船舶設(shè)備控制箱鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置設(shè)計

鄒永冬，朱發(fā)新，劉 笑(浙江海洋學(xué)院 港航學(xué)院，浙江 舟山 316022)

船舶設(shè)備控制箱鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置設(shè)計

鄒永冬，朱發(fā)新，劉 笑
(浙江海洋學(xué)院 港航學(xué)院，浙江 舟山 316022)

為了克服現(xiàn)有的船舶設(shè)備控制箱啟閉裝置存在的通用性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耐久性差等技術(shù)問題，文章對控制箱啟閉裝置的設(shè)計要求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置，并介紹了該裝置的組成及工作原理。最后通過CAXA模型建模與理論計算，從結(jié)構(gòu)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行分析，得出了新型鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置相比于傳統(tǒng)的啟閉裝置有較大優(yōu)勢的結(jié)果。

控制箱；船舶；鉸鏈四桿；啟閉裝置；CAXA模型

船舶設(shè)備包括船用泵、空壓機(jī)、舵機(jī)、起貨機(jī)、絞纜機(jī)、錨機(jī)、船舶輔鍋爐、造水機(jī)等，每一種船舶設(shè)備都有其對應(yīng)的控制箱或控制操作臺。通過操作控制箱里的不同按鈕或旋鈕，可以實現(xiàn)船舶設(shè)備的啟動、停車、手動自動操作方式切換、電動液壓驅(qū)動方式切換、輔助管路(油、水、氣、汽、電)的動力設(shè)備啟動或停車、安全報警裝置顯示等功能[1]。由于海上船舶的搖晃及人員不小心觸碰控制箱中的按鈕等原因，造成船舶設(shè)備意外操作(啟動或停車等)，導(dǎo)致意外情況或安全事故發(fā)生[2-4]。

為了防止此類事故發(fā)生，船舶設(shè)備控制箱都需要設(shè)置啟閉裝置用以保護(hù)控制箱里的各種按鈕或旋鈕，避免誤操作。

目前，現(xiàn)有的船舶設(shè)備控制箱的啟閉裝置有按鈕式、旋轉(zhuǎn)式、門鎖式和電子式等。每種啟閉裝置都有其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和一定的適用范圍。按鈕式結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但其耐久性差，容易造成按鈕卡阻而打不開控制箱；旋轉(zhuǎn)式內(nèi)部有彈簧式(或簧片)和齒輪式2種，彈簧式的耐久性差，易損壞，造成控制箱的箱門震蕩或打不開，齒輪式的若長時間不用，也比較容易卡阻而不能打開控制箱箱門；門鎖式結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，長時間鑰匙會損壞或不小心遺失，也存在打不開控制箱箱門；電子式操作方便，啟閉迅速，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)困難，因此也存在著不能打開控制箱箱門等問題。為此，本文設(shè)計出了一套船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置。

1 船舶設(shè)備控制箱啟閉裝置的設(shè)計要求分析

根據(jù)船舶設(shè)備控制箱啟閉裝置的工作環(huán)境，并參考船舶工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系及實船建造設(shè)計資料，確定了船舶設(shè)備控制箱的啟閉裝置具有如下設(shè)計要求[5]：①在較為惡劣的工作環(huán)境中，耐久性要好；②能兼顧船舶設(shè)備各種控制箱，達(dá)到完全互換的原則，即通用性好；③能承受一定的沖擊、震動；④結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，啟閉迅速，便于日常維護(hù)與修理；⑤經(jīng)濟(jì)性好，運(yùn)行成本低。

2 船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置設(shè)計

2.1主要組成部件

如圖1所示，該裝置由機(jī)架、手柄、連桿、連架桿、螺母、螺栓、連接銷等組成，其中機(jī)架、連桿、手柄、連架桿再加上連接銷A、B、C、D組成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，機(jī)架固定在船舶設(shè)備控制箱旁邊，是不能運(yùn)動的部件。機(jī)架與手柄通過機(jī)架上的連接銷C組成旋轉(zhuǎn)副(或回轉(zhuǎn)副)，手柄可以繞著機(jī)架上的連接銷做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)架與連架桿通過機(jī)架上的連接銷D組成旋轉(zhuǎn)副，連架桿可以繞著機(jī)架上的連接銷D做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。手柄與連桿通過連接銷B組成旋轉(zhuǎn)副，可以繞著連接銷B做相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。連架桿與與連桿通過連接銷A組成旋轉(zhuǎn)副，可以繞著連接銷A做相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

