小型船用機械停止開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

張 影，李光輝

（1. 沈陽遼海裝備有限責(zé)任公司，沈陽 110000；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著水聲工業(yè)發(fā)展，越來越多的聲吶設(shè)備需要在水聲試驗站開展水面或水下試驗，為了配合試驗進行，常需要在試驗站甲板上安裝升降機構(gòu)以及伸縮機構(gòu)等，用以完成聲吶設(shè)備的下放、回收以及升降等動作。

升降機構(gòu)以及伸縮機構(gòu)在設(shè)計時，都會在行程的首尾端安裝電子開關(guān)來控制機構(gòu)啟停動作，但隨著實踐經(jīng)驗的不斷累積，電子類開關(guān)存在信號不改變導(dǎo)致機構(gòu)失靈的情況，該情況輕則導(dǎo)致機構(gòu)無法完成規(guī)定動作，重則可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此升降機構(gòu)和伸縮機構(gòu)在運行過程中如何保障安全性和可靠性就顯得十分必要[1]。

針對這一問題，本文設(shè)計了一個小型船用機械停止開關(guān)，安裝在升降機構(gòu)和伸縮機構(gòu)行程的首尾兩端，與傳統(tǒng)電子開關(guān)一起保障系統(tǒng)的安全性和可靠性。當(dāng)機構(gòu)內(nèi)的電子開關(guān)失靈時，機械停止開關(guān)作為整個結(jié)構(gòu)的第二重保障設(shè)備，一旦觸發(fā)時機構(gòu)即在規(guī)定時間內(nèi)有效停止，提高了試驗設(shè)備的安全性，也避免了事故和災(zāi)難的發(fā)生[2]。同時鑒于聲吶設(shè)備試驗場地環(huán)境皆為湖中和海中，該設(shè)計充分考慮了防腐及耐壓性能，使其不但能適應(yīng)霉菌、鹽霧和高低溫等復(fù)雜海洋環(huán)境，也可承受不小于4 MPa的海水壓力，以安全保障其參與設(shè)備的深水作業(yè)。

1 設(shè)計原理

小型機械停止開關(guān)內(nèi)部包含光電開關(guān)，開關(guān)上帶有一定長度的監(jiān)測區(qū)域，初始狀態(tài)監(jiān)測區(qū)域被滑塊遮擋，當(dāng)機構(gòu)運動到指定位置對小型船用停止開關(guān)開始碰撞，帶動內(nèi)部的滑塊離開監(jiān)測區(qū)域，光電開關(guān)向上位機傳遞的電信號發(fā)生改變，上位機立即發(fā)出停止信號控制機構(gòu)停止。

小型船用機械停止開關(guān)帶有防撞設(shè)計及回彈設(shè)計，防撞設(shè)計是指既能承受機構(gòu)的撞擊力，又能避免強撞擊造成的擠壓、磕痕甚至損傷等[3]?；貜椩O(shè)計是指在一次行程結(jié)束后，無需外力的輔助小型機械停止開關(guān)自動復(fù)位。在實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，兼具體積小巧、易于安裝等特點，同時可根據(jù)應(yīng)用場地的要求調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡單易行，以適應(yīng)不同場地的安裝需求[4]。

2 電氣設(shè)計

2.1 電氣原理

在光電開關(guān)底部設(shè)置感應(yīng)區(qū)域，利用滑塊進行遮擋或離開感應(yīng)區(qū)域，借此改變光電開關(guān)的信號狀態(tài)。假設(shè)初始狀態(tài)為滑塊擋住光電開關(guān)感應(yīng)區(qū)域，光電開關(guān)內(nèi)置低電平，此時信號為0，當(dāng)機構(gòu)到達停止位時碰撞滑塊向前運動離開感應(yīng)區(qū)域，此時光電開關(guān)輸出高電平信號由0改變?yōu)?，傳遞給上位機后，控制機構(gòu)運行停止；機構(gòu)反方向運動，滑塊自動復(fù)位，光電開關(guān)感應(yīng)區(qū)域重新被滑塊遮擋，此時光電開關(guān)信號由1變?yōu)?，整個停止開關(guān)復(fù)位，等待下一次的啟動[5]。

