专利名称：气囊型飞轮锁紧和解锁装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞轮锁紧和解锁装置，尤其是涉及一种用于磁悬浮轴承的飞轮的气囊型锁紧和解锁装置，该装置对磁悬浮飞轮的轮体进行锁紧和解锁。
背景技术：
磁悬浮飞轮是一种新型的航天飞行器姿态控制系统执行机构，与机械轴承支承的飞轮相比，在控制精度、稳定性和使用寿命等方面具有明显优势，是高精度对地观测卫星姿态控制的理想执行机构。由于磁悬浮飞轮采用磁轴承技术，定子和转子之间存在间隙，航天飞行器在发射过程中将产生剧烈振动和冲击，飞轮系统存在较大的振动载荷，为了防止飞轮系统的损坏， 必须采用额外的锁紧装置对其进行保护。飞轮锁紧(和解锁)装置是磁悬浮飞轮的一种保护装置，可以对磁悬浮飞轮转子进行锁紧和解锁，使磁悬浮飞轮系统不工作时处于锁紧状态，正常工作时处于解锁状态。磁悬浮飞轮在运输、储存及调试中需要对磁悬浮飞轮进行锁紧和解锁。另外，航天飞行器在空间进行变轨道工作，有时也需要对磁悬浮飞轮锁紧和解锁。例如，在火箭发射过程中，可以通过飞轮锁紧和解锁装置对飞轮轮体进行相对固定，使飞轮轮体在剧烈振动、冲击等力学环境中避免损伤，保护飞轮轮体在运载发射过程中不受振动和冲击损害。在航天飞行器入轨后，通过该飞轮锁和紧解锁装置对飞轮轮体进行解锁，使之回到能够自由悬浮的状态，开始正常工作。由于锁紧和解锁装置是一个装在飞轮内部的可动作部件，因此设计一个功耗低、 质量小、对其他器件干扰少的锁紧和解锁装置是磁悬浮飞轮研究的关键技术之一。该锁紧和解锁装置在卫星发射过程中能可靠地锁紧飞轮转子，在发射完成进入轨道后又能可靠地解锁，使飞轮的工作不受锁紧和解锁装置的影响。为了解决磁悬浮飞轮的有效锁紧和可靠释放问题，人们采用了多种锁紧和解锁装置，如火工品式锁紧和解锁装置、电机式锁紧和解锁装置、电磁式锁紧和解锁装置、气动式锁紧和解锁装置等。对于火工品式锁紧和解锁装置而言，其锁紧和解锁的可靠性高，但只能一次性使用，因此会增加磁悬浮飞轮地面测试的复杂度和成本，同时也会带来冲击和污染等问题，例如，火工品式锁紧和解锁装置为保证可靠分离，分离力一般要求为连接力的1. 2 倍以上，因而会产生分离冲击，而同时火工品式锁紧和解锁装置在锁紧和解锁过程中因爆炸所产生的火药燃气会带来污染问题；对于电机式锁紧和解锁装置，一般采用齿轮传动副与螺母螺栓传动副的方式，由于存在多种活动部件，在质量和可靠性方面有一定的局限性； 对于电磁锁紧和解锁装置而言，其结构较为复杂，产生电磁锁紧和解锁力的功耗高，而且容易对磁悬浮飞轮本身的电磁环境造成干扰；对于现有的气动式锁紧和解锁装置而言，存在着结构复杂、轮体容易粘连等问题
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，为磁悬浮飞轮提供一种结构简单紧凑、成本低、功耗和质量小、可靠性高的气囊型飞轮锁紧和解锁装置。使用该气囊型飞轮锁紧解锁装置还能够实现其他基于无接触型轴承的旋转轮体的锁紧和解锁功能。本发明的技术解决方案是一种气囊型飞轮锁紧和解锁装置，用于对飞轮转子进行锁紧和解锁，其中飞轮转子通过磁力悬浮在该飞轮定子外侧并与该飞轮定子无接触；该气囊型飞轮锁紧和解锁装置包括外壳，设置在该飞轮转子外侧；气囊，位于该外壳内并被设置在该飞轮转子外侧；以及外部气路组件，位于该外壳的外部并穿过该外壳与该气囊的内腔连接，其中当将该飞轮转子锁紧时，通过该外部气路组件给该气囊的内腔充气，使得该气囊呈膨胀状态，并抵紧该外壳的内壁和该飞轮转子的外侧部；以及当将该飞轮转子解锁时，通过该外部气路组件给该气囊的内腔放气，使得该气囊呈收缩状态，在该飞轮转子与该外壳之间形成间隙。