可展結(jié)構(gòu)的鎖定裝置研究

李美娜，孫燦，蔣卓淵，葉華，李果明，陳滿

（宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

可展結(jié)構(gòu)是一種新型的工程結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)從完全折疊狀態(tài)到完全展開狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在折疊狀態(tài)下結(jié)構(gòu)可以收攏成較小尺寸形狀，并且在外置或內(nèi)置驅(qū)動(dòng)力的作用下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)展開，以獲得外形尺寸的成倍增大。目前，可展結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域[1-4]、醫(yī)療領(lǐng)域、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域[5-7]，其出色的收納率在未來有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，隨著對(duì)可展結(jié)構(gòu)的不斷深入研究和應(yīng)用，其安全性問題一直備受關(guān)注。因?yàn)榭烧菇Y(jié)構(gòu)在展開后易受到水平及垂直方向的震動(dòng)，導(dǎo)致在合攏處無法緊密連接，從而造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因此可展結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用上存在一定的安全隱患。鎖定裝置可以增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，對(duì)可展結(jié)構(gòu)鎖定裝置的研究可增加該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。

本文探索了六種可展結(jié)構(gòu)鎖定裝置，將這些裝置安裝于可展結(jié)構(gòu)的連接處，在可展結(jié)構(gòu)展開后進(jìn)行鎖定，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并通過鎖定裝置受力原理的研究，進(jìn)而說明鎖定的有效性和可靠性。

2 可展結(jié)構(gòu)鎖定裝置的原理及應(yīng)用

鎖定裝置是對(duì)兩個(gè)分開構(gòu)件進(jìn)行合并鎖定的一種重要裝置，可應(yīng)用于可展結(jié)構(gòu)的鎖定裝置，主要有基于過中心原理的鎖定裝置、基于對(duì)稱鎖扣的鎖定裝置、基于凸輪機(jī)構(gòu)的鎖定裝置、基于螺紋自鎖的鎖定裝置、基于棘輪結(jié)構(gòu)的鎖定裝置和基于L 型鎖緊結(jié)構(gòu)的鎖定裝置等。

2.1 基于過中心原理的鎖定裝置

常見的基于過中心原理的鎖定裝置主要由主動(dòng)件、從動(dòng)件和連桿組成，如圖1 所示，其中AB 為主動(dòng)件、CD 為從動(dòng)件、BD 為連桿。AB 桿件可以繞A 點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，CD 桿件可以繞C 點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。AB 桿件在實(shí)際應(yīng)用中可以連接手柄進(jìn)行主動(dòng)控制，CD 桿在實(shí)際應(yīng)用中一般為鉤鎖或者插銷，用于與其他機(jī)構(gòu)配合完成鎖定過程。圖1（a）為基于過中心原理的正裝平面四連桿裝置，該裝置的鎖定原理為主動(dòng)件AB 桿向AM 位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過BD 連桿帶動(dòng)從動(dòng)件CD 桿向CN位置運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中AB桿件會(huì)經(jīng)過AE位置，此時(shí)CD 桿件位于CF位置，由于在該位置AE 和EF 共線，所以稱該位置為過中心位置。該裝置的最終鎖定狀態(tài)為AMNC 位置，此時(shí)如果從動(dòng)桿受到外力作用并且有向外解鎖的趨勢(shì)時(shí)，在示意圖上表示為從動(dòng)件CN 運(yùn)動(dòng)到CF 位置，此時(shí)CD 從動(dòng)桿所受到的力對(duì)主動(dòng)件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，主動(dòng)件AB 不再朝外運(yùn)動(dòng)，也稱AEFC 位置為該機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。圖1（b）為基于過中心原理的反裝平面四連桿裝置，其過中心鎖定原理與正裝裝置類似，過中心位置為AEFC，鎖定位置為AMNC。

圖1 基于過中心鎖定原理的鎖定裝置示意圖

該種鎖定裝置可以用于可展結(jié)構(gòu)合攏處的鎖緊。在可展結(jié)構(gòu)合攏處一端安裝手柄和主動(dòng)件的軸點(diǎn)即圖1 中的A點(diǎn)，另一端安裝鎖定柱以便與從動(dòng)件配合完成鎖定。當(dāng)可展結(jié)構(gòu)展開到達(dá)預(yù)期鎖定位置后，先通過手柄轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)件，再通過連桿帶動(dòng)從動(dòng)件與鎖定柱鎖定，這樣就完成了鎖定過程。由于在裝置鎖定狀態(tài)下，當(dāng)從動(dòng)件受到意外載荷朝解鎖方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝置會(huì)運(yùn)動(dòng)到其死點(diǎn)位置，此時(shí)意外載荷對(duì)主動(dòng)件的力矩為零，裝置不再朝解鎖方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)[8]，因此可展結(jié)構(gòu)的兩端可以被有效地鎖定。