圖 1 光電開關(guān)電氣原理圖

2.2 光電開關(guān)選型

根據(jù)小型船用機械停止開關(guān)需要實現(xiàn)的功能，并考慮安裝要素，最終選取CBKG3407型光電開關(guān)，5 V電壓源供電，感應(yīng)區(qū)域不擋光時輸出高電平，擋光時輸出低電平。外殼材質(zhì)選用鋁合金并進行發(fā)黑處理，引出端為Φ0.8 mm高溫導(dǎo)線[6]。光電開關(guān)的參數(shù)見表1。

表 1 光電開關(guān)電氣參數(shù)

每個停止開關(guān)內(nèi)設(shè)計有1只光電開關(guān)，底端共有兩個固定點，利用螺釘固定，導(dǎo)線從頂端引出，共有3根引出線，其外形及接線定義見圖2。

圖2 光電開關(guān)外形及接線定義

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)小型船用機械停止開關(guān)需要實現(xiàn)的功能，結(jié)合使用工況，整體結(jié)構(gòu)外形設(shè)計成腔體，并具有一定的機械強度，以免受到撞擊時損壞。小型船用機械停止開關(guān)主要由以下幾部分組成：滑桿、插座、腔體、腔體上蓋、光電開關(guān)、壓簧、圓臺、滑塊以及固定座這幾個部件組成，其組成示意見圖3。

圖3 小型停止開關(guān)組成示意圖

光電開關(guān)固定在腔體底座一側(cè)，滑道外形與光電開關(guān)外形相同，內(nèi)部設(shè)計同樣尺寸凹槽，固定在光電開關(guān)對側(cè)，便于滑塊從中間穿過?；瑝K一端置入光電開關(guān)，另一端置入滑道內(nèi)，同時穿過并固定安裝在滑桿上，當(dāng)滑桿運行時帶動滑塊在光電開關(guān)和滑道內(nèi)運動，用來觸發(fā)光電開關(guān)?；瑝K在原始位時，光電開關(guān)監(jiān)測區(qū)域被遮擋，當(dāng)圓臺被撞擊時，帶動滑桿、滑塊一起向上運動，監(jiān)測區(qū)域沒有遮擋物，借此改變光電開關(guān)的輸出信號狀態(tài)。光電開關(guān)的3根引出線沿著腔體的內(nèi)壁經(jīng)由插座與上位機連接[7]。

為了保證小型機械停止開關(guān)不被撞壞，且能夠在受到撞擊之后可以自動復(fù)位，在設(shè)計時，選用了壓簧為圓臺-滑桿-滑塊復(fù)位提供驅(qū)動力：當(dāng)機構(gòu)撞擊滑桿時，位于滑桿和腔體上蓋之間的壓簧受壓回縮，同時也避免滑桿直接撞擊腔體上蓋，保證了整體機構(gòu)的安全性；機構(gòu)反向運動時，滑桿在壓簧的作用下恢復(fù)原位，同時安裝在滑桿上的2個固定座跟隨向下運動并約束不超出下限位并保持滑桿平衡?；瑮U、滑塊以及固定座的安裝方式見圖4。

全詩敘述、描寫、想象、抒情等手法并駕齊驅(qū)，將繁華和落寞互為映照，詩人沒有知遇明主，理想落空，決心追尋隱居山林的商山四皓，隱居的典故表白了志向和情意。

圖4 滑桿、滑塊以及固定座的安裝方式

結(jié)合以上論述，光電開關(guān)和滑道可保持滑塊沿著一定軌跡上下垂直運動，壓簧、固定座保證滑塊每次被頂出后完成復(fù)位，以上初始的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了小型機械停止開關(guān)基本功能的實現(xiàn)。