根据本发明的实施例，该气囊的外侧外壁被固定在该外壳的内壁上；在收缩状态下，所述气囊的内腔的截面形状为凹形，且其凹进部位于该气囊的与该飞轮转子相对的内侧外壁上；以及在膨胀状态下，所述气囊的内腔的截面形状为凸形，且其凸出部位于该气囊的与该飞轮转子相对的内侧外壁上。根据本发明的实施例，在该飞轮转子的与该气囊相对的外壁上设置有凸台，以利于该气囊在充气膨胀后的锁紧。根据本发明的实施例，该外部气路组件包括进出气嘴，设置在该气囊的外侧并与该气囊的内腔连通；进出气管，与该进出气嘴连通；电磁阀，与该进出气管连接，通过开关该电磁阀来控制该进出气管中的进气或出气；以及进出气口，通过该电磁阀与进出气管连接，并根据所述充气或放气操作而分别连接至高压气源或外界。根据本发明的实施例，当将该飞轮转子锁紧时，将该电磁阀上电接通5 12秒钟并使得该进出气口与高压气源接通，此时如果飞行器处在准备发射阶段，发射前先用高压气源连接进出气口，再接通电磁阀，给气囊充气，使得该气囊的内腔压力增至0.2 0. 6MPa，从而该气囊处于膨胀状态，且该气囊的内侧外壁紧紧抵住该飞轮转子；以及当将该飞轮转子解锁时，将该电磁阀上电接通15 35秒钟并使得该进出气口与外界环境接通，此时如果飞轮处于外太空，则气囊里的气体通过进出气口将气体排到真空环境；如果飞轮处于地面试验测试阶段，则气囊里的气体通过进出气口而被排到大气环境，该气囊的内腔压力降至与外界环境相同，该气囊处于收缩状态。根据本发明的实施例，在该气囊的上方和下方分别设置有上端盖和下端盖，用来限制该气囊在充气膨胀时挤入该飞轮转子与该外壳之间的缝隙中，所述上端盖和下端盖分别通过端盖紧固件固定安装在该外壳的内壁上。根据本发明的实施例，在该外壳的内壁上设置有U型槽，该气囊被嵌入在该U型槽内。根据本发明的实施例，在该U型槽的上方和下方分别设置有上端盖和下端盖，用来限制该气囊在充气膨胀时挤入该飞轮转子与该外壳之间的缝隙中，所述上端盖和下端盖分别通过端盖紧固件固定安装在该外壳的内壁上。根据本发明的实施例，为能够实现气囊与飞轮转子之间长时间的锁紧，且在锁紧期间不发生粘连的现象，在所述飞轮转子凸台的表面喷涂有二硫化钼或者聚四氟乙烯。
本发明以磁悬浮飞轮、气动式锁紧机构的最新研究进展为背景，提出一种新型的气囊型飞轮锁紧和解锁装置。这种锁紧和解锁装置是通过气囊的充放气动作来实现对磁悬浮飞轮转子的锁紧和解锁的，这一点完全不同于传统的火工品式锁紧和解锁装置、电机式锁紧和解锁装置、电磁式锁紧和解锁装置以及其他气动式锁紧和解锁装置。本发明的有益效果是，该气囊型飞轮锁紧和解锁装置采用气囊作为其核心的锁紧和解锁结构，该气囊型飞轮锁紧和解锁装置被设置在磁悬浮轴承上，既能够在地面试验时多次使用，又能在空间轨道上使得磁悬浮轴承的飞轮可靠运行，对磁悬浮飞轮无电磁干扰， 对系统无冲击影响，是一种结构简单紧凑、成本低、功耗和质量小、可靠性高的锁紧和解锁装置。此外，使用该气囊型飞轮锁紧和解锁装置还能够实现其他基于无接触型轴承的旋转轮体的锁紧和解锁功能。
图1是具有气囊型飞轮锁紧和解锁装置的磁悬浮飞轮的具体实施例的结构示意图；图2是图1所示锁紧和解锁装置中的气囊的示意图；图3是磁悬浮飞轮的锁紧状态示意图；图4是磁悬浮飞轮的解锁状态示意图；其中，附图标记说明如下1-气囊2-外壳3-外部气路组件31-进出气管32-电磁阀33-进出气口34-进出气嘴4-上端盖4，-下端盖5-端盖紧固件6-飞轮转子7-飞轮定子