A-連架桿上的連接銷；B-手柄上的連接銷；C-機(jī)架上的連接銷；D-機(jī)架上的連接銷；1-控制箱門栓；2、3-螺母；4-螺栓；5-連架桿；6-連桿；7-手柄；8-機(jī)架。圖1 船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置開啟狀態(tài)圖

2.2裝置工作原理

當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的連桿和手柄共線，也就是手柄上的傳動角γ=0°(或壓力角α=90°)時，存在死點(diǎn)位置。在死點(diǎn)位置，控制箱內(nèi)作用力對手柄的有效回轉(zhuǎn)力矩為0，無論作用力多大，都不能使機(jī)構(gòu)運(yùn)動[6-10]。這就保證了在撤掉外驅(qū)動力之后，機(jī)構(gòu)仍能有效地鎖緊。利用死點(diǎn)原理，本裝置通過下壓手柄，帶動鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使得連架桿上的螺栓底部在控制箱門栓上(即連桿和手柄共線的死點(diǎn)位置)，達(dá)到關(guān)閉控制箱箱門的效果。反之，通過上拉手柄，就可開啟控制箱箱門，如圖1所示。船舶設(shè)備控制箱開啟和關(guān)閉狀態(tài)如圖2所示。

(a)船舶設(shè)備控制箱關(guān)閉狀態(tài)(b)船舶設(shè)備控制箱開啟狀態(tài)1-控制箱；2-箱門轉(zhuǎn)軸；3-控制箱箱門；4-控制箱門栓；5-控制箱門框。圖2 船舶設(shè)備控制箱開啟及關(guān)閉狀態(tài)

船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置關(guān)閉狀態(tài)如圖3所示。在船上，船舶設(shè)備需要經(jīng)常改變其工作狀態(tài)，如設(shè)備啟動、停車、手動自動操作方式切換、電動液壓驅(qū)動方式切換、輔助管路(油、水、氣、汽、電)的動力設(shè)備啟動或停車等操作時，控制箱需要經(jīng)常開啟或關(guān)閉，即鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置也需要經(jīng)常開啟或關(guān)閉操作。同時由于船舶的搖晃產(chǎn)生控制箱晃蕩等原因，造成控制箱門栓和連架桿上的螺栓底部出現(xiàn)摩擦磨損，導(dǎo)致原來貼合緊密的控制箱門栓與螺栓底部出現(xiàn)縫隙，引起不必要的沖擊振動，會縮短控制箱的使用壽命。這時可以旋轉(zhuǎn)螺母，調(diào)整控制箱門栓和螺栓底部的距離，直到兩者貼合緊密，達(dá)到嚴(yán)密關(guān)緊控制箱，延長控制箱的使用壽命。

A-連架桿上的連接銷；B-手柄上的連接銷；C-機(jī)架上的連接銷；D-機(jī)架上的連接銷；1-控制箱門栓；2、3-螺母；4-螺栓；5-連架桿；6-連桿；7-手柄；8-機(jī)架。圖3 船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置關(guān)閉狀態(tài)圖

2.3船舶設(shè)備控制箱啟閉裝置的四桿機(jī)構(gòu)桿長關(guān)系推導(dǎo)

為討論本裝置的理論可行性，裝置可簡化為圖4所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。各桿的定義如下：L0為手柄ab的長度；L1為連桿bc的長度；L2為連架桿cd長度；L3為機(jī)架上連接銷C和連接銷D之間的直線長度da；θ為da與水平面之間的夾角。

圖4 船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置簡圖

本裝置的工作原理為將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)abcd在外力的作用下，變換成a′b′c′d′。根據(jù)a′b′c′d′可得：

L2=L3sinθ，

(1)

ac′2=(L0-L1)2=(L3)2-(L2)2，

(2)