3.2 密封設(shè)計

由于小型船用機械停止開關(guān)所處的工作環(huán)境為水聲試驗站，所處環(huán)境存在海水、鹽霧以及高低溫等干擾因素，因此整個腔體設(shè)計成密封的形式。密封選用O型橡膠圈，材料為丁腈橡膠，具有較高的彈性塑變及寬的工作溫度范圍。為保證光電開關(guān)的安全性，每一處密封都設(shè)計有2道密封，提高整個設(shè)備密封的可靠性，防止電子開關(guān)接觸到海水后受損[8-9]。

在小型船用機械停止開關(guān)中，共設(shè)計有4處密封，皆為徑向密封。其中，滑桿穿過腔體上下各1處，腔體上蓋與腔體之間1處，插座與腔體上蓋1處。

3.3 安裝方式

小型船用機械停止開關(guān)安裝在物體前進的行程末端。可采用坐底安裝或壁掛安裝的方式，將其安裝在預(yù)定位置處。為便于安裝，多采用螺釘固定方式，可根據(jù)安裝空間大小以及強度需求，選取合適的螺釘規(guī)格，同時也可調(diào)整腔體的形狀以適應(yīng)現(xiàn)場安裝。

4 材料選擇

4.1 腔體材料選擇

小型船用機械停止開關(guān)由很多零組件構(gòu)成，根據(jù)功能的不同，各零組件選用的材料不同。

滑桿、圓臺、插座、腔體以及腔體上蓋作為外殼，需要較高的機械強度及防腐性能，可選取材料有不銹鋼、鈦合金，圓臺可表面硫化一層橡膠，可起到減震效果；腔體內(nèi)部的零件，比如滑塊、固定座、滑道等處于腔體內(nèi)，對機械強度要求不高，也不需要防腐性能，因此選用鋁合金即可。

以上幾種材料的材料力學(xué)性能見表2。

表2 幾種材料力學(xué)性能表

4.2 壓簧計算及試驗驗證

由于小型船用機械停止開關(guān)需要壓簧實現(xiàn)回彈，且壓簧的形變難以預(yù)測，因此簡化了此處的設(shè)計：僅將壓簧套在滑桿上端，并落在滑桿圓形凸臺上，既限制了彈簧的空間，又留有一定的自由度[7]。根據(jù)滑桿的尺寸以及凸臺距離腔體上蓋內(nèi)部的尺寸，選取的壓簧中徑為16 mm，長度13 mm，壓簧選用專用彈簧鋼65Mn制成，根據(jù)經(jīng)驗公式進行選取彈簧直徑。

壓縮彈簧計算公式為

式中：k為彈簧系數(shù)，N/mm；G為剪切彈性模量，取值為197 000；d為彈簧直徑，mm；n為有效圈數(shù)；D為彈簧中徑。

彈簧被壓縮后，需要靠壓簧的壓力，將其彈回到初始位置?？紤]到O型圈的摩擦阻力，預(yù)設(shè)壓簧回彈壓力F=40 N，壓縮距離3 mm，彈簧中徑D=16 mm，有效圈數(shù)n=5，計算得出彈簧直徑d=1.9 mm。

但實際工況中，撞擊力大小不同，選取了幾種直徑不同規(guī)格的壓簧，壓縮彈簧距離為3 mm時，利用壓力計做壓力試驗，并做好記錄，數(shù)據(jù)見表3。

表3 壓簧不同規(guī)格直徑壓力大小

經(jīng)過幾次測試，由于滑桿上共有4道軸向密封的緣故，橡膠與金屬桿件之間存在摩擦力，試驗中壓力約為23 N時無法回彈到原位；壓力約為31 N時，回彈較為緩慢，如若滑桿沒有出現(xiàn)顫動等情況，滑塊可以緩慢的回彈到光電開關(guān)與滑道的凹槽內(nèi)，如若在回彈過程中，出現(xiàn)滑桿出現(xiàn)顫動的情況，滑塊會落在凹槽邊沿被卡住，甚至出現(xiàn)無法下落的情況；壓力約為50 N時，滑桿可以快速的落回原位，即使有震動的情況，也沒有被卡?。粔毫s為65 N甚至72 N時，滑桿會迅速的回彈原位發(fā)出聲響，判斷是回彈力較大所致，這種情況擔(dān)心會對光電開關(guān)造成損傷。綜合以上情況，選取了直徑為2 mm的壓簧。以直徑為2 mm的壓簧為例，其材料性能參數(shù)見表4。

