范敦坤，張孔玲

（1.廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣東廣州 510663；2.廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州 510663）

0 引言

近幾年，隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們的日常生活產(chǎn)生了天翻地覆的變化，日常支付無現(xiàn)金化、辦公智能化等科技成為常態(tài)，因此銀行業(yè)VTM（Video Teller Ma?chine）智能設(shè)備也進(jìn)入了前所未有的鼎盛時(shí)期。VTM設(shè)備不僅能夠查錢、存錢、取錢和轉(zhuǎn)賬，還能進(jìn)行發(fā)卡、發(fā)KEY、銷戶、掛失、存取款憑證的開據(jù)等傳統(tǒng)銀行柜臺(tái)業(yè)務(wù)。同時(shí)，人們還能通過VTM設(shè)備上的視頻系統(tǒng)，客戶能夠跟銀行客服人員進(jìn)行對(duì)話溝通，銀行也借此對(duì)用戶的身份進(jìn)行判定，并為客戶提供貼身的一對(duì)一的可視化服務(wù)[1]。為此，銀行對(duì)于VTM的設(shè)備的安裝設(shè)計(jì)要求越來越高，不僅注重造型、外觀、軟硬件的使用性能，還特別注重機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性[2]。由于銀行工作人員和設(shè)備維護(hù)人員需要經(jīng)常打開VTM設(shè)備的面板進(jìn)行各種維護(hù)和保養(yǎng)工作，所以VTM設(shè)備面板的開合安裝設(shè)計(jì)是重要考慮的環(huán)節(jié)。由于氣彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、互換性好等優(yōu)點(diǎn)，故其在VTM設(shè)備上運(yùn)用十分廣泛。本文作者將介紹氣彈簧在VTM設(shè)備上的相關(guān)布置設(shè)計(jì)。

圖1 氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

1 氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)用

1.1 氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)

氣彈簧是一種液壓氣動(dòng)元件，它由缸筒、活塞桿、活塞、吊耳接頭、氣相介質(zhì)、液相介質(zhì)以及密封導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組件組成，缸筒和活塞桿兩端均配有連接件，缸筒和活塞桿兩端配有連接件[3]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

氣彈簧按照結(jié)構(gòu)又可分為液壓阻尼式氣彈簧、動(dòng)態(tài)阻尼式氣彈簧。液壓阻尼式氣彈簧其彈伸速度取決于活塞管的布局和活塞小孔的直徑及內(nèi)部所使用油液的粘度。動(dòng)態(tài)阻尼式氣彈簧把活塞小孔變?yōu)楣艿辣谏弦粭l長溝槽。溝槽的幾何形狀和長度決定了其阻尼的效果，使其可在任何位置都可以產(chǎn)生彈簧阻尼[4]。

1.2 氣彈簧的基本工作原理

氣彈簧的工作原理主要是：氣壓作用于活塞端面產(chǎn)生彈力，當(dāng)氣彈簧內(nèi)部的彈力大于反作用力的時(shí)候，活塞桿就伸展開來；相反地活塞桿就被壓縮進(jìn)缸筒[5]。在設(shè)計(jì)氣動(dòng)支撐桿的時(shí)候，一般在密封的撐桿筒體內(nèi)部沖入高壓氮?dú)?。除了氮?dú)馔?，考慮到潤滑和減少撐桿的沖擊力，還會(huì)加入一定量的液壓油。在撐桿彈開的時(shí)候，壓縮氮?dú)獾淖饔檬沟没钊韵鄬?duì)較快的速度移動(dòng)，當(dāng)活塞移動(dòng)至壓縮液壓油時(shí)，由于液壓油的反作用，降低了活塞桿的移動(dòng)速度，使得活塞桿的運(yùn)動(dòng)趨于平緩直到運(yùn)動(dòng)停止，這樣的結(jié)果使得其所支撐的零部件不會(huì)產(chǎn)生很大沖擊導(dǎo)致零部件損壞。

氣彈簧的彈性特性曲線描述了撐桿在壓縮和彈伸的整個(gè)過程中的力值變化變化曲線。通過研究發(fā)現(xiàn)，氣彈簧的彈性特性曲線十分平坦，幾乎呈線性變化，從而其能實(shí)現(xiàn)均勻流暢的調(diào)整或者回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[6]。在選擇的時(shí)候，除了尺寸和行程以外，還特別應(yīng)注意F1力值，因?yàn)樗_定了撐桿的力值。F1力值的測(cè)量是在液壓阻尼式氣彈簧的彈伸結(jié)束前5 mm處測(cè)得，或者在動(dòng)態(tài)阻尼式氣彈簧彈伸結(jié)束前10 mm處測(cè)得。氣彈簧的彈性特性曲線如圖2所示。

