一種自鎖式艙門的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

劉 濤

(中國船舶集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

目前，艙門結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用在艦載設(shè)備中，如艦船通道的啟閉、某型發(fā)射裝置艙口蓋的啟閉等，是船舶上的重要組成部分之一[1]。大多數(shù)的艙門采用電機(jī)或機(jī)械擋塊的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行艙門開關(guān)狀態(tài)的控制，如采用電機(jī)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)艙門的啟閉并通過電機(jī)的自鎖實現(xiàn)艙門的鎖定；或手動開啟艙門并通過機(jī)械擋塊進(jìn)行限位鎖定艙門角度，關(guān)閉艙門時需進(jìn)行手動解鎖后才能關(guān)閉艙門。目前的艙門結(jié)構(gòu)在日常使用和維護(hù)中主要存在以下問題：1）電機(jī)結(jié)構(gòu)主要存在成本高，結(jié)構(gòu)占用空間大，維保成本高；2）機(jī)械擋塊結(jié)構(gòu)主要存在艙門開啟角度恒定，無法在多種角度下鎖定艙門，艙門解鎖較為不便。針對以上問題，本文以艙門為研究對象，設(shè)計開發(fā)一種自鎖式艙門[2-5]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用棘輪機(jī)構(gòu)自鎖原理實現(xiàn)艙門多角度開啟和鎖定功能，通過自鎖解鎖機(jī)構(gòu)實現(xiàn)棘輪機(jī)構(gòu)解鎖即實現(xiàn)艙門關(guān)閉功能。

1.1 整體結(jié)構(gòu)

如圖1和圖2所示，該艙門主要由基座、轉(zhuǎn)臂、艙門、端蓋、提手、棘輪、自鎖解鎖機(jī)構(gòu)、扭簧、棘爪、端蓋螺釘、限位柱、碰塊A、平鍵和碰塊B等組成?；鶠榕撻T提供旋轉(zhuǎn)中心和固定機(jī)體，轉(zhuǎn)臂與艙門通過連接螺栓安裝在基座上，艙門上設(shè)計有提手用于艙門的啟閉。棘輪安裝在轉(zhuǎn)臂上并通過平鍵傳遞扭矩從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)帶動棘輪轉(zhuǎn)動，扭簧用于實現(xiàn)棘爪的復(fù)位功能?；鶅?nèi)壁安裝有自鎖解鎖結(jié)構(gòu)并通過碰塊A和碰塊B實現(xiàn)自鎖解鎖結(jié)構(gòu)對棘爪的鎖定和釋放功能，從而實現(xiàn)艙門啟閉時的自鎖和解鎖的功能。

1.2 自鎖解鎖機(jī)構(gòu)

自鎖解鎖機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)對棘爪的鎖定和釋放功能，從而實現(xiàn)艙門啟閉時的自鎖和解鎖功能，其主要由殼體、扭簧、鎖鉤、導(dǎo)軌面、壓桿、拉桿、壓簧、導(dǎo)向柱和鋼球等組成。其中，殼體為自鎖解鎖機(jī)構(gòu)提供安裝接口；導(dǎo)軌面安裝在殼體上，其內(nèi)表面設(shè)計有階梯差和凹槽，分別為導(dǎo)向柱的移動提供路徑約束和鎖定點；導(dǎo)向柱內(nèi)的鋼球利于減少導(dǎo)向柱與導(dǎo)軌面之間的摩擦力并實現(xiàn)限位功能；壓簧和扭簧用于實現(xiàn)壓桿和鎖鉤的復(fù)位功能。

圖1 艙門總體結(jié)構(gòu)組成圖Fig.1 Overall structural composition of cabin door

圖2 艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成圖Fig.2 Interior structural composition of cabin door

圖3 自鎖解鎖機(jī)構(gòu)組成圖Fig.3 Composition diagram of self-locking and unlocking mechanism

2 工作原理

2.1 艙門開啟工作原理

將艙門沿旋轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動開啟，艙門上的轉(zhuǎn)臂棘輪轉(zhuǎn)動，艙門開啟至一定角度時（約45°），棘輪機(jī)構(gòu)中棘爪在扭簧的作用下與棘輪上的輪齒配合，實現(xiàn)艙門順時針旋轉(zhuǎn)鎖定功能（即艙門只能順時針開啟，不能逆時針關(guān)閉）。同時，棘輪上設(shè)計有多個輪齒，可實現(xiàn)艙門多角度開啟和順時針旋轉(zhuǎn)鎖定功能。圖4為艙門開啟的最大角度約90°時的狀態(tài)示意圖。

