機(jī)械電子互鎖鎖具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

0 引言

當(dāng)前主流電子鎖具通過(guò)生物識(shí)別、密碼驗(yàn)證或藍(lán)牙/NFC等無(wú)線通信驅(qū)動(dòng)螺線管、電機(jī)等實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖，盡管此類(lèi)電子鎖具均具有電氣解鎖功能，但當(dāng)電氣解鎖出現(xiàn)故障（如電路損壞或電量耗盡）時(shí)，若無(wú)其他應(yīng)急解鎖措施，需要通過(guò)物理破壞方式強(qiáng)行解鎖，在工業(yè)安全領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)就可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生。因此，應(yīng)急解鎖對(duì)于電子鎖具來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)極其重要的功能。當(dāng)前，電子鎖具主要的應(yīng)急解鎖方式是采用機(jī)械應(yīng)急鑰匙，然而對(duì)于電子鎖具而言，機(jī)械應(yīng)急鑰匙實(shí)際意義上相較于電氣解鎖是更高權(quán)限的解鎖方式，但卻難以對(duì)機(jī)械應(yīng)急鑰匙進(jìn)行權(quán)限管控，一旦機(jī)械應(yīng)急鑰匙丟失或被復(fù)制，則意味著相應(yīng)的鎖具也失去了權(quán)限管控，唯一的補(bǔ)漏措施是通過(guò)其他設(shè)備或途徑對(duì)機(jī)械應(yīng)急鑰匙進(jìn)行管理，這樣雖然有一定效果，但仍然難以杜絕鑰匙丟失或被復(fù)制的風(fēng)險(xiǎn)，最終機(jī)械應(yīng)急鑰匙變成了通用鑰匙，成為電子鎖具的一大漏洞。

電子鎖具相較于傳統(tǒng)機(jī)械鎖具，采用生物識(shí)別、無(wú)線通信等智能化技術(shù)，安全性和便捷性突出，其在無(wú)鑰匙化、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程授權(quán)、權(quán)限管理及操作記錄等方面的優(yōu)勢(shì)都是機(jī)械鎖具無(wú)法比擬的；而機(jī)械鎖具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低等特點(diǎn)，相較于電子鎖具在可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和維護(hù)成本上也有顯著優(yōu)勢(shì)。機(jī)械應(yīng)急解鎖作為彌補(bǔ)電氣解鎖可靠性和環(huán)境適應(yīng)性不足的措施，在電子鎖具的應(yīng)用上起到了非常關(guān)鍵的作用，因此，研究機(jī)械應(yīng)急解鎖對(duì)于電子鎖具設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。本文提出了一種在電子鎖具上應(yīng)用的機(jī)械電子互鎖技術(shù)，用以解決電子鎖具在正常使用過(guò)程中，因機(jī)械應(yīng)急鑰匙丟失或被復(fù)制導(dǎo)致的通開(kāi)問(wèn)題。

1機(jī)械電子互鎖技術(shù)

1.1 技術(shù)原理及應(yīng)用

互鎖是利用邏輯控制防止兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作，機(jī)械電子互鎖技術(shù)通過(guò)傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)邏輯控制，其典型原理主要有雙通道認(rèn)證和邏輯互鎖。雙通道認(rèn)證是通過(guò)電子身份驗(yàn)證和機(jī)械鑰匙雙重校驗(yàn)；而邏輯互鎖是電子系統(tǒng)失效時(shí)觸發(fā)機(jī)械應(yīng)急機(jī)制，利用邏輯互鎖原理，可使電子鎖具的電氣解鎖功能正常使用時(shí)，機(jī)械應(yīng)急解鎖功能處于非工作狀態(tài)，即使有機(jī)械應(yīng)急鑰匙也無(wú)法進(jìn)行應(yīng)急解鎖。

機(jī)械電子互鎖技術(shù)普遍應(yīng)用于工業(yè)安全、電力系統(tǒng)、軌道交通、機(jī)器人等領(lǐng)域，如高壓開(kāi)關(guān)柜柜門(mén)與斷路器之間設(shè)置互鎖裝置，柜門(mén)未關(guān)閉時(shí)斷路器無(wú)法通電，以防觸電；高鐵車(chē)門(mén)與車(chē)輛行駛系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，車(chē)門(mén)未關(guān)閉時(shí)列車(chē)無(wú)法加速；設(shè)備運(yùn)行時(shí)鎖定機(jī)械把手，停機(jī)后自動(dòng)釋放機(jī)械聯(lián)鎖等[]。

