谷萬淼 宋則良 陳強

摘 要：機(jī)械裝置的保險機(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)計中大量采用。保險機(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，給設(shè)計人員從事保險機(jī)構(gòu)的設(shè)計帶來一定困惑。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)計形式、優(yōu)缺點和設(shè)置方法，針對容易混淆的保險機(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例加以說明，為設(shè)計人員有針對性的選擇、設(shè)計機(jī)械裝置的保險機(jī)構(gòu)提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械裝置；保險機(jī)構(gòu)；自鎖；安全

1 概述

機(jī)械裝置在存儲、運輸、待機(jī)過程中可能發(fā)生偶然作動或過早作動等非設(shè)計意圖的情況，應(yīng)視情況的危害性設(shè)置保險機(jī)構(gòu)。保險機(jī)構(gòu)是防止機(jī)械裝置發(fā)生操作者意愿之外動作的機(jī)構(gòu)，有效的保險機(jī)構(gòu)能夠防止非設(shè)計意圖情況的發(fā)生。某些失效的保險機(jī)構(gòu)不一定導(dǎo)致機(jī)械裝置在有限次數(shù)的運行中發(fā)生非設(shè)計意圖的情況，但是若保險機(jī)構(gòu)長期失效，機(jī)械裝置多次運行中發(fā)生非設(shè)計意圖情況的可能性大大增加。

保險機(jī)構(gòu)能夠為操作者、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)備安全的保險機(jī)構(gòu)，如現(xiàn)代槍械設(shè)計中常用的不到位保險機(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擊發(fā)而導(dǎo)致的炸膛危險。某氣缸作動裝置的負(fù)載在位保險機(jī)構(gòu)，能夠阻止氣缸空載作動而導(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機(jī)構(gòu)一般被設(shè)計成在線檢測設(shè)施，能夠隨時檢測流程中物理量的變化，超出允許范圍時自動觸發(fā)，保證流程安全，如安全閥、熔斷器等，此類保險機(jī)構(gòu)不在本文的論述范圍中。

2 保險機(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)和提供動力的驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩個主要機(jī)構(gòu)組成。保險機(jī)構(gòu)屬于附加機(jī)構(gòu)，其保險原理一般采用維持機(jī)械裝置主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動機(jī)構(gòu)零件的特定工作狀態(tài)，或同時維持兩者特定工作狀態(tài)的方法，使整個裝置保持某種預(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)簡圖。3、5、6號機(jī)構(gòu)是具有復(fù)位元件的保險機(jī)構(gòu)，1號件擺臂和8號件釋放桿構(gòu)成主功能機(jī)構(gòu)；2號件是齒輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)。1號件擺臂繞與基體的鉸接點旋轉(zhuǎn)，8號件釋放桿支撐擺臂，2號件驅(qū)動機(jī)構(gòu)推動擺臂旋轉(zhuǎn)。5、6號保險機(jī)構(gòu)啟用后能夠阻擋擺臂和釋放桿旋轉(zhuǎn)，3號保險機(jī)構(gòu)啟用后切斷主動齒輪與擺臂的傳動路徑。

3 保險機(jī)構(gòu)類型的選擇

按照保險作用的方式，機(jī)械裝置的保險機(jī)構(gòu)可按作用分為接觸式和分離式。接觸式保險機(jī)構(gòu)是使主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的零件與保險銷類零件接觸并受其阻擋而不能工作。分離保險機(jī)構(gòu)是將主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動機(jī)構(gòu)中某些零件從機(jī)構(gòu)傳動鏈中分離出來，使主功能機(jī)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)失去聯(lián)系，此時即使觸發(fā)作動開關(guān)，主動機(jī)構(gòu)也因為缺少驅(qū)動而無法正常工作。

接觸式保險機(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和撞擊時均不易發(fā)生意外，安全可靠性較高，在振動、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機(jī)構(gòu)。圖1機(jī)構(gòu)簡圖所示的5號件和6號件為接觸式保險機(jī)構(gòu)，分別防止擺臂和釋放桿誤動。

