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        機(jī)械裝置的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)概論

        2018-10-21 19:48:25谷萬(wàn)淼宋則良陳強(qiáng)
        科技風(fēng) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:安全

        谷萬(wàn)淼 宋則良 陳強(qiáng)

        摘 要:機(jī)械裝置的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是為了有效防止裝置勿觸發(fā)的一種保護(hù)機(jī)構(gòu),在機(jī)械設(shè)計(jì)中大量采用。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)性的分類(lèi)在學(xué)術(shù)上缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),給設(shè)計(jì)人員從事保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困惑。本文根據(jù)機(jī)械裝置中比較常見(jiàn)的幾種保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)形式,著重研究了其工作原理和類(lèi)型,分析了基本的設(shè)計(jì)形式、優(yōu)缺點(diǎn)和設(shè)置方法,針對(duì)容易混淆的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和自鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了比較詳細(xì)的辨析并以具體的實(shí)例加以說(shuō)明,為設(shè)計(jì)人員有針對(duì)性的選擇、設(shè)計(jì)機(jī)械裝置的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)提供了參考。

        關(guān)鍵詞:機(jī)械裝置;保險(xiǎn)機(jī)構(gòu);自鎖;安全

        1 概述

        機(jī)械裝置在存儲(chǔ)、運(yùn)輸、待機(jī)過(guò)程中可能發(fā)生偶然作動(dòng)或過(guò)早作動(dòng)等非設(shè)計(jì)意圖的情況,應(yīng)視情況的危害性設(shè)置保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是防止機(jī)械裝置發(fā)生操作者意愿之外動(dòng)作的機(jī)構(gòu),有效的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)能夠防止非設(shè)計(jì)意圖情況的發(fā)生。某些失效的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)不一定導(dǎo)致機(jī)械裝置在有限次數(shù)的運(yùn)行中發(fā)生非設(shè)計(jì)意圖的情況,但是若保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期失效,機(jī)械裝置多次運(yùn)行中發(fā)生非設(shè)計(jì)意圖情況的可能性大大增加。

        保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)能夠?yàn)椴僮髡?、設(shè)備和流程等提供可靠的安全保證。

        保證人身安全的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),如車(chē)輛的門(mén)鎖,能有效保證車(chē)門(mén)在車(chē)輛行駛中不因顛簸、轉(zhuǎn)向等因素影響而誤開(kāi)啟危害乘坐者的人身安全。

        保證設(shè)備安全的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),如現(xiàn)代槍械設(shè)計(jì)中常用的不到位保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),能有效防止子彈在槍膛中尚未處于可靠的閉鎖位置時(shí)擊發(fā)而導(dǎo)致的炸膛危險(xiǎn)。某氣缸作動(dòng)裝置的負(fù)載在位保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),能夠阻止氣缸空載作動(dòng)而導(dǎo)致的活塞無(wú)阻尼高速射出,破壞氣缸,損壞復(fù)位彈性件,擊中人體等事故發(fā)生。由于設(shè)備意外損壞往往伴隨著人身傷害事件發(fā)生,所以保證設(shè)備安全的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)也具有保護(hù)人身安全的功能。

        保證流程安全的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)一般被設(shè)計(jì)成在線檢測(cè)設(shè)施,能夠隨時(shí)檢測(cè)流程中物理量的變化,超出允許范圍時(shí)自動(dòng)觸發(fā),保證流程安全,如安全閥、熔斷器等,此類(lèi)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)不在本文的論述范圍中。

        2 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)原理

        機(jī)械裝置一般由完成機(jī)械裝置主功能的機(jī)構(gòu)和提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)主要機(jī)構(gòu)組成。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)屬于附加機(jī)構(gòu),其保險(xiǎn)原理一般采用維持機(jī)械裝置主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件的特定工作狀態(tài),或同時(shí)維持兩者特定工作狀態(tài)的方法,使整個(gè)裝置保持某種預(yù)設(shè)狀態(tài)不變。