由式(1)、式(2)中可知，在已知任意3桿長度的情況下，剩下的桿件有且只有一個值與之對應(yīng)，組成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置。

3 船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置可行性分析

3.1CAXA建模及分析

根據(jù)本文所述控制箱鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置的設(shè)計模型，基于三維設(shè)計軟件CAXA，建立船舶設(shè)備控制箱鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置CAXA模型，如圖5、圖6所示。

圖5 船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置閉合狀態(tài)CAXA模型

圖6 船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置開啟狀態(tài)CAXA模型

通過對鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置CAXA模型進(jìn)行尺寸標(biāo)注，將數(shù)值代入公式(2)中進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)其完全吻合于公式(2)。即可知本裝置不僅在理論上可行，在實際運(yùn)用中也具有可行性。

3.2經(jīng)濟(jì)可行性分析

船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置在設(shè)計上完全采用機(jī)械式連接，只需幾片鋼塊和銷鍵，即可組裝成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。整體價格低廉，與原有船舶設(shè)備控制箱啟閉裝置的造價相比，性價比較高，初期投資小，符合經(jīng)濟(jì)性要求。

3.3結(jié)構(gòu)可行性分析

該裝置與現(xiàn)有的啟閉裝置相比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：①通用性好。本裝置在控制箱門栓損壞、磨損時，連架桿上螺母可進(jìn)行上下左右4個方向的調(diào)節(jié)，滿足緊貼控制箱門栓的鎖緊要求。②耐久性好。由于本裝置完全采用機(jī)械式啟閉，不含芯片、電路、彈簧等易損件，相對于現(xiàn)有啟閉裝置來說，不易損壞。③能承受一定的沖擊負(fù)荷。通過對裝置的受力分析，在本裝置完全關(guān)閉的情況下，連桿工作在死點(diǎn)位置，控制箱內(nèi)向外的力經(jīng)由控制箱門栓作用在螺母的水平方向，不會造成本裝置誤操作。④操作簡單，啟閉迅速。

4 結(jié)果分析

根據(jù)前面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置的CAXA建模、經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)分析表明，不管是從提高船舶營運(yùn)性，還是船舶設(shè)備控制箱啟閉裝置的優(yōu)化角度來說，新型鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的啟閉裝置相比于傳統(tǒng)的啟閉裝置都有較大的優(yōu)勢。因此，新型的船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置可考慮面向船舶行業(yè)進(jìn)行推廣。

5 結(jié)束語

本文所述船舶設(shè)備控制箱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)式啟閉裝置通過改進(jìn)現(xiàn)有固定式的啟閉裝置，形成了兼具旋轉(zhuǎn)和鎖緊功能的鉸鏈四桿結(jié)構(gòu)。既可通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈四桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)控制箱的啟閉，也可對鉸鏈四桿結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)，以保證控制箱關(guān)閉嚴(yán)密，達(dá)到箱體側(cè)壁和箱門側(cè)壁之間更好的密封效果。結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)十分方便，其結(jié)構(gòu)不受控制箱門形狀及所處位置限制，操作簡單，耐久性好，維護(hù)保養(yǎng)簡單，具有很強(qiáng)的實用性。

本文的研究方法及設(shè)計成果，可以為在啟閉類裝置中死點(diǎn)位置的應(yīng)用研究和同類型的裝置提供一些提供參考。

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In order to overcome some technical problems such as poor universality,complicated structure and poor durability,existing on marine equipment control box opening and closing device,the design requirements of control box opening and closing device is analyzed in this paper.Based on this,hinge four-bar linkage type opening and closing device is designed and the composition and working principle of the device are introduced.Through modeling theoretical calculation of CAXA model and analysis to the design requirements from the aspects of structure,technology and economy,a good result is achieved that hinge four-bar linkage opening and closing device has great advantages compared to the traditional one.

control box;marine;four-bar linkage;opening and closing device;CAXA model

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.010

2014年浙江省自然科學(xué)基金青年基金項目(LQ14E090001)；2013年浙江省重大科技專項(2013C03033)

鄒永冬(1992-)，男，貴州遵義人，在讀本科生。

2015-06-30