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明的气囊型飞轮锁紧和解锁装置主要由气囊1、外壳2、外部气路组件3、上/下端盖4和4’以及端盖紧固件5组成。具体而言，本发明的气囊型飞轮锁紧和解锁装置用于对飞轮转子6进行锁紧和解锁，其中飞轮转子6通过磁力悬浮在该飞轮定子7外侧并与该飞轮定子7无接触。该气囊型飞轮锁紧和解锁装置包括外壳2，设置在该飞轮转子6外侧；气囊1，位于该外壳2内并被设置在该飞轮转子6外侧；以及外部气路组件3，位于该外壳2的外部并穿过该外壳2与该气囊1的内腔连接，其中当将该飞轮转子6锁紧时，通过该外部气路组件3给该气囊1的内腔充气，使得该气囊1呈膨胀状态，并抵紧该外壳2的内壁和该飞轮转子6的外侧部，此时飞轮转子6因受到轴向和径向的约束力而锁紧；以及当将该飞轮转子6解锁时，通过该外部气路组件3给该气囊1的内腔放气，使得该气囊1呈收缩状态，在该飞轮转子6与该外壳 2之间形成间隙，此时飞轮转子6因在其轴向和径向恢复自由状态而解锁。其中，该外部气路组件3包括进出气嘴34，设置在该气囊1的外侧并与该气囊1 的内腔连通；进出气管31，与该进出气嘴34连通；电磁阀32，与该进出气管31连接，通过开关该电磁阀32来控制该进出气管31中的进气或出气；以及进出气口 33，通过该电磁阀32 与进出气管31连接，并根据所述充气或放气操作而分别连接至高压气源或外界环境。如图2所示，该气囊型飞轮锁紧解锁装置采用在非锁紧状态(即收缩状态)下呈 “凹”形截面的气囊1作为核心锁紧和解锁机构。进出气嘴34紧固在气囊1的径向外侧表面上某处，气体在压差的作用下，通过进出气嘴34为气囊1进行充气或放气。根据本发明的一个实施例，该气囊1的外侧外壁通过胶粘等手段被固定在该外壳 2的内壁上。在收缩状态下，所述气囊1的内腔的截面形状为凹形，且其凹进部位于该气囊 1的与该飞轮转子6相对的内侧外壁上；以及在膨胀状态下，所述气囊1的内腔的截面形状为凸形，且其凸出部位于该气囊1的与该飞轮转子6相对的内侧外壁上。需要锁紧飞轮转子6时，如图3所示，电磁阀32上电接通并使得该进出气口 33与高压气源接通，如果此时安装有磁悬浮飞轮定子和飞轮转子的航天飞行器处在准备发射阶段，则在发射前用高压气源连接进出气口 33，接通电磁阀32，给气囊1充气。气体在外部高压气源压力驱动下，依次通过电磁阀32、进出气管31、和进出气嘴 34进入到气囊1的内腔，随着气囊1的内腔压力逐渐升高，气囊1膨胀变大，从而压紧飞轮转子6的外缘和外壳2的内壁，在获得足够的压紧力之后，电磁阀32在磁悬浮飞轮外部控制器的控制下关闭。此时飞轮转子6沿轴向和径向均受到约束，处于非自由悬浮状态，飞轮转子6不能自由旋转。需要解锁和释放飞轮转子6时，如图4所示，电磁阀32上电接通并使得进出气口 33与外界环境接通，如果飞轮此时处于外太空，则气囊1里的气体通过进出气口 33而被排放到真空环境；如果飞轮处于地面试验测试阶段，则气囊1里的气体通过进出气口 33而被排放到大气环境。气囊1内腔中的气体由于压力大于航天飞行器所处的外界真空环境或者地面航天飞行器试验环境气压而被释放；气囊1在自身的收缩力作用下收缩，当气囊1收缩到足以脱开飞轮转子6时，电磁阀32在磁悬浮飞轮外部控制器的控制下关闭。此时由于气囊1的外侧外壁与外壳2槽内壁胶粘固定，气囊1收缩后，会在径向产生与飞轮转子6之间的安全距离，飞轮转子6此时沿轴向和径向存在运动间隙，处于无约束的可自由悬浮状态，飞轮转子6可自由旋转。根据本发明的一个实施例，在该飞轮转子6的与该气囊1相对的外周侧壁上设置有凸台，以方便气囊充气膨胀后的锁紧。为避免飞轮转子6和气囊1在长期锁紧状态下发生粘连现象，在飞轮转子6的与气囊1接触的圆周面上，采用了二硫化钼或聚四氟乙烯防粘连喷涂工艺处理。根据本发明的一个实施例，在该外壳2的内壁上设置有U型槽，该气囊1被嵌入在该U型槽内。