一種自鎖式艙門的結構設計與分析

劉 濤

(中國船舶集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

目前，艙門結構大量應用在艦載設備中，如艦船通道的啟閉、某型發射裝置艙口蓋的啟閉等，是船舶上的重要組成部分之一[1]。大多數的艙門采用電機或機械擋塊的結構形式進行艙門開關狀態的控制，如采用電機旋轉實現艙門的啟閉并通過電機的自鎖實現艙門的鎖定；或手動開啟艙門并通過機械擋塊進行限位鎖定艙門角度，關閉艙門時需進行手動解鎖后才能關閉艙門。目前的艙門結構在日常使用和維護中主要存在以下問題：1）電機結構主要存在成本高，結構占用空間大，維保成本高；2）機械擋塊結構主要存在艙門開啟角度恒定，無法在多種角度下鎖定艙門，艙門解鎖較為不便。針對以上問題，本文以艙門為研究對象，設計開發一種自鎖式艙門[2-5]。

1 結構設計

利用棘輪機構自鎖原理實現艙門多角度開啟和鎖定功能，通過自鎖解鎖機構實現棘輪機構解鎖即實現艙門關閉功能。

1.1 整體結構

如圖1和圖2所示，該艙門主要由基座、轉臂、艙門、端蓋、提手、棘輪、自鎖解鎖機構、扭簧、棘爪、端蓋螺釘、限位柱、碰塊A、平鍵和碰塊B等組成。基座為艙門提供旋轉中心和固定機體，轉臂與艙門通過連接螺栓安裝在基座上，艙門上設計有提手用于艙門的啟閉。棘輪安裝在轉臂上并通過平鍵傳遞扭矩從而實現轉臂旋轉帶動棘輪轉動，扭簧用于實現棘爪的復位功能。基座內壁安裝有自鎖解鎖結構并通過碰塊A和碰塊B實現自鎖解鎖結構對棘爪的鎖定和釋放功能，從而實現艙門啟閉時的自鎖和解鎖的功能。

1.2 自鎖解鎖機構

自鎖解鎖機構用于實現對棘爪的鎖定和釋放功能，從而實現艙門啟閉時的自鎖和解鎖功能，其主要由殼體、扭簧、鎖鉤、導軌面、壓桿、拉桿、壓簧、導向柱和鋼球等組成。其中，殼體為自鎖解鎖機構提供安裝接口；導軌面安裝在殼體上，其內表面設計有階梯差和凹槽，分別為導向柱的移動提供路徑約束和鎖定點；導向柱內的鋼球利于減少導向柱與導軌面之間的摩擦力并實現限位功能；壓簧和扭簧用于實現壓桿和鎖鉤的復位功能。

圖1 艙門總體結構組成圖Fig.1 Overall structural composition of cabin door

圖2 艙門內部結構組成圖Fig.2 Interior structural composition of cabin door

圖3 自鎖解鎖機構組成圖Fig.3 Composition diagram of self-locking and unlocking mechanism

2 工作原理

2.1 艙門開啟工作原理

將艙門沿旋轉軸逆時針轉動開啟，艙門上的轉臂棘輪轉動，艙門開啟至一定角度時（約45°），棘輪機構中棘爪在扭簧的作用下與棘輪上的輪齒配合，實現艙門順時針旋轉鎖定功能（即艙門只能順時針開啟，不能逆時針關閉）。同時，棘輪上設計有多個輪齒，可實現艙門多角度開啟和順時針旋轉鎖定功能。圖4為艙門開啟的最大角度約90°時的狀態示意圖。

圖4 艙門開啟鎖定狀態Fig.4 Cabin door open lock status

2.2 艙門關閉工作原理

當需要關閉艙門時，首先將艙門逆時針旋轉約20°，棘輪上的碰塊A碰觸棘爪旋轉并推動自鎖解鎖機構中的壓桿下移，壓桿帶動鎖鉤轉動并將棘爪限位，此時棘爪與棘輪上的輪齒脫離，棘輪可自由轉動，即艙門處于解鎖狀態（見圖5），可進行旋轉關閉操作。艙門關閉至一定角度時（約25°），碰塊B碰觸棘爪旋轉并推動自鎖解鎖機構中的壓桿復位并解鎖（見圖6），棘爪在扭簧的作用下復位，在再次開啟艙門時仍可實現艙門的自鎖功能。

圖5 艙門解鎖狀態Fig.5 Cabin door unlocked

圖6 艙門復位Fig.6 Cabin door reset

2.3 自鎖解鎖機構工作原理

在關閉艙門時，先將艙門逆時針旋轉約20°（見圖5）至棘輪上的碰塊A碰觸限位柱（此時艙門到達最大開啟角度），棘輪上的碰塊A推動自鎖解鎖機構中的壓桿，壓桿帶動拉桿在導向柱和鋼球的導向下沿

著導軌面上尖點A位置的左側移動（見圖7），壓桿由初始狀態（圖8（a）所示位置）移動至如圖8（b）所示位置，壓桿同時帶動鎖鉤旋轉。然后將艙門關閉，艙門帶動棘輪順時針轉動，棘爪在扭簧作用下復位，壓桿在壓簧作用下復位并帶動拉桿向上移動，導軌面內設置有階梯差，并在導向柱內裝有壓簧和鋼球。壓桿在導向柱和鋼球的作用下沿著導軌面移動至圖8（c）所示位置，實現壓桿位置鎖定并固定鎖鉤旋轉角度，此時鎖鉤將棘爪鎖定，棘爪與棘輪上的輪齒脫離，棘輪可自由轉動，艙門解鎖并可順時針關閉。