1.2 技術(shù)路線

當(dāng)前機(jī)械電子互鎖技術(shù)主要分為三類(lèi)：

1）機(jī)械式互鎖：通過(guò)物理結(jié)構(gòu)限制操作順序，如鑰匙交換系統(tǒng)（KeyExchangeSystem）。例如，核反應(yīng)堆控制室的多道安全門(mén)需按順序解鎖，鑰匙插入順序錯(cuò)誤時(shí)門(mén)禁系統(tǒng)自動(dòng)鎖定。

2）電氣式互鎖：依賴?yán)^電器、PLC（可編程邏輯控制器）等實(shí)現(xiàn)邏輯判斷。例如，數(shù)控機(jī)床的防護(hù)門(mén)與主軸電機(jī)聯(lián)動(dòng)，門(mén)未閉合時(shí)電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

3）混合式互鎖：結(jié)合機(jī)械與電氣控制，兼具可靠性與靈活性。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)檢修時(shí)，需同時(shí)斷開(kāi)機(jī)械制動(dòng)器和電氣控制回路，確保葉片完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 機(jī)械電子互鎖鎖具設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述內(nèi)容，利用機(jī)械電子互鎖的邏輯互鎖原理，設(shè)計(jì)一種帶機(jī)械應(yīng)急解鎖功能的電子機(jī)柜鎖，正常使用時(shí)采用電氣解鎖功能，而只有在電氣解鎖功能失效（如電量耗盡或電路故障）情況下，才能使用機(jī)械應(yīng)急鑰匙進(jìn)行解鎖[2]。

設(shè)計(jì)思路上采用電機(jī)作為電氣解鎖驅(qū)動(dòng)元件，電機(jī)機(jī)構(gòu)與機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)方式同時(shí)對(duì)電子機(jī)柜鎖的解鎖旋鈕進(jìn)行閉鎖。當(dāng)鎖具正常使用時(shí)，機(jī)械應(yīng)急鑰匙插入鎖孔會(huì)觸發(fā)電機(jī)動(dòng)作對(duì)應(yīng)急解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行反向閉鎖，即使機(jī)械應(yīng)急鑰匙匹配機(jī)械齒形也無(wú)法進(jìn)行鎖具解鎖。

2.2 設(shè)計(jì)原理

基于上述設(shè)計(jì)思路，機(jī)械電子互鎖設(shè)計(jì)主要有以下兩點(diǎn)要點(diǎn)，一是電機(jī)機(jī)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)并聯(lián)設(shè)計(jì)且相互獨(dú)立；二是電機(jī)機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)的反向閉鎖，即電機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是兩個(gè)閉鎖結(jié)構(gòu)。

要實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)并聯(lián)設(shè)計(jì)且相互獨(dú)立，兩個(gè)機(jī)構(gòu)之間需要進(jìn)行離合設(shè)計(jì)，電氣解鎖時(shí)，電機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作不受機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)閉鎖影響；而電氣失效采用機(jī)械應(yīng)急解鎖時(shí)，機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)同樣不受電機(jī)機(jī)構(gòu)閉鎖影響[3]。

要實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)的反向閉鎖，一方面電機(jī)機(jī)構(gòu)需要設(shè)計(jì)兩個(gè)閉鎖結(jié)構(gòu)，一個(gè)用來(lái)閉鎖解鎖旋鈕，另一個(gè)用來(lái)閉鎖機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)；另一方面機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)也需要設(shè)計(jì)兩層結(jié)構(gòu)，一層用來(lái)匹配機(jī)械應(yīng)急鑰匙進(jìn)行解鎖，另一層用來(lái)匹配電機(jī)反向閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉鎖，只有同時(shí)滿足機(jī)械應(yīng)急鑰匙解鎖和電機(jī)機(jī)構(gòu)解鎖才能完成對(duì)解鎖旋鈕的解鎖動(dòng)作。

設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

2.3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)出如圖2所示機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，包含電機(jī)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)、機(jī)械應(yīng)急解鎖孔、解鎖旋鈕等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

解鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)作示意圖如圖3所示，不同解鎖方式如下：

1）當(dāng)使用電氣解鎖時(shí)，電機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)解鎖解鎖旋鈕和機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)，解鎖旋鈕和機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)處于閉鎖狀態(tài)，可同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)解鎖鎖具。