        圖1所示的是一種擺臂裝置的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。3、5、6號(hào)機(jī)構(gòu)是具有復(fù)位元件的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),1號(hào)件擺臂和8號(hào)件釋放桿構(gòu)成主功能機(jī)構(gòu);2號(hào)件是齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。1號(hào)件擺臂繞與基體的鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn),8號(hào)件釋放桿支撐擺臂,2號(hào)件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)擺臂旋轉(zhuǎn)。5、6號(hào)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)啟用后能夠阻擋擺臂和釋放桿旋轉(zhuǎn),3號(hào)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)啟用后切斷主動(dòng)齒輪與擺臂的傳動(dòng)路徑。

        3 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)類(lèi)型的選擇

        按照保險(xiǎn)作用的方式,機(jī)械裝置的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可按作用分為接觸式和分離式。接觸式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是使主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的零件與保險(xiǎn)銷(xiāo)類(lèi)零件接觸并受其阻擋而不能工作。分離保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是將主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中某些零件從機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈中分離出來(lái),使主功能機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失去聯(lián)系,此時(shí)即使觸發(fā)作動(dòng)開(kāi)關(guān),主動(dòng)機(jī)構(gòu)也因?yàn)槿鄙衮?qū)動(dòng)而無(wú)法正常工作。

        接觸式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)直接作用于主功能機(jī)構(gòu),阻擋其工作狀態(tài)變化,在機(jī)械裝置受到劇烈振動(dòng)和撞擊時(shí)均不易發(fā)生意外,安全可靠性較高,在振動(dòng)、沖擊等工作環(huán)境中工作的機(jī)械裝置多選擇該種方式的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。圖1機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖所示的5號(hào)件和6號(hào)件為接觸式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),分別防止擺臂和釋放桿誤動(dòng)。

        分離式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是將某些零件從機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈中分離出來(lái),使主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失去聯(lián)系或者喪失運(yùn)動(dòng)的可能,此時(shí)雖能觸發(fā)作動(dòng)開(kāi)關(guān)也不能正常工作。如果機(jī)械裝置僅采用這一種保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)形式,當(dāng)機(jī)械裝置受到跌落或劇烈振動(dòng)式,主功能機(jī)構(gòu)可能因慣性作用,意外作動(dòng)。但是分離式的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、對(duì)主功能機(jī)構(gòu)干涉輕微等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于體積有較高要求的機(jī)械裝置多選擇該種方式的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。圖1機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖所示的3號(hào)件為分離保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后齒輪無(wú)法嚙合,防止驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)因誤動(dòng)而推動(dòng)擺臂旋轉(zhuǎn)。

        按照開(kāi)啟或解除保險(xiǎn)的方式,保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可分為人工保險(xiǎn)和自動(dòng)保險(xiǎn)兩種。人工保險(xiǎn)需要操作者專(zhuān)門(mén)操作解除或恢復(fù)。自動(dòng)保險(xiǎn)不需操作者專(zhuān)門(mén)的操作即可解除或恢復(fù)保險(xiǎn)。

        人工保險(xiǎn)的方式,由操作者提供專(zhuān)門(mén)的動(dòng)作解除或恢復(fù)保險(xiǎn),保險(xiǎn)動(dòng)作可靠、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單?,F(xiàn)代槍械中大多采用這種保險(xiǎn)方式。如國(guó)產(chǎn)92式5.8毫米手槍的第一重手動(dòng)保險(xiǎn),必須手動(dòng)撥動(dòng)保險(xiǎn)桿,才能控制保險(xiǎn)的啟動(dòng)和解除。

        自動(dòng)保險(xiǎn)方式,由保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)某特定物理量的監(jiān)測(cè)以此完成保險(xiǎn)的解除或恢復(fù),不需要操作人員提供額外的動(dòng)作即可完成保險(xiǎn)功能,保險(xiǎn)動(dòng)作迅捷。如美國(guó)柯?tīng)柼毓镜腗1911半自動(dòng)手槍采用的握把保險(xiǎn),當(dāng)射手握住握把,即可壓下連桿解除保險(xiǎn),保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)的是射手是否正確的握住槍的握把。相比人工保險(xiǎn),自動(dòng)保險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的物理量存在被替代或誤判的可能,可靠性略低,通常配合人工保險(xiǎn)共同作用。