圖4 艙門開啟鎖定狀態(tài)Fig.4 Cabin door open lock status

2.2 艙門關(guān)閉工作原理

當(dāng)需要關(guān)閉艙門時，首先將艙門逆時針旋轉(zhuǎn)約20°，棘輪上的碰塊A碰觸棘爪旋轉(zhuǎn)并推動自鎖解鎖機(jī)構(gòu)中的壓桿下移，壓桿帶動鎖鉤轉(zhuǎn)動并將棘爪限位，此時棘爪與棘輪上的輪齒脫離，棘輪可自由轉(zhuǎn)動，即艙門處于解鎖狀態(tài)（見圖5），可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)關(guān)閉操作。艙門關(guān)閉至一定角度時（約25°），碰塊B碰觸棘爪旋轉(zhuǎn)并推動自鎖解鎖機(jī)構(gòu)中的壓桿復(fù)位并解鎖（見圖6），棘爪在扭簧的作用下復(fù)位，在再次開啟艙門時仍可實現(xiàn)艙門的自鎖功能。

圖5 艙門解鎖狀態(tài)Fig.5 Cabin door unlocked

圖6 艙門復(fù)位Fig.6 Cabin door reset

2.3 自鎖解鎖機(jī)構(gòu)工作原理

在關(guān)閉艙門時，先將艙門逆時針旋轉(zhuǎn)約20°（見圖5）至棘輪上的碰塊A碰觸限位柱（此時艙門到達(dá)最大開啟角度），棘輪上的碰塊A推動自鎖解鎖機(jī)構(gòu)中的壓桿，壓桿帶動拉桿在導(dǎo)向柱和鋼球的導(dǎo)向下沿

著導(dǎo)軌面上尖點A位置的左側(cè)移動（見圖7），壓桿由初始狀態(tài)（圖8（a）所示位置）移動至如圖8（b）所示位置，壓桿同時帶動鎖鉤旋轉(zhuǎn)。然后將艙門關(guān)閉，艙門帶動棘輪順時針轉(zhuǎn)動，棘爪在扭簧作用下復(fù)位，壓桿在壓簧作用下復(fù)位并帶動拉桿向上移動，導(dǎo)軌面內(nèi)設(shè)置有階梯差，并在導(dǎo)向柱內(nèi)裝有壓簧和鋼球。壓桿在導(dǎo)向柱和鋼球的作用下沿著導(dǎo)軌面移動至圖8（c）所示位置，實現(xiàn)壓桿位置鎖定并固定鎖鉤旋轉(zhuǎn)角度，此時鎖鉤將棘爪鎖定，棘爪與棘輪上的輪齒脫離，棘輪可自由轉(zhuǎn)動，艙門解鎖并可順時針關(guān)閉。

圖7 導(dǎo)軌面結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structural drawing of guide surface

圖8 自鎖解鎖機(jī)構(gòu)工作原理圖Fig.8 Working principle diagram of self-locking and unlocking mechanism

當(dāng)艙門旋轉(zhuǎn)至約25°時（見圖6），棘輪上的碰塊B推動自鎖解鎖機(jī)構(gòu)中的壓桿，壓桿帶動拉桿在導(dǎo)向柱和鋼球的導(dǎo)向下沿著導(dǎo)軌面上尖點B右側(cè)（見圖7）移動至圖8（d）所示位置，自鎖解鎖機(jī)構(gòu)中的壓桿解鎖，在艙門關(guān)閉的同時，壓桿在壓簧作用下復(fù)位并帶動拉桿向上移動至初始狀態(tài)（圖8（a）所示位置），鎖鉤在扭簧的作用下復(fù)位至初始狀態(tài)（圖8（a）所示位置），棘爪在扭簧作用下復(fù)位至初始狀態(tài)。

3 關(guān)重件強(qiáng)度校核

在本自鎖式艙門機(jī)構(gòu)中，棘爪為艙門實現(xiàn)自鎖和解鎖功能的關(guān)重件，因此，本文對該零件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。棘爪的材料選用Q235低碳鋼，屈服強(qiáng)度235 MPa，抗拉強(qiáng)度370 MPa，抗剪強(qiáng)度141 MPa[6]，結(jié)構(gòu)尺寸如圖9所示。

圖9 棘爪結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.9 Structure size drawing of pawl