圖2 氣彈簧的彈性特性曲線

1.3 氣彈簧在VTM設(shè)備上的運(yùn)用

在VTM設(shè)備上通常利用氣彈簧的彈力來作為支撐VTM設(shè)備面板的外力。它可以使VTM設(shè)備的面板在打開后能夠保持打開狀態(tài)，并且還能在打開的時(shí)候比較省力。當(dāng)面板繞著鉸鏈軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)翻開的過程中，由于氣彈簧的支撐作用，其操作成比較輕便，且當(dāng)翻開面板到一定的角度后，面板還能保持固定。

2 VTM設(shè)備氣彈簧的安裝布置

2.1 安裝要求

由圖1所示可知，活塞桿安裝時(shí)必須向下位置安裝，不可倒裝。如果倒裝會(huì)使缸筒中的液相介質(zhì)不能一直浸滿活塞桿及其密封元件，使得活塞桿運(yùn)動(dòng)的摩擦加劇，撐桿的阻尼質(zhì)量和緩沖性能極大降低。VTM設(shè)備的面板大部分時(shí)間都處于關(guān)閉狀態(tài)，只有銀行工作人員及其維修人員定檢和維修的時(shí)候才會(huì)打開面板，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，把撐桿的活塞桿朝下安裝布置，可以使活塞桿長時(shí)間處于向下狀態(tài)，缸筒中的液相介質(zhì)可以一直長久的浸滿活塞桿和密封元件。

圖3 某款氣彈簧結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2.2 VTM設(shè)備面板氣彈簧安裝位置的確定

2.2.1 面板翻開狀態(tài)時(shí)的旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)確定

VTM智慧柜員機(jī)面板翻開的角度，必須綜合考慮整機(jī)相對(duì)應(yīng)模塊的維護(hù)情況來確定?？傮w遵循的原則就是要使面板打開時(shí)讓操作人員可以很方便地進(jìn)入到維護(hù)區(qū)域進(jìn)行維護(hù)等操作，并且面板打開后的高度必須使操作者可以很輕松和便利的拉下關(guān)閉面板。另外，還需根據(jù)面板所需的翻開高度及其VTM整機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，確定好面板的旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)。

2.2.2 質(zhì)量和重心位置計(jì)算

在計(jì)算設(shè)備質(zhì)量和重心時(shí)，一般借助三維軟件工具（Pro/E）。在Pro/E中，采取逐個(gè)導(dǎo)入相應(yīng)零件的質(zhì)量參數(shù)。具體操作步驟為：打開“文件”/“屬性”，彈出“模型屬性”對(duì)話框，在材料項(xiàng)中點(diǎn)擊“更改”，進(jìn)入材料屬性，選取各零件相對(duì)應(yīng)的材料。

當(dāng)面板所有零件完成指定后，在所需分析的組件顯示窗口，打開“分析”/“模型”/“質(zhì)量屬性”，彈出窗口。按照如上操作，在Pro/E中得出分析結(jié)果，其重心位置為相對(duì)于所分析組件的默認(rèn)坐標(biāo)的相對(duì)坐標(biāo)。

2.2.3 固定點(diǎn)及其活動(dòng)支點(diǎn)位置的確定

在選取和使用氣彈簧之前，應(yīng)該先了解所選用產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸，某款氣彈簧結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖3所示。

L為氣彈簧的延伸后長度，符合VTM整機(jī)面板使用的尺寸規(guī)格一般有：L=(365.5±2)mm和L=(444±2)mm兩種，它們對(duì)應(yīng)的行程分別為：Smin=147 mm和S=178 mm；在選定其中一種規(guī)格后，可根據(jù)VTM設(shè)備整機(jī)具體結(jié)構(gòu)，大致確定可用于固定氣彈簧一端的固定點(diǎn)P，氣彈簧被固定后，固定端出繞點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)之外，坐標(biāo)位置不發(fā)生移動(dòng)。關(guān)閉面板的過程中，為了保證氣彈簧不被過度壓縮損壞，還需要考慮其壓縮至最短的狀態(tài)時(shí)，氣彈簧的最短長度必須滿足 Lmin＞Lmax-Smin[7]。

如案列中，選取L=(365.5±2)mm，Smin=147 mm的規(guī)格，Lmax＞220.5 mm，考慮尺寸偏差的影響，可取Lmin=223.5 mm。