圖7 導軌面結構圖Fig.7 Structural drawing of guide surface

圖8 自鎖解鎖機構工作原理圖Fig.8 Working principle diagram of self-locking and unlocking mechanism

當艙門旋轉至約25°時（見圖6），棘輪上的碰塊B推動自鎖解鎖機構中的壓桿，壓桿帶動拉桿在導向柱和鋼球的導向下沿著導軌面上尖點B右側（見圖7）移動至圖8（d）所示位置，自鎖解鎖機構中的壓桿解鎖，在艙門關閉的同時，壓桿在壓簧作用下復位并帶動拉桿向上移動至初始狀態（圖8（a）所示位置），鎖鉤在扭簧的作用下復位至初始狀態（圖8（a）所示位置），棘爪在扭簧作用下復位至初始狀態。

3 關重件強度校核

在本自鎖式艙門機構中，棘爪為艙門實現自鎖和解鎖功能的關重件，因此，本文對該零件進行強度和剛度分析。棘爪的材料選用Q235低碳鋼，屈服強度235 MPa，抗拉強度370 MPa，抗剪強度141 MPa[6]，結構尺寸如圖9所示。

圖9 棘爪結構尺寸圖Fig.9 Structure size drawing of pawl

3.1 受力分析

在本艙門結構中，棘爪的主要功能是實現艙門自鎖。艙門在一定角度開啟并鎖定時，以艙門重心位置為力作用點，豎直向下為力的方向，艙門重心位置至艙門旋轉軸的垂直距離L為力臂，在艙門重力F作用下產生艙門轉動的力矩M。為實現艙門自鎖功能，棘爪限制艙門轉動并承載旋轉力矩，艙門受力情況如圖10所示。

圖10 艙門受力分析圖Fig.10 Force analysis diagram of cabin door

采用Creo三維軟件進行三維建模，并對該方案中的零部件添加材料屬性進行重量測量，測量結果如表1所示。

力矩計算公式為：

式中：M為力矩；F為力；L為力臂。

在艙門開啟至45°時，艙門重力產生的力矩最大，即棘爪受到的作用力最大，因此以該狀態進行受力校核計算。根據表1的計算結果艙門組件的總重量為95.858 kg，為便于計算將其圓整為96 kg。通過三維實體模型測量，艙門重心位置至艙門旋轉軸的垂直距離為370.2 mm，因此艙門重力產生的最大力矩為：

表1 主要零部件重量Tab.1 Weight of major components

式中：F為艙門重力；L1為艙門重心位置至艙門旋轉軸的垂直距離。

同樣，根據《材料力學》中力矩計算公式（式（1））可推導出棘爪受到的最大力Fmax為：

式中：L2為棘爪對稱中心線至艙門旋轉中心垂直距離。

根據《材料力學》可知，其抗壓結構強度可用式（2）進行計算和校核[7]。

式中：k為安全因數；F為棘爪承受載荷；A為棘爪截面面積； σ 為許用壓應力。

棘爪最小截面面積通過Creo三維建模軟件對三維實體模型進行測量，最小截面面積為為52.1 mm2。

則：

經對棘爪進行理論計算強度校核，在安全系數為2的情況下，最大應力為317.1 MPa，小于許用應力370 MPa，可滿足設計使用要求。

3.2 有限元分析

為驗證理論計算的正確性，普遍采用有限元方法進行校核[8]。本文采用Creo Simulate對棘爪進行有限元仿真分析。通過對棘爪分別添加材料、約束和載荷，得到有限元模型[9]（具體過程不再一一贅述），最后對棘爪的有限元模型進行靜態分析，得到相對應的應力和應變情況，結果如圖11和圖12所示。

通過仿真分析，棘爪的最大應力為323.9 MPa，小于屈服強度370 MPa，且變形量較小，在規定工況下不會發生結構性破壞，滿足設計使用要求。

3.3 對比分析

分別使用理論計算和Creo Simulate仿真分析的方法對通用棘爪進行強度和剛度計算校核，分析結果表明，仿真結果與理論計算基本一致，棘爪的強度和剛度能夠滿足工作的要求。

圖11 棘爪應力圖Fig.11 Pawl stress diagram

圖12 棘爪應變圖Fig.12 Pawl strain diagram

4 結 語

本文以艙門為研究對象，設計開發了一種自鎖式艙門，該艙門通過棘輪和棘爪結構實現艙門開啟后的鎖定，采用自鎖解鎖機構和碰塊將棘爪限位自鎖實現艙門關閉時的解鎖，同時使用自鎖解鎖機構和碰塊將棘爪復位解鎖實現艙門自鎖結構的復位，并對其結構原理和受力情況進行分析研究，通過理論計算對關鍵零部件進行強度校核，完成了艙門的結構設計。利用Creo三維軟件進行三維實體建模，并使用Creo Simulate對關鍵零部件進行強度剛度仿真分析，仿真結果驗證了理論計算的正確性。通過理論計算和仿真分析驗證了所設計的自鎖式艙門的可行性，能夠滿足艙門多角度開啟和自鎖解鎖的工作要求。