機(jī)械裝置的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)概論

谷萬淼 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)帶來一定困惑。本文根據(jù)機(jī)械裝置中比較常見的幾種保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)形式，著重研究了其工作原理和類型，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)過程中可能發(fā)生偶然作動(dòng)或過早作動(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)，如車輛的門鎖，能有效保證車門在車輛行駛中不因顛簸、轉(zhuǎn)向等因素影響而誤開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)銷類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，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)開關(guān)，主動(dòng)機(jī)構(gòu)也因?yàn)槿鄙衮?qū)動(dòng)而無法正常工作。

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，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)需要操作者專門操作解除或恢復(fù)。自動(dòng)保險(xiǎn)不需操作者專門的操作即可解除或恢復(fù)保險(xiǎn)。

人工保險(xiǎn)的方式，由操作者提供專門的動(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。如美國柯爾特公司的M1911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，除了使用鑰匙開鎖外還必須解除密碼盤的保險(xiǎn)才能打開保險(xiǎn)柜，鑰匙和密碼可以分開保管以提高保險(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)，無保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。

2）有一種用同一機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的兩個(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)，無保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。無保險(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)千差萬別，無固定的模式，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：谷萬淼（1978-），男，研究方向：航空軍械設(shè)計(jì)。