作動(dòng)筒內(nèi)置指形鎖結(jié)構(gòu)研究

馮廣，張健全，金軍

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410200）

0 引言

在設(shè)計(jì)作動(dòng)筒時(shí)，往往因結(jié)構(gòu)或者空間的要求，需要在作動(dòng)筒內(nèi)部設(shè)置鎖結(jié)構(gòu)，以便在末端位置把活塞鎖住，如一些船舶的艙門(mén)開(kāi)關(guān)作動(dòng)筒，飛機(jī)起落架收放作動(dòng)筒及艙門(mén)收放作動(dòng)筒等。作動(dòng)筒的內(nèi)置鎖結(jié)構(gòu)通常有鋼球鎖、指形鎖、卡環(huán)鎖三種[1]。鋼球鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但承載較小，特別是鋼球鎖，承受較高載荷時(shí)，因?yàn)殇撝榕c支撐件是點(diǎn)接觸，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，工作次數(shù)頻繁時(shí)，往往破壞鎖環(huán)的表面。卡環(huán)鎖主要靠卡環(huán)開(kāi)口處的收縮和張開(kāi)變形，與鎖環(huán)共同完成上鎖能力，這種鎖結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但因變形較大，容易在卡環(huán)中部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)拆卸也不方便。指形鎖承力較高，開(kāi)、關(guān)鎖可靠，但是其受力情況較復(fù)雜，往往應(yīng)用在高承載結(jié)構(gòu)中。在工程設(shè)計(jì)中，鋼球鎖與卡環(huán)鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)鎖壓力也容易計(jì)算，而對(duì)于指形鎖，筆者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)員在進(jìn)行開(kāi)鎖壓力試驗(yàn)時(shí)，與設(shè)計(jì)的開(kāi)鎖壓力偏差較大。為了更好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，本文對(duì)指形鎖開(kāi)鎖原理進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)分析了指形鎖結(jié)構(gòu)的受力情況。

1 工作原理

圖1為內(nèi)置指形鎖結(jié)構(gòu)的某作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)圖。其鎖結(jié)構(gòu)由浮動(dòng)活塞、固定套、支撐鎖環(huán)、分離夾頭、鎖撐塊、復(fù)位彈簧等組成。支撐鎖環(huán)與固定套組的接觸部分組成了一個(gè)組合鎖槽；分離夾頭是關(guān)鍵零件，其形狀像手指，在“手指”的端部有設(shè)置有鎖頭，這些“手指”具有一定的剛度和彈性，通過(guò)“手指”的撓度變形，其端部的鎖頭退出或進(jìn)入組合鎖槽A，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)、關(guān)鎖。圖示位置為上鎖狀態(tài)，當(dāng)液壓或者氣壓從進(jìn)油孔（進(jìn)氣孔）進(jìn)入作動(dòng)筒時(shí)，系統(tǒng)壓力克服復(fù)位彈簧變形力，推動(dòng)活塞，帶動(dòng)鎖撐塊向左運(yùn)動(dòng)逐漸退出分離夾頭支撐面。在鎖撐塊退出支撐面后，此時(shí)支撐鎖環(huán)與作動(dòng)筒活塞受到液壓作用有向左運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，支撐鎖環(huán)斜面壓迫分離夾頭使之發(fā)生向下彎曲的彈性變形，將分離夾頭的鎖頭壓出鎖槽A，并擠入支撐鎖環(huán)的柱面從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖。

圖1 某作動(dòng)筒指形鎖結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)作動(dòng)筒上鎖時(shí)，作動(dòng)筒活塞桿帶動(dòng)鎖撐塊、支撐鎖環(huán)一起向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)分離夾頭與支撐鎖環(huán)的斜面B接觸時(shí)，分離夾頭被迫徑向收縮，繼續(xù)前移并頂壓鎖撐塊，當(dāng)夾頭越過(guò)支撐鎖環(huán)的內(nèi)圓柱面時(shí)，夾頭即向四周張開(kāi)，滑入鎖槽A。此時(shí)，鎖撐塊受彈簧力作用伸入分離夾頭內(nèi)部，并保持在該位置，分離夾頭被鎖鎖住不能移動(dòng)，作動(dòng)筒實(shí)現(xiàn)上鎖。

2 受力分析

該鎖機(jī)構(gòu)上鎖時(shí)只需克服彈簧力和系統(tǒng)的摩擦力的影響，情況簡(jiǎn)單，這里不做分析，這里重點(diǎn)分析開(kāi)鎖時(shí)的受力情況。

2.1 開(kāi)鎖力計(jì)算

作動(dòng)筒開(kāi)鎖可以分為兩個(gè)階段：在階段一，將鎖撐塊推出分離夾頭；在階段二，壓迫分離夾頭，使其退出鎖槽。

1）階段一的受力分析。

階段一主要克服分離夾頭左側(cè)的彈簧力和分離夾頭對(duì)鎖撐塊的摩擦力，圖2為階段一指形鎖分離夾頭的受力簡(jiǎn)圖。圖2中N1為支撐鎖環(huán)對(duì)夾頭的壓力；Ff1為支撐鎖環(huán)對(duì)分離夾頭的摩擦力；θ為夾頭的斜面夾角，N2為鎖撐塊對(duì)夾頭的支撐力；Ff2為鎖撐塊對(duì)夾頭的摩擦力；p為開(kāi)鎖壓力；S0為作動(dòng)筒活塞面積；f為摩擦因數(shù)，有潤(rùn)滑的光滑表面的摩擦因數(shù)一般取0.1[2]。由力學(xué)平衡方程有：