2.2 基于對(duì)稱鎖扣的鎖定裝置

常見的對(duì)稱鎖扣裝置如圖2（a）所示，其主要由鎖緊桿1、扳緊桿2、鎖緊彈簧3 及固定底座構(gòu)成。該裝置中鎖緊桿和扳緊桿的形狀和結(jié)構(gòu)一樣，分別安裝在機(jī)架兩邊，通過鎖緊彈簧連接[9]，一側(cè)扳緊桿向外側(cè)扳動(dòng)就會(huì)帶動(dòng)另一側(cè)鎖緊桿沿配合位置滑動(dòng)，并完成鎖緊動(dòng)作。需要注意的是鎖緊桿和扳緊桿配合的位置需要做成圓弧，方便滑動(dòng)。這種裝置特點(diǎn)是扳緊桿和鎖緊桿都可以起到鎖緊和扳緊的作用，兩個(gè)桿可作用互換，實(shí)現(xiàn)反向鎖緊。

圖2 對(duì)稱鎖扣裝置示意圖

該裝置加裝插銷后可用作可展結(jié)構(gòu)鎖定裝置，如圖2（b）所示，該裝置可通過固定底座固定在可展結(jié)構(gòu)的一端，其桿1 與插銷4 組合作為可展結(jié)構(gòu)的鎖緊部分，扳緊桿1 向外側(cè)扳動(dòng)，插銷4 進(jìn)入可展結(jié)構(gòu)的另一側(cè)鎖定孔內(nèi)，同時(shí)鎖緊彈簧3 帶動(dòng)鎖緊桿2 滑動(dòng)，完成鎖定過程；解鎖時(shí)，鎖緊桿2 向外側(cè)扳動(dòng)，鎖緊彈簧3 帶動(dòng)桿1 和插銷4 從鎖定孔內(nèi)滑出，從而完成解鎖過程。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)可展結(jié)構(gòu)的快速鎖定。

2.3 基于凸輪機(jī)構(gòu)的鎖定裝置

常見的基于凸輪機(jī)構(gòu)的鎖定裝置如圖3所示。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)1向下壓時(shí)，突出的結(jié)構(gòu)2 會(huì)對(duì)連桿4 產(chǎn)生一個(gè)向兩側(cè)的推力，如圖3(b)所示。連桿向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，帶給彈簧5 一個(gè)壓力使得彈簧壓縮，上部結(jié)構(gòu)1 繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)連桿沒有推力時(shí)，彈簧恢復(fù)并帶動(dòng)連桿向中間運(yùn)動(dòng)，剛好與突出的結(jié)構(gòu)2 的上邊緣卡住。如圖3(c)所示，此時(shí)上部結(jié)構(gòu)1被鎖定住。

圖3 凸輪機(jī)構(gòu)的鎖定裝置示意圖

由于凸輪機(jī)構(gòu)的鎖定裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于單一方向上伸展的可展結(jié)構(gòu)合攏處。

2.4 基于螺紋自鎖的鎖定裝置

常見的螺紋自鎖裝置由插座1、牙套2、齒套3、插頭4、螺母5 組成，其基本原理如圖4 所示。法蘭盤上安裝固定有插座1 和牙套2，在插頭4 殼體上安裝固定有齒套3和螺母5，在插頭和插座完成插合后，驅(qū)動(dòng)螺母5提供動(dòng)力使齒套3和牙套2相互嚙合，完成自鎖。

該裝置鎖定的具體過程為旋合螺母將插座1 和插頭4 由最初的分離狀態(tài)變?yōu)檩S向插合狀態(tài)，牙套2和齒套3逐漸嚙合，當(dāng)插座1 和插頭4 插合完成后，牙套2 和齒套3 完成嚙合，達(dá)到螺紋鎖死狀態(tài)，若想解除鎖定狀態(tài)，只需反向旋擰螺母即可[10]。

該裝置在可展結(jié)構(gòu)中用于端部或連接件的鎖定：將插座1和插頭4分別固定于可展機(jī)構(gòu)的兩端，其中插座1 和可展機(jī)構(gòu)一端構(gòu)成固定端，插頭4 和另一端組成鎖定端；當(dāng)可展結(jié)構(gòu)展開時(shí)，插座1和插座4處于分離狀態(tài)，只需將螺母5旋和，讓插頭3 向插座1 軸向進(jìn)給，當(dāng)插座1 和插頭3 完成插合時(shí)，牙套2 合齒套3也完成嚙合鎖緊，達(dá)到可展結(jié)構(gòu)鎖定的目的。同理，需要解鎖可展結(jié)構(gòu)時(shí)，僅需反向旋轉(zhuǎn)螺母5，使插頭3向后軸向運(yùn)動(dòng)即可完成解鎖。

