大的压力。考虑到真空环 470 mm×445 mm×123 mm，质量为 21 kg，两种型号
境下材料选用不当会带来干摩擦和冷焊 [10] 的风险， 机构的参数如表 1 所列。
锁紧楔块 b 下底面与机架选用真空摩擦系数较小
的自润滑材料，锁紧楔块 b 上部自锁斜面选用与金 表 1 空间楔形自锁式重复锁紧机构参数表
属摩擦系数较大的有机材料，防止与锁紧楔块 a 的 Tab. 1 Specification for Repeated Locking Device
金属材料发生冷焊。 参数名称 Ⅰ型 Ⅱ型

3 仿真校验 丝杠螺母副驱动力/N >123 >123
弹簧输出载荷/N 10.5 10.5
用有限元分析软件 ANSYS Workbench 建立空 丝杠轴线至导套轴线距离/mm 172 207
间楔形自锁式重复锁紧机构力学仿真模型。设置 光轴导套的跨距/mm 108.5 136
平台侧剪切孔锁紧楔组件安装接口为固定约束，在
轨可更换单元侧锁紧/解锁单元安装接口与模拟载 4.1 机械臂操作匹配实验
荷之间设置为绑定约束，平台侧剪切孔锁紧楔组件、 机械臂实验用来验证机械臂操作标准暴露载
在轨可更换单元侧锁紧/解锁单元之间的锁紧楔 荷的协同程序，以及机械臂与空间楔形自锁式重复
块 a、锁紧楔块 b 接触面设置为滑动可分离约束。 锁紧机构、载荷的接口匹配性。实验过程为：机械
模拟载荷质量设为 120 kg，尺寸为 600 mm×600 mm× 臂抓取货物气闸舱载荷转移机构上的标准暴露载
500 mm， 质 心 高 为 340 mm。 三 向 加 速 度 不 大 于 荷（安装有空间楔形自锁式重复锁紧机构），发送解
2
2 m/s ，转动角加速度均不大于 0.8 rad/s 。 锁指令，机构执行解锁动作；机械臂转移并安装标
2
对 120 kg 载荷进行的力学分析结果表明，最 准暴露载荷至暴露平台，机械臂松开标准暴露载荷，
大应力出现在剪切销、剪切孔处，为 159.29 MPa， 机械臂再次抓取标准暴露载荷并将其转移至载荷
最大位移为 0.30 mm。以超硬铝合金 7A04 材料的 转移机构上。实验结果表明：
屈服强度 400 MPa 和聚酰亚胺材料的拉伸强度 （1）机械臂操作Ⅰ、Ⅱ型原型机实现暴露载荷
115 MPa 为应力上限约束，根据线性推算可以计算 安装及拆卸协同程序可行。
出能够承载的载荷最大质量为 350 kg，如图 5 所示， （2）机械臂与Ⅰ、Ⅱ型原型机的接口匹配良好
其最大应力亦出现在剪切销、孔处，应力最大值为 （控制模式适用、容差配合合理、信息交互适配）。
398.61 MPa，最大位移量为 0.82 mm。 （3）机械臂负载中型标准载荷条件下Ⅰ、Ⅱ型
原型机的容差和操作力的适应能力满足机械臂操

450
数据
400 线性 作要求。
应力/MPa 350 4.2 EVA 工效学评价用于验证航天员舱外操作空
工效学评价
300
EVA
250
200 间楔形自锁式重复锁紧机构的在轨可更换单元侧
150
100 150 200 250 300 350 400 锁紧/解锁单元与平台侧剪切孔锁紧楔组件对接、
承载能力/kg
分离、锁紧与解锁操作的可行性。实验现场操作
图 5 承载能力的线性推算 空间依据舱上真实布局进行布置，一高一低两位实
Fig. 5 Linear calculation of bearing capacity 验员分别着舱外航天服进行操作，通过两次人机工

效学实验验证了空间楔形自锁式重复锁紧机构
4 性能实验
与航天员系统的接口协调性和操作可行性。对接
为了校验空间楔形自锁式重复锁紧机构的功 和分离、锁紧与解锁操作项目通过了人机工效学
能及性能，根据前文的设计方案，设计研制了两型 评价。