分離式保險機(jī)構(gòu)是將某些零件從機(jī)構(gòu)傳動鏈中分離出來，使主功能機(jī)構(gòu)或驅(qū)動機(jī)構(gòu)失去聯(lián)系或者喪失運動的可能，此時雖能觸發(fā)作動開關(guān)也不能正常工作。如果機(jī)械裝置僅采用這一種保險機(jī)構(gòu)形式，當(dāng)機(jī)械裝置受到跌落或劇烈振動式，主功能機(jī)構(gòu)可能因慣性作用，意外作動。但是分離式的保險機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、對主功能機(jī)構(gòu)干涉輕微等優(yōu)點，對于體積有較高要求的機(jī)械裝置多選擇該種方式的保險機(jī)構(gòu)。圖1機(jī)構(gòu)簡圖所示的3號件為分離保險機(jī)構(gòu)，保險機(jī)構(gòu)啟動后齒輪無法嚙合，防止驅(qū)動機(jī)構(gòu)因誤動而推動擺臂旋轉(zhuǎn)。

按照開啟或解除保險的方式，保險機(jī)構(gòu)可分為人工保險和自動保險兩種。人工保險需要操作者專門操作解除或恢復(fù)。自動保險不需操作者專門的操作即可解除或恢復(fù)保險。

人工保險的方式，由操作者提供專門的動作解除或恢復(fù)保險，保險動作可靠、機(jī)構(gòu)簡單?，F(xiàn)代槍械中大多采用這種保險方式。如國產(chǎn)92式5.8毫米手槍的第一重手動保險，必須手動撥動保險桿，才能控制保險的啟動和解除。

自動保險方式，由保險機(jī)構(gòu)對某特定物理量的監(jiān)測以此完成保險的解除或恢復(fù)，不需要操作人員提供額外的動作即可完成保險功能，保險動作迅捷。如美國柯爾特公司的M1911半自動手槍采用的握把保險，當(dāng)射手握住握把，即可壓下連桿解除保險，保險機(jī)構(gòu)監(jiān)測的是射手是否正確的握住槍的握把。相比人工保險，自動保險監(jiān)測的物理量存在被替代或誤判的可能，可靠性略低，通常配合人工保險共同作用。

4 保險機(jī)構(gòu)的設(shè)置

保險機(jī)構(gòu)多數(shù)設(shè)置成串聯(lián)形式和并聯(lián)形式。串聯(lián)形式的保險即第一重保險運作后方可運作下一重保險，這樣更符合操作習(xí)慣以及明確保險的級別。并聯(lián)形式的保險即多重保險并列存在，操作任一保險機(jī)構(gòu)不影響其余保險機(jī)構(gòu)。該形式更多的是隨著冗余的操作系統(tǒng)出現(xiàn)，也有保險級別較高或者要求多名人員共同操作的設(shè)備采用并聯(lián)式保險機(jī)構(gòu)，需要兩個或更多并聯(lián)的保險機(jī)構(gòu)被同時啟動或解除才能運行，如普通的密碼保險柜，除了使用鑰匙開鎖外還必須解除密碼盤的保險才能打開保險柜，鑰匙和密碼可以分開保管以提高保險柜級別。

串聯(lián)的保險機(jī)構(gòu)和并聯(lián)的保險機(jī)構(gòu)均采用增加操作流程的方式構(gòu)成多重保險，以此提高啟動或解除保險的難度。如某型作動裝置，具有保險按鈕、擊發(fā)按鈕、保險按鈕外罩有保護(hù)罩。只有先打開保護(hù)罩、才能按下保險按鈕解除保險，然后再按下?lián)舭l(fā)按鈕，裝置方可工作，這就是雙重保險。如果在保護(hù)罩上設(shè)置鎖具，則增加了一重保險機(jī)構(gòu)，構(gòu)成三重保險。

保險機(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，保險設(shè)置的重數(shù)越多操作越繁瑣，響應(yīng)時間越長。安裝了保險機(jī)構(gòu)的機(jī)械裝置同樣存在誤動的概率，若觸發(fā)機(jī)構(gòu)的誤操作概率為P1，第一重保險機(jī)構(gòu)的誤操作概率為P2，第N重保險機(jī)構(gòu)的誤操作概率為PN，則機(jī)械裝置誤動的概率P=P1×P2×……×PN，當(dāng)P值很小時，在統(tǒng)計學(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 保險機(jī)構(gòu)與自鎖機(jī)構(gòu)的辨析