另外，根据本发明的一个实施例，为防止气囊1在较长时间的充气膨胀状态下，沿轴向从飞轮转子6与上述U型槽之间的缝隙向上或向下挤出，从而导致气囊1在收缩时不能有效恢复，同时考虑便于拆装的需要，特采用了具有缝隙堵塞功能的上下端盖4和4’。具体而言，请参阅图3，在该气囊1的上方和下方分别设置有上端盖4和下端盖 4’。而如果在外壳2上设置有U型槽时，所述上端盖4和下端盖4’被设置在该U型槽的上方和下方。并且所述上端盖4和下端盖4’分别通过端盖紧固件5固定安装在该保护外壳 2的内壁上。参见附图1 图4，在本发明气囊型飞轮锁紧和解锁装置的实施例中，取气囊1为橡胶材料，其壁厚2mm，为加强锁紧时轴向的锁紧力度，气囊1采用“凹”形截面结构，其内侧表面的中间部分凹进，同时飞轮转子6的径向外周侧面相应地凸出(即形成凸台)。气囊1 的“凹”形截面形状是通过采用模具压制出来的，在没有充气的自由状态下呈“凹”形截面形状。因为气囊1是具有一定弹性的橡胶材料，当内腔充有气体的时候会膨胀变形，在外部空间的限制下，其截面形状会逐渐改变成凸形。当气囊1内腔中的气体减少的时候，由于橡胶材料自身的收缩弹力，会恢复先前的自由状态。气囊1径向外侧与外壳2内槽面通过橡胶胶黏剂粘结固定，气囊1的内侧外壁沿圆周方向包围飞轮转子6，并存在约0.5 1.5mm(优选为1.0mm)的自由缝隙。上下端盖4 采用硬铝材料加工制成，通过端盖紧固件5与外壳2装配固定。气囊1上的进出气嘴34的外端部通过M5的内螺纹与外部气路部件3连接。电磁阀32的工作电压约为12V，可承受约 IMPa压力以下的气体通过，其通电时功率约为2. 5W。需锁紧时，电磁阀32上电接通约5 12秒钟，优选为8秒钟，气囊1腔内压力增至约0. 2 0. 6MPa，此时气囊1紧紧锁住飞轮转子6 ；需解锁时，电磁阀32上电接通约15 35秒钟，优选为21秒钟，气囊1腔内压力降至实验室内环境压力或外界环境压力，气囊1缩小，飞轮转子6能自由旋转。本发明中气囊型磁悬浮飞轮锁紧解锁装置实施例，经试制试用被证明效果显著， 在参照卫星姿控飞轮的相关国家军用标准振动试验条件下，均能有效锁紧和解锁；而且试验表明，该装置能够在地面试验时多次可靠使用，这也为将来能在空间有效运行提供了技术保障。
权利要求
1.一种气囊型飞轮锁紧和解锁装置，用于对飞轮转子(6)进行锁紧和解锁，其中飞轮转子(6)通过磁力悬浮在该飞轮定子(7)外侧并与该飞轮定子(7)无接触；该气囊型飞轮锁紧和解锁装置包括外壳O)，设置在该飞轮转子(6)外侧；气囊(1)，位于该外壳O)内并被设置在该飞轮转子(6)外侧；以及外部气路组件(3)，位于该外壳O)的外部并穿过该外壳O)与该气囊(1)的内腔连接，其中当将该飞轮转子(6)锁紧时，通过该外部气路组件C3)给该气囊(1)的内腔充气，使得该气囊(1)呈膨胀状态，并抵紧该外壳O)的内壁和该飞轮转子(6)的外侧部；以及当将该飞轮转子(6)解锁时，通过该外部气路组件(3)给该气囊⑴的内腔放气，使得该气囊(1)呈收缩状态，在该飞轮转子(6)与该外壳( 之间形成间隙。
2.根据权利要求1所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，该气囊(1)的外侧外壁被固定在该外壳O)的内壁上；在收缩状态下，所述气囊(1)的内腔的截面形状为凹形，且其凹进部位于该气囊(1)的与该飞轮转子(6)相对的内侧外壁上；以及在膨胀状态下，所述气囊(1)的内腔的截面形状为凸形，且其凸出部位于该气囊(1)的与该飞轮转子(6)相对的内侧外壁上。
3.根据权利要求2所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，在该飞轮转子(6)的与该气囊(1)相对的外壁上设置有凸台。