該裝置雖然機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、輕盈便攜，但不易安裝，并且其提供的鎖緊力較小，不可應(yīng)用于可展結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承重部位。

2.5 基于棘輪結(jié)構(gòu)的鎖定裝置

棘輪結(jié)構(gòu)是一種只允許在一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置，它由棘輪和棘爪兩個(gè)部分組成，當(dāng)其向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，棘爪會(huì)隨著棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)在棘輪上滑動(dòng)，但是如果方向相反，棘爪便會(huì)抵在棘輪上阻止裝置的運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到鎖定的目的。為了確保棘輪和棘爪保持充分接觸，可以在棘爪后端上加裝彈簧。

圖5 是一種外嚙合式棘輪機(jī)構(gòu)，該裝置可用作可展結(jié)構(gòu)鎖定裝置，可將軸點(diǎn)3 安裝到可展結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，它由搖桿2、主動(dòng)棘爪1、棘輪4、止回棘爪6 和彈簧5 組成。當(dāng)棘輪向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)（可展結(jié)構(gòu)展開）時(shí)，主動(dòng)棘爪1 抵在棘輪邊緣帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)止回棘爪6在棘輪上滑動(dòng)。當(dāng)棘輪向順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)（可展結(jié)構(gòu)合攏）時(shí)，主動(dòng)棘爪1 和止回棘爪6 同時(shí)抵在棘輪邊緣阻止其運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到鎖定的效果。當(dāng)可展結(jié)構(gòu)需要解鎖時(shí)，可通過手動(dòng)等方法撥開主動(dòng)棘爪1和止回棘爪6，從而達(dá)到解鎖的目的。

2.6 基于L型鎖緊結(jié)構(gòu)的鎖定裝置

L 型鎖緊結(jié)構(gòu)的鎖定裝置關(guān)鍵部件鎖緊桿為L(zhǎng) 型，其頭部為可握手柄，桿件中部帶有扳緊桿與擋塊1，尾部連接鎖緊彈簧。在機(jī)架面板上設(shè)置有擋塊2、擋塊3，擋塊2在鎖緊時(shí)與扳緊桿凹槽扣合，擋塊3 在非鎖緊狀態(tài)下控制著鎖緊桿的停留位置。通過鎖緊桿施加一個(gè)力將扳緊桿與擋塊2 扣合實(shí)現(xiàn)鎖緊。解鎖則是通過給扳緊桿的尾部扳機(jī)施加壓力，使扳緊桿與擋塊2 脫離，在鎖緊彈簧的彈力作用下，讓鎖緊桿回彈至擋板3處停止。當(dāng)需要改變鎖緊位置時(shí)，可以通過改變擋塊2 的位置以及扳緊桿位置高低來實(shí)現(xiàn)不同位置的鎖緊。圖6 中的鎖緊缺口是設(shè)置在扳緊桿的一端。

圖6 基于L型鎖緊結(jié)構(gòu)的鎖定裝置示意圖

該裝置可通過扳緊桿與擋塊之間的鎖定來實(shí)現(xiàn)可展結(jié)構(gòu)的鎖定，將鎖緊桿與擋塊2 設(shè)置在可展結(jié)構(gòu)的兩端，可展結(jié)構(gòu)的一端充當(dāng)鎖緊桿，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，即為鎖緊桿向擋塊2 靠近，當(dāng)兩端結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，扳緊桿和擋塊2 在結(jié)構(gòu)相互接觸時(shí)實(shí)現(xiàn)受壓鎖定。當(dāng)需要解鎖時(shí)，扣動(dòng)扳緊桿后端扳機(jī)即可解鎖。在實(shí)際應(yīng)用中可設(shè)置聯(lián)動(dòng)電機(jī)裝置，從而實(shí)現(xiàn)一鍵解鎖。

3 結(jié)語

目前各個(gè)領(lǐng)域關(guān)于可展結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用很多，但是關(guān)于可展結(jié)構(gòu)鎖定裝置的研究?jī)?nèi)容很少，隨著可展結(jié)構(gòu)的不斷應(yīng)用，其安全性和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步改善和研究。本文總結(jié)了六種可展結(jié)構(gòu)鎖定裝置原理及應(yīng)用場(chǎng)景。由于這六種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能夠在可展結(jié)構(gòu)合攏處穩(wěn)定鎖定，因此非常適用于可展結(jié)構(gòu)，該研究有利于可展結(jié)構(gòu)的推廣。