如圖4所示，由于氣彈簧固定端繞點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)，故需做R=223.5 mm的圓P，則極限壓縮后氣彈簧活動(dòng)端在圓P上，作R=367.5 mm的圓P，則當(dāng)氣彈簧在最大伸長尺寸時(shí)活動(dòng)端在圓P上，由于活動(dòng)端是固定在面板上且繞面板旋轉(zhuǎn)中心O旋轉(zhuǎn)的，故作R=223.5 mm的圓P相切的圓O，其與R=367.5 mm的圓P相交于點(diǎn)Q2即為當(dāng)面板打開至設(shè)計(jì)最大角度時(shí)活動(dòng)固定點(diǎn)的位置。

圖4 固定點(diǎn)及其活動(dòng)支點(diǎn)的位置

3 VTM設(shè)備氣彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 氣彈簧彈力的確定

如圖5所示，當(dāng)設(shè)備面板翻開時(shí)，系統(tǒng)所受的重力和氣彈簧彈力示意圖，簡(jiǎn)化后如圖6所示。

圖5 重力和氣彈簧彈力示意圖

基于上文所述，設(shè)計(jì)上面板需要翻開95°，重力力矩最大值MGmax出現(xiàn)在OG呈水平狀態(tài)之時(shí)，為使面板翻開一定角度后能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)打開，重力力矩最大值MGmax＜MF，其受力和力臂情況如圖7所示。

根據(jù)該條件，由：MGmax＜MF可推導(dǎo)出：

G·LGmax＜ （F·LF） /(A·N)

式中：A為安全系數(shù)，通常取為1.1～1.5，這里取A=1.1[8]；N為氣彈簧數(shù)量，取N=2。

代入已知數(shù)據(jù)得：

G=m·g=14.5×9.8=142.1 N；LGmax=389；LF=115.6

由上可推出F＞526 N，查詢相關(guān)氣彈簧相關(guān)產(chǎn)品目錄，可選取F=530 N。

圖6 受力簡(jiǎn)圖

圖7 受力和力臂情況

3.2 面板掀開或關(guān)閉過程的受力及其運(yùn)動(dòng)情況

當(dāng)面板關(guān)閉時(shí)，如圖8所示，Q2位于PO右側(cè)夾角0.2°的位置，OG與垂直方向夾角為17.1°；當(dāng)面板打開95°時(shí)，如圖9所示，可知：∠POQ2=94.8°，∠GOV=17.1°+95°=112.1°；a=115.7 mm；b=339.2 mm，I=389 mm。

圖8 面板關(guān)閉時(shí)的受力情況

圖9 面板翻開最大角度時(shí)的受力情況

任意角度時(shí)，氣彈簧力矩:

MF=F·h=a·b·sin∠POQ2÷ （a2+b2-2a·b·cos∠POQ2)0.5

任意角度時(shí)，重力力矩：

MG=G·I=d·sin∠GOV

通過以上推導(dǎo)和公式，可分別計(jì)算得到面板重力力矩和氣彈簧彈力力矩；根據(jù)計(jì)算和分析，大約在25°時(shí)，力矩平衡；大于25°時(shí)，撐桿可支撐面板自動(dòng)翻開；當(dāng)小于25°時(shí)，面板在重力作用下可以自行關(guān)閉。

3.3 氣彈簧設(shè)計(jì)安裝注意事項(xiàng)

在VTM設(shè)備氣彈簧安裝設(shè)計(jì)過程中，需要注意如下幾個(gè)方面：

（1）面板關(guān)閉時(shí)，當(dāng)角度越趨小時(shí)，重力產(chǎn)生的加速度越大，面板關(guān)閉時(shí)的沖擊力就越大。因此，力矩平衡的角度值越小，可以一定程度較小面板關(guān)閉時(shí)的沖擊；但是力矩平衡的角度過小，面板稍微打開一定角度便自動(dòng)翻開，可能會(huì)對(duì)操作者造成沖撞。

（2）如果在繪制的圖表中沒有平衡點(diǎn)，則面板無法實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。

（3）如果在0°時(shí)，撐桿力矩為負(fù)值，則對(duì)面板關(guān)閉有加速效果，對(duì)應(yīng)于圖7，Q2位于PO的右側(cè)；反之，則有減速效果，對(duì)應(yīng)于圖7，Q2位于PO左側(cè)。

4 結(jié)論

詳細(xì)闡述了氣彈簧的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)氣彈簧在VTM智慧柜員機(jī)中的安裝布置設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析和介紹，總結(jié)了氣彈簧在VTM設(shè)備上設(shè)計(jì)安裝的注意事項(xiàng)，可為其它VTM設(shè)備機(jī)型的設(shè)計(jì)提供參考。