圖2 階段一分離夾頭結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

令鎖撐塊左側(cè)彈簧的彈性系數(shù)為k，彈簧壓縮長(zhǎng)度為x，鎖撐塊壓力有效作用面積為S1，有

式中，K為分離夾頭的型面因子，表征分離夾頭的斜面夾角θ對(duì)開(kāi)鎖壓力的影響。

2）階段二的受力分析。

該階段需要使夾頭產(chǎn)生一定撓度δ，使其內(nèi)縮至支撐鎖環(huán)柱面。圖3為該階段受力分析簡(jiǎn)圖。

圖3 階段二受力分析簡(jiǎn)圖

式中，n為分離夾頭的數(shù)量。

3）確定開(kāi)鎖壓力。

由式（3）和式（6）可以得出開(kāi)鎖壓力。實(shí)際情況下，分別計(jì)算出兩個(gè)階段的壓力p，其較大者即為理論開(kāi)鎖壓力。

3.2 影響開(kāi)鎖壓力的參數(shù)和分析

由式（3）和式（6）可以看出，鎖機(jī)構(gòu)的開(kāi)鎖壓力主要與以下幾個(gè)參數(shù)有關(guān)：

1）分離夾頭的斜面坡角θ。

從式（3）知，在彈簧力kx與面積S0、S1都一定時(shí)，分離夾頭型面因子K越小，開(kāi)鎖壓力就越小，反之開(kāi)鎖壓力越大。而從K的表達(dá)式可以看出，0°～90°范圍內(nèi)，隨著θ的增加，K逐漸減小；反之則K逐漸增大。因此，在階段一的情況下，θ越小，開(kāi)鎖壓力越小。極限情況下，θ為0°時(shí)，開(kāi)鎖力可以忽略不計(jì)，此時(shí)相當(dāng)于分離夾頭與支撐鎖環(huán)沒(méi)有限位作用，分離夾頭不需要撓曲變形，僅克服復(fù)位彈簧力即可；θ為90°時(shí)，開(kāi)鎖力最大，從式（3）可以看出K為-0.01，從安裝關(guān)系上可以看出，因?yàn)橹捂i環(huán)與分離夾頭接觸高度較小，分離夾頭較薄，忽略支撐鎖環(huán)對(duì)分離夾頭的彎矩作用，因此在開(kāi)鎖時(shí)只有軸向載荷N1，鎖撐塊與分離夾頭幾乎不接觸，壓載荷N2近似為0，此時(shí)液壓力pS0與N1平衡，分離夾頭與支撐鎖環(huán)基本上不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有撓度變形，要開(kāi)鎖，只有分離夾頭斷裂。

可以看出，分離夾頭的斜面坡角θ對(duì)開(kāi)鎖階段一與開(kāi)鎖階段二的開(kāi)鎖壓力有影響。

2）鎖撐塊的有效作用面積S1。

從開(kāi)鎖工作順序可以看出，在開(kāi)鎖階段一時(shí)，需要將鎖撐塊推出分離夾頭，此時(shí)液壓系統(tǒng)提供的載荷與鎖撐塊的有效面積S1成正比，而此時(shí)系統(tǒng)壓力p與鎖撐塊的有效作用面積S1成反比，即有效面積S1越大，開(kāi)鎖壓力p越小。可以看出，鎖撐塊的有效作用面積S1僅對(duì)開(kāi)鎖階段一的開(kāi)鎖壓力有影響。

3）復(fù)位彈簧的阻力值kx。

復(fù)位彈簧作用為防止因振動(dòng)、沖擊或者液壓系統(tǒng)的壓力脈沖等因素導(dǎo)致意外開(kāi)鎖。因此復(fù)位彈簧對(duì)開(kāi)鎖壓力的影響主要集中在開(kāi)鎖階段一。在開(kāi)鎖階段一時(shí)，鎖撐塊要克服復(fù)位彈簧的阻力，故彈簧阻力越大，開(kāi)鎖壓力越大。可以看出，復(fù)位彈簧的阻力值kx僅對(duì)開(kāi)鎖階段一的開(kāi)鎖壓力有影響。

4）分離夾頭的抗彎剛度EI。

3 實(shí)例分析

將以上參數(shù)帶入式（3）和式（6），可得開(kāi)鎖階段一壓力p1=0.52 MPa；開(kāi)鎖階段二壓力p2=1.7 MPa，階段二壓力較大，說(shuō)明該鎖機(jī)構(gòu)開(kāi)鎖時(shí)的情況應(yīng)該是高壓氣體先推開(kāi)鎖撐塊后，隨著壓力上升再把分離夾頭壓入支撐鎖環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖。故理論開(kāi)鎖壓力值為1.7 MPa。對(duì)該氣缸開(kāi)鎖壓力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際開(kāi)鎖壓力為1.6 MPa，基本符合理論計(jì)算。

通過(guò)前文分析，指形鎖開(kāi)鎖分為兩個(gè)階段，設(shè)計(jì)員在計(jì)算開(kāi)鎖壓力時(shí)，往往只考慮開(kāi)鎖階段一的情況，即認(rèn)為鎖支撐塊退出分離夾頭支撐面后，鎖即打開(kāi)，沒(méi)有考慮到當(dāng)指形鎖分離夾頭剛度特別大時(shí)，系統(tǒng)推動(dòng)浮動(dòng