艦用閥門快速開啟機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

潘樹國

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

快速開啟機(jī)構(gòu)是一種利用較小力快速開啟高壓容器的裝置，通常安裝在高壓容器的進(jìn)出口上，例如高壓氣瓶、高壓機(jī)構(gòu)閥門等設(shè)備上[1]，是艦船消防系統(tǒng)中的重要部件[2–3]。它根據(jù)遠(yuǎn)程遙控信號，采用氣動、液壓或爆炸沖擊等方式，通過較小的力在極短的時間內(nèi)開啟氣瓶或者機(jī)構(gòu)門。開啟力放大因子是衡量快速開啟機(jī)構(gòu)性能的一個重要指標(biāo)，與結(jié)構(gòu)尺寸、摩擦等因素有關(guān)。開啟力放大因子越大，則說明開啟機(jī)構(gòu)所需要開啟設(shè)備的力越小，性能越好。

1 開啟機(jī)構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)

快速開啟機(jī)構(gòu)主要由頂桿、杠桿、預(yù)緊螺栓及搖桿、壓縮彈簧、閥芯等零部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。預(yù)緊螺栓自身與搖桿的螺紋配合，通過搖桿對閥芯施加預(yù)緊力，使閥芯閉合；頂桿在外力（例如氣動力、液壓或者爆炸力等）作用下，推動杠桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)杠桿旋轉(zhuǎn)一定角度時，杠桿與搖桿脫離接觸，搖桿被彈簧等的作用力迅速推動，機(jī)構(gòu)閥芯迅速被釋放，打開閥門，使得流體能夠通過閥門[1]。

2 受力分析

由于開啟機(jī)構(gòu)中的頂桿、杠桿和搖桿的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量很小，因此忽略其重力和慣性力的影響；假設(shè)快速開啟機(jī)構(gòu)各部件為剛體，接觸面上的摩擦為庫倫摩擦。圖2為搖桿的受力分析圖[4]，根據(jù)平衡原理可以得到搖桿在配合面I上所受到的正壓力、摩擦力與螺栓施加的預(yù)緊力的關(guān)系：

對杠桿進(jìn)行受力分析，如圖5所示，根據(jù)平衡方程可以得到頂桿對杠桿的作用力：

對頂桿進(jìn)行受力分析，如圖6所示[5–6]，列出頂桿的平衡方程，可以得到頂桿所受力的表達(dá)式：

式中：

3 計算分析

某快速開啟機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)為R=66 mm，R1=26 mm，R2=22 mm，Lx=116 mm，Ly=60 mm，dxo=38 mm，γ=25°，αo=52.5°，α1=59.5°，α2=84.5°。

圖 7 分別為取 μ1=0.1，μ0=0.02，0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35時，放大因子隨著轉(zhuǎn)角的變化曲線。由圖可以看出，μ0=0.02，0.05，0.1，0.15時，放大因子隨著轉(zhuǎn)角的增大而變大，當(dāng)μ0=0.2，0.25，0.3，0.35時，放大因子隨著轉(zhuǎn)角的增大而先減小后增大；當(dāng)摩擦系數(shù)μ0增大時，放大因子迅速減小；μ0＜0.1時，轉(zhuǎn)角對放大因子的影響很大。

圖 8 為取 μ0=0.1，μ1=0.02，0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35時，放大因子與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著μ1的增大，放大因子總體來說是增加的，但增加幅度較小；當(dāng)μ1=0.02，0.05，0.1，0.15，0.2時，放大因子隨著轉(zhuǎn)角的增大而變大；當(dāng)μ1=0.25，0.3，0.35時，放大因子隨著轉(zhuǎn)角的增大而先減小后增加。總體來說，摩擦系數(shù)對放大因子的影響相對較小。

圖 9 為 μ0=0.1，μ1=0.1，R=30，35，40，45，50，55，60，65，70 mm時，放大因子與轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。由圖可知，隨著R的增大，放大因子變小并且隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大。

圖 10 為 μ0=0.1，μ1=0.1，R1=15，20，25，30，35，40 mm時，放大因子與轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。由圖可知，隨著R1的增大，放大因子變小并且隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大。

圖 11 為 μ0=0.1，μ1=0.1，dx0=20，25，30，35，40，45，50，55 mm時，放大因子與轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)dx0=20，25 mm時，放大因子隨著轉(zhuǎn)角增大而變小；當(dāng)dx0=30，35，40，45，50，55 mm時，放大因子隨著轉(zhuǎn)角增大而增大[7]。

4 結(jié) 語