4.根据权利要求1所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，该外部气路组件(3)包括进出气嘴(34)，设置在该气囊(1)的外侧并与该气囊(1)的内腔连通；进出气管(31)，与该进出气嘴(34)连通；电磁阀(32)，与该进出气管(31)连接，通过开关该电磁阀(3 来控制该进出气管 (31)中的进气或出气；以及进出气口(33)，通过该电磁阀(3 与进出气管(31)连接，并根据所述充气或放气操作而分别连接至高压气源或外界环境。
5.根据权利要求4所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，当将该飞轮转子(6)锁紧时，将该电磁阀(3 上电接通5 12秒钟并使得该进出气口(33)与高压气源接通，使得该气囊(1)的内腔压力增至0.2 0.6MPa，从而该气囊(1) 处于膨胀状态，且该气囊(1)的内侧外壁紧紧抵住该飞轮转子(6)；以及当将该飞轮转子(6)解锁时，将该电磁阀(3 上电接通15 35秒钟并使得该进出气口(3 与外界环境接通，该气囊(1)的内腔压力降至与外界环境相同，该气囊(1)处于收缩状态。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，在该气囊 (1)的上方和下方分别设置有上端盖(4)和下端盖(4’)，用来限制该气囊(1)在充气膨胀时挤入该飞轮转子(6)与该气囊(1)之间的缝隙中，所述上端盖(4)和下端盖G’)分别通过端盖紧固件(5)固定安装在该保护外壳O)的内壁上。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，在该外壳(2)的内壁上设置有U型槽，该气囊(1)被嵌入在该U型槽内。
8.根据权利要求6所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，在该U型槽的上方和下方分别设置有上端盖(4)和下端盖(4’)，用来限制该气囊(1)在充气膨胀时挤入该飞轮转子 (6)与该气囊(1)之间的缝隙中，所述上端盖(4)和下端盖(4’ )分别通过端盖紧固件(5) 固定安装在该外壳O)的内壁上。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的气囊型飞轮锁紧和解锁装置，其中，在所述飞轮转子(6)的凸台表面喷涂有二硫化钼或者聚四氟乙烯。
全文摘要
一种气囊型飞轮锁紧和解锁装置，用于对飞轮转子进行锁紧和解锁；该装置包括外壳，设置在飞轮转子外侧；气囊，位于外壳内并被设置在飞轮转子外侧；以及外部气路组件，位于外壳的外部并穿过外壳与气囊的内腔连接，其中当将飞轮转子锁紧时，通过外部气路组件给气囊的内腔充气，使气囊呈膨胀状态，并抵紧外壳的内壁和飞轮转子的外侧部，飞轮转子因受到轴向和径向的约束力而锁紧；以及当将飞轮转子解锁时，通过外部气路组件给气囊的内腔放气，使得气囊呈收缩状态，在飞轮转子与外壳之间形成间隙，飞轮转子因在其轴向和径向恢复自由状态而解锁。本发明对磁悬浮飞轮无电磁干扰，对系统无冲击影响，结构简单紧凑、成本低、功耗和质量小且可靠性高。
文档编号B64G1/24GK102530268SQ201110219508
公开日2012年7月4日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者刘昆, 单小强, 张峰, 杜金榜, 肖凯 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学