2）當(dāng)電氣正常、插入機(jī)械應(yīng)急鑰匙時(shí)，觸發(fā)檢測(cè)元件并解鎖機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)，電機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉鎖，機(jī)械應(yīng)急鑰匙無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)雖然解鎖旋鈕可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但無(wú)法對(duì)鎖具進(jìn)行解鎖。

3）當(dāng)電氣失效、插入機(jī)械應(yīng)急鑰匙時(shí)，機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)解鎖，但失效狀態(tài)下的電機(jī)機(jī)構(gòu)無(wú)法對(duì)機(jī)械應(yīng)急機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉鎖，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)急鑰匙即可實(shí)現(xiàn)鎖具解鎖。

由上述機(jī)構(gòu)原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)方案細(xì)化，設(shè)計(jì)一款用于柜門(mén)閉鎖的電子機(jī)柜鎖，如圖4所示，外部結(jié)構(gòu)包括鎖體、面板、旋鈕、鎖舌、鎖芯等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、電氣模塊、檢測(cè)元件、電池等。

該電子機(jī)柜鎖通過(guò)藍(lán)牙與電氣模塊通信進(jìn)行認(rèn)證授權(quán)解鎖，為保證電池使用壽命，采用手動(dòng)按鈕喚醒模式；除此之外，也可采用Wi-Fi、NB-IoT或指紋識(shí)別等其他方式。

機(jī)械應(yīng)急鎖芯采用偏心鎖孔的鎖芯，便于布局設(shè)計(jì)，鎖孔底部設(shè)計(jì)觸發(fā)桿，配合檢測(cè)元件進(jìn)行反向閉鎖檢測(cè)。

電機(jī)動(dòng)作設(shè)計(jì)兩個(gè)閉鎖點(diǎn)位，一個(gè)用于閉鎖旋鈕鎖殼，另一個(gè)用于閉鎖轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)軸與鎖芯固定連接）；鎖芯與旋鈕鎖殼通過(guò)邊柱進(jìn)行閉鎖，齒形匹配即可解鎖。當(dāng)正常電氣解鎖時(shí)，旋鈕鎖殼通過(guò)閉鎖的邊柱帶動(dòng)鎖芯和轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)解鎖；當(dāng)電氣失效機(jī)械應(yīng)急解鎖時(shí)，旋鈕鎖殼不動(dòng)，鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)鎖芯和轉(zhuǎn)軸進(jìn)行解鎖[4]。

2.4 方案驗(yàn)證

基于設(shè)計(jì)圖模擬機(jī)構(gòu)動(dòng)作，可以滿足上述設(shè)計(jì)意圖。進(jìn)一步進(jìn)行樣品制作，并設(shè)計(jì)相應(yīng)程序進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

正常使用過(guò)程中，可通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行電氣解鎖，解鎖響應(yīng)時(shí)間 lt;2s，5s 后電機(jī)復(fù)位閉鎖，可聽(tīng)到電機(jī)動(dòng)作聲音。

電氣正常情況下，插入機(jī)械應(yīng)急鑰匙可聽(tīng)到電機(jī)動(dòng)作聲音，反向閉鎖響應(yīng)時(shí)間 lt;0.1s ，但無(wú)法進(jìn)行機(jī)械解鎖。插入機(jī)械應(yīng)急鑰匙后采用藍(lán)牙進(jìn)行電氣解鎖，仍可進(jìn)行正常解鎖。

取出電池模擬電氣失效情況，插入機(jī)械鑰匙可正常解鎖。

3 結(jié)束語(yǔ)

相比較于傳統(tǒng)電子鎖具非互鎖的機(jī)械應(yīng)急解鎖方式，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械電子互鎖鎖具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上雖復(fù)雜程度較高，但能有效杜絕鎖具在正常使用過(guò)程中被機(jī)械應(yīng)急鑰匙解鎖的隱患，真正起到應(yīng)急作用。進(jìn)一步地，可利用電子鎖具狀態(tài)檢測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)，對(duì)非正常解鎖進(jìn)行監(jiān)控和記錄，從而極大程度地提高電子鎖具的安全性。

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收稿日期：2025-03-03

作者簡(jiǎn)介：高永昊（1973一），男，山東海陽(yáng)人，機(jī)械工程師，主要從事電力相關(guān)產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)工作。