        4 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)置

        保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)多數(shù)設(shè)置成串聯(lián)形式和并聯(lián)形式。串聯(lián)形式的保險(xiǎn)即第一重保險(xiǎn)運(yùn)作后方可運(yùn)作下一重保險(xiǎn),這樣更符合操作習(xí)慣以及明確保險(xiǎn)的級(jí)別。并聯(lián)形式的保險(xiǎn)即多重保險(xiǎn)并列存在,操作任一保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)不影響其余保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。該形式更多的是隨著冗余的操作系統(tǒng)出現(xiàn),也有保險(xiǎn)級(jí)別較高或者要求多名人員共同操作的設(shè)備采用并聯(lián)式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),需要兩個(gè)或更多并聯(lián)的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)被同時(shí)啟動(dòng)或解除才能運(yùn)行,如普通的密碼保險(xiǎn)柜,除了使用鑰匙開(kāi)鎖外還必須解除密碼盤(pán)的保險(xiǎn)才能打開(kāi)保險(xiǎn)柜,鑰匙和密碼可以分開(kāi)保管以提高保險(xiǎn)柜級(jí)別。

        串聯(lián)的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)均采用增加操作流程的方式構(gòu)成多重保險(xiǎn),以此提高啟動(dòng)或解除保險(xiǎn)的難度。如某型作動(dòng)裝置,具有保險(xiǎn)按鈕、擊發(fā)按鈕、保險(xiǎn)按鈕外罩有保護(hù)罩。只有先打開(kāi)保護(hù)罩、才能按下保險(xiǎn)按鈕解除保險(xiǎn),然后再按下?lián)舭l(fā)按鈕,裝置方可工作,這就是雙重保險(xiǎn)。如果在保護(hù)罩上設(shè)置鎖具,則增加了一重保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),構(gòu)成三重保險(xiǎn)。

        保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境和設(shè)備誤操作引發(fā)事故的危害程度確定,保險(xiǎn)設(shè)置的重?cái)?shù)越多操作越繁瑣,響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。安裝了保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械裝置同樣存在誤動(dòng)的概率,若觸發(fā)機(jī)構(gòu)的誤操作概率為P1,第一重保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的誤操作概率為P2,第N重保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的誤操作概率為PN,則機(jī)械裝置誤動(dòng)的概率P=P1×P2×……×PN,當(dāng)P值很小時(shí),在統(tǒng)計(jì)學(xué)范疇內(nèi)定義為小概率事件,一次工作中不可能發(fā)生。

        5 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)與自鎖機(jī)構(gòu)的辨析

        5.1 區(qū)別

        保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)容易與具有自鎖功能的主功能機(jī)構(gòu)混淆,兩者均可使機(jī)械裝置保持某種工作狀態(tài)不變,均需提供額外動(dòng)力才能改變當(dāng)前的工作狀態(tài)。但是兩者還是有著本質(zhì)的區(qū)別的。

        1)邏輯控制不同。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)比主功能機(jī)構(gòu)具有更高的控制權(quán),保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)能控制主功能機(jī)構(gòu),主功能機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不能反向控制保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

        2)鎖定狀態(tài)的原理不同。自鎖機(jī)構(gòu)的鎖定原理是F驅(qū)動(dòng)≤F保持,即比較機(jī)構(gòu)中摩擦力、彈簧力、慣性力、重力等多種互相作用力的大小,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力小于保持力的條件成立,機(jī)械裝置即可維持現(xiàn)有狀態(tài)不變;機(jī)構(gòu)的自鎖狀態(tài)被破壞后,通常不會(huì)造成零件損壞。接觸式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的鎖定原理是F驅(qū)動(dòng)/S受力面≤[σ],即對(duì)比鎖銷(xiāo)等保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)零件材料的抗剪、抗拉、抗壓等機(jī)械性能能否承受機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)造成的應(yīng)力。當(dāng)保險(xiǎn)零件的強(qiáng)、剛度足以承受外力時(shí),機(jī)械裝置即可維持現(xiàn)有狀態(tài)不變;機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)狀態(tài)被破壞后,通常會(huì)造成零件損壞。