3.1 受力分析

在本艙門結(jié)構(gòu)中，棘爪的主要功能是實現(xiàn)艙門自鎖。艙門在一定角度開啟并鎖定時，以艙門重心位置為力作用點，豎直向下為力的方向，艙門重心位置至艙門旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離L為力臂，在艙門重力F作用下產(chǎn)生艙門轉(zhuǎn)動的力矩M。為實現(xiàn)艙門自鎖功能，棘爪限制艙門轉(zhuǎn)動并承載旋轉(zhuǎn)力矩，艙門受力情況如圖10所示。

圖10 艙門受力分析圖Fig.10 Force analysis diagram of cabin door

采用Creo三維軟件進(jìn)行三維建模，并對該方案中的零部件添加材料屬性進(jìn)行重量測量，測量結(jié)果如表1所示。

力矩計算公式為：

式中：M為力矩；F為力；L為力臂。

在艙門開啟至45°時，艙門重力產(chǎn)生的力矩最大，即棘爪受到的作用力最大，因此以該狀態(tài)進(jìn)行受力校核計算。根據(jù)表1的計算結(jié)果艙門組件的總重量為95.858 kg，為便于計算將其圓整為96 kg。通過三維實體模型測量，艙門重心位置至艙門旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離為370.2 mm，因此艙門重力產(chǎn)生的最大力矩為：

表1 主要零部件重量Tab.1 Weight of major components

式中：F為艙門重力；L1為艙門重心位置至艙門旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離。

同樣，根據(jù)《材料力學(xué)》中力矩計算公式（式（1））可推導(dǎo)出棘爪受到的最大力Fmax為：

式中：L2為棘爪對稱中心線至艙門旋轉(zhuǎn)中心垂直距離。

根據(jù)《材料力學(xué)》可知，其抗壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可用式（2）進(jìn)行計算和校核[7]。

式中：k為安全因數(shù)；F為棘爪承受載荷；A為棘爪截面面積； σ 為許用壓應(yīng)力。

棘爪最小截面面積通過Creo三維建模軟件對三維實體模型進(jìn)行測量，最小截面面積為為52.1 mm2。

則：

經(jīng)對棘爪進(jìn)行理論計算強(qiáng)度校核，在安全系數(shù)為2的情況下，最大應(yīng)力為317.1 MPa，小于許用應(yīng)力370 MPa，可滿足設(shè)計使用要求。

3.2 有限元分析

為驗證理論計算的正確性，普遍采用有限元方法進(jìn)行校核[8]。本文采用Creo Simulate對棘爪進(jìn)行有限元仿真分析。通過對棘爪分別添加材料、約束和載荷，得到有限元模型[9]（具體過程不再一一贅述），最后對棘爪的有限元模型進(jìn)行靜態(tài)分析，得到相對應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變情況，結(jié)果如圖11和圖12所示。

通過仿真分析，棘爪的最大應(yīng)力為323.9 MPa，小于屈服強(qiáng)度370 MPa，且變形量較小，在規(guī)定工況下不會發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，滿足設(shè)計使用要求。

3.3 對比分析

分別使用理論計算和Creo Simulate仿真分析的方法對通用棘爪進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計算校核，分析結(jié)果表明，仿真結(jié)果與理論計算基本一致，棘爪的強(qiáng)度和剛度能夠滿足工作的要求。

圖11 棘爪應(yīng)力圖Fig.11 Pawl stress diagram

圖12 棘爪應(yīng)變圖Fig.12 Pawl strain diagram

4 結(jié) 語

本文以艙門為研究對象，設(shè)計開發(fā)了一種自鎖式艙門，該艙門通過棘輪和棘爪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)艙門開啟后的鎖定，采用自鎖解鎖機(jī)構(gòu)和碰塊將棘爪限位自鎖實現(xiàn)艙門關(guān)閉時的解鎖，同時使用自鎖解鎖機(jī)構(gòu)和碰塊將棘爪復(fù)位解鎖實現(xiàn)艙門自鎖結(jié)構(gòu)的復(fù)位，并對其結(jié)構(gòu)原理和受力情況進(jìn)行分析研究，通過理論計算對關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，完成了艙門的結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用Creo三維軟件進(jìn)行三維實體建模，并使用Creo Simulate對關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度剛度仿真分析，仿真結(jié)果驗證了理論計算的正確性。通過理論計算和仿真分析驗證了所設(shè)計的自鎖式艙門的可行性，能夠滿足艙門多角度開啟和自鎖解鎖的工作要求。