5.1 區(qū)別

保險機(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。保險機(jī)構(gòu)比主功能機(jī)構(gòu)具有更高的控制權(quán)，保險機(jī)構(gòu)能控制主功能機(jī)構(gòu)，主功能機(jī)構(gòu)運動不能反向控制保險機(jī)構(gòu)運動。

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≤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，通常不會造成零件損壞。接觸式保險機(jī)構(gòu)的鎖定原理是F驅(qū)動/S受力面≤[σ]，即對比鎖銷等保險機(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)運動造成的應(yīng)力。當(dāng)保險零件的強、剛度足以承受外力時，機(jī)械裝置即可維持現(xiàn)有狀態(tài)不變；機(jī)構(gòu)的保險狀態(tài)被破壞后，通常會造成零件損壞。

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，以兩個例子具體說明：

1）如圖3所示的裝置，3號件搖臂上承載重物的重量，搖臂的運動由1號件擺臂通過2號件連桿驅(qū)動。擺臂只能繞鉸接點順時針旋轉(zhuǎn)，初始位置過死點角度為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，使擺臂有繞鉸接點逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢，只要擺臂不繞鉸接點順時針旋轉(zhuǎn)α角，搖臂將始終保持水平位置不動，整個機(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，會出現(xiàn)重物通過搖臂和連桿驅(qū)動擺臂順時針旋轉(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)，無保險機(jī)構(gòu)。

2）有一種用同一機(jī)構(gòu)運動過程中的兩個階段先后解除保險和驅(qū)動的設(shè)計形式，見圖4a、4b所示的裝置。

1號件主動擺臂首先順時針旋轉(zhuǎn)β角，通過7號件連桿、6號件搖臂和5號件連桿使4號件保險桿逆時針旋轉(zhuǎn)，解除對3號件滑塊的制動，1號件擺臂繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動2號件滑塊推動3號件滑塊。

由于主動擺臂能夠驅(qū)動保險桿解除對滑塊的制動，同時也能夠驅(qū)動滑塊運動，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)，無保險機(jī)構(gòu)。無保險機(jī)構(gòu)鎖定主動擺臂的初始狀態(tài)，裝置容易誤動。

取消1號件主動擺臂與6號件搖臂之間的7號件連桿，見圖4c、4d。3號件滑塊的運動則必須先解除4號件保險桿的阻擋，再由1號件主動擺臂帶動2號件驅(qū)動，裝置具有接觸式保險機(jī)構(gòu)。實際應(yīng)用中為了縮短裝置運動時間，解除保險和提供驅(qū)動可以由一個動作的前后兩個階段分別完成，典型的實例是奧地利格洛克系列手槍的雙扳機(jī)保險機(jī)構(gòu)，由持槍者用一個扣扳機(jī)的動作，先壓下小扳機(jī)解除保險，再壓下扳機(jī)釋放擊針，擊針在彈簧的驅(qū)動下?lián)舭l(fā)彈藥，非常利于持槍者快速射擊。

6 綜述

保險機(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，對于安全性、可靠性等具有更高的要求，保險機(jī)構(gòu)的作用更加不可或缺。保險機(jī)構(gòu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)千差萬別，無固定的模式，希望文中分享的觀點能夠為技術(shù)人員設(shè)計更加可靠、靈活的保險機(jī)構(gòu)提供一點思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈顯模.一種小口徑旋轉(zhuǎn)彈引信用安全和解除引信用保險機(jī)構(gòu)設(shè)計[D].南京理工大學(xué)，2008.

[2]嚴(yán)慎武.新型制導(dǎo)炮彈安全與解除保險裝置設(shè)計研究[D].南京理工大學(xué)，2012.

[3]曹金榮，等.81槍族擊發(fā)機(jī)可靠性分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2006（8）.

[4]三土.尋蹤：各國早期軍用半自動步槍發(fā)展與演變（三）[J].輕兵器，2009（6）.

[5]張國強.20世紀(jì)十大著名手槍[J].輕兵器，1998（4）.

[6]三土.俄羅斯的PDW-SR-2M微型沖鋒槍[J].現(xiàn)代兵器，2010（9）.

作者簡介：谷萬淼（1978-），男，研究方向：航空軍械設(shè)計。