        3)工作環(huán)境的不同。自鎖功能的機(jī)構(gòu)只能工作在特定的環(huán)境中,否則自鎖狀態(tài)將無(wú)法正常保持。例如靜置在斜面上的滑塊,滿足斜面角度α小于摩擦系數(shù)μ的反正切(α

        5.2 舉例

        根據(jù)以上的分析,以兩個(gè)例子具體說(shuō)明:

        1)如圖3所示的裝置,3號(hào)件搖臂上承載重物的重量,搖臂的運(yùn)動(dòng)由1號(hào)件擺臂通過(guò)2號(hào)件連桿驅(qū)動(dòng)。擺臂只能繞鉸接點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),初始位置過(guò)死點(diǎn)角度為α。

        在靜止的工作環(huán)境中,重物始終向下壓搖臂,重力的分力傳遞至擺臂后,使擺臂有繞鉸接點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì),只要擺臂不繞鉸接點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角,搖臂將始終保持水平位置不動(dòng),整個(gè)機(jī)構(gòu)也處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        當(dāng)裝置的加速度方向發(fā)生變化時(shí),會(huì)出現(xiàn)重物通過(guò)搖臂和連桿驅(qū)動(dòng)擺臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角,破壞機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性的情況。所以圖3所示的裝置只包含具有自鎖功能的主功能機(jī)構(gòu),無(wú)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。

        2)有一種用同一機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的兩個(gè)階段先后解除保險(xiǎn)和驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)形式,見(jiàn)圖4a、4b所示的裝置。

        1號(hào)件主動(dòng)擺臂首先順時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角,通過(guò)7號(hào)件連桿、6號(hào)件搖臂和5號(hào)件連桿使4號(hào)件保險(xiǎn)桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),解除對(duì)3號(hào)件滑塊的制動(dòng),1號(hào)件擺臂繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)2號(hào)件滑塊推動(dòng)3號(hào)件滑塊。

        由于主動(dòng)擺臂能夠驅(qū)動(dòng)保險(xiǎn)桿解除對(duì)滑塊的制動(dòng),同時(shí)也能夠驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng),所以圖4a、4b所示的裝置只包含具有自鎖功能的主功能機(jī)構(gòu),無(wú)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。無(wú)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)鎖定主動(dòng)擺臂的初始狀態(tài),裝置容易誤動(dòng)。

        取消1號(hào)件主動(dòng)擺臂與6號(hào)件搖臂之間的7號(hào)件連桿,見(jiàn)圖4c、4d。3號(hào)件滑塊的運(yùn)動(dòng)則必須先解除4號(hào)件保險(xiǎn)桿的阻擋,再由1號(hào)件主動(dòng)擺臂帶動(dòng)2號(hào)件驅(qū)動(dòng),裝置具有接觸式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用中為了縮短裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)間,解除保險(xiǎn)和提供驅(qū)動(dòng)可以由一個(gè)動(dòng)作的前后兩個(gè)階段分別完成,典型的實(shí)例是奧地利格洛克系列手槍的雙扳機(jī)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),由持槍者用一個(gè)扣扳機(jī)的動(dòng)作,先壓下小扳機(jī)解除保險(xiǎn),再壓下扳機(jī)釋放擊針,擊針在彈簧的驅(qū)動(dòng)下?lián)舭l(fā)彈藥,非常利于持槍者快速射擊。

        6 綜述

        保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在保證機(jī)械裝置安全、穩(wěn)定的工作方面發(fā)揮了巨大的作用。軍用裝備的工作環(huán)境苛刻,對(duì)于安全性、可靠性等具有更高的要求,保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的作用更加不可或缺。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別,無(wú)固定的模式,希望文中分享的觀點(diǎn)能夠?yàn)榧夹g(shù)人員設(shè)計(jì)更加可靠、靈活的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)提供一點(diǎn)思路。

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        作者簡(jiǎn)介:谷萬(wàn)淼(1978-),男,研究方向:航空軍械設(shè)計(jì)。

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