表4 彈簧參數(shù)

同時將光電開關(guān)及滑道的形狀進行了優(yōu)化設(shè)計，將凹槽的寬度增加2 mm，滑塊的厚度減小了2 mm，這樣滑行的縫隙又增加了4 mm，避免發(fā)生滑塊卡住或者光電開關(guān)損傷的情況。

5 仿真分析

當(dāng)機構(gòu)急停時，會首先撞擊小型船用機械停止開關(guān)的圓臺，考慮到整體機構(gòu)的安全性，對小型船用機械停止開關(guān)的整體強度有一定的要求，否則結(jié)構(gòu)強度太低，當(dāng)機構(gòu)急停時，出于慣性力的作用會造成損壞，進而影響整個機構(gòu)的運行。且由于彈簧開關(guān)需要反復(fù)運行，同時需要進行疲勞分析[1,7]。

5.1 強度分析

利用ANSYS Workbench軟件。按照設(shè)計工況，機構(gòu)的重量為100 kg，在行程中，物體運動速度為0.1 m/s，傳感器響應(yīng)時間為0.02 s，根據(jù)動量守恒：

計算得出：F=500 N。

根據(jù)以上計算結(jié)果，圓臺需要承受500 N大小的沖擊力。以這一條件作為初始條件，在圓臺下表面施加載荷F=500 N，設(shè)置腔體下表面為固定面，利用瞬態(tài)響應(yīng)模塊，最終分析結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 停止開關(guān)位移變形圖

圖6 停止開關(guān)應(yīng)力分布圖

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，在受到500 N力的撞擊下，滑桿的位移約為4 mm，足以觸發(fā)行程開關(guān)啟動，同時圓臺底部最大應(yīng)力為3.6 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。此小型船用機械停止開關(guān)的設(shè)計符合使用要求。

5.2 疲勞分析

對小型船用開關(guān)進行疲勞分析，設(shè)置疲勞強度因子Kf=0.8，主要進行應(yīng)力壽命分析，選用goodman平均應(yīng)力理論，最終計算出的壽命和損壞見圖7。

圖7 疲勞分析云圖

由圖7可知，該小型船用開關(guān)壽命接近無限，只要正常工況內(nèi)使用，操作規(guī)范，該設(shè)備可一直使用。但考慮到海邊鹽霧及海水腐蝕環(huán)境，建議整機設(shè)備一起檢修時，可更換壓簧。

6 試驗驗證

在后續(xù)某型聲吶設(shè)備在試驗過程中，安裝了該型小型船用停止開關(guān)，以防止回收出現(xiàn)機構(gòu)脫軌從而損壞設(shè)備。小型船用機械停止開關(guān)安裝在金屬板上，下方是收擴機構(gòu)。安裝時在金屬板面預(yù)加工一個直徑超過滑桿的圓孔，將腔體坐落在金屬面板上，圓臺可越過金屬面板在另一面安裝，其安裝形式見圖8。

圖8 小型停止開關(guān)實際安裝圖

經(jīng)過多次實際驗證，小型船用機械停止開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)收擴機構(gòu)的停止功能，且內(nèi)部沒有海水灌入，光電開關(guān)性能不受影響，滿足實際使用的要求。

7 結(jié)論

聲吶設(shè)備在試驗時，需要升降機構(gòu)和收擴機構(gòu)配合試驗，考慮到這2種設(shè)備的可靠性及安全性，借用三維軟件和仿真軟件設(shè)計了一種小型船用水下機械停止開關(guān)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)升降機構(gòu)以及伸縮結(jié)構(gòu)的急停，同時可耐海水、鹽霧等復(fù)雜海洋環(huán)境。經(jīng)過實際工程驗證，該小型船用水下機械停止開關(guān)可實現(xiàn)機構(gòu)的停止功能，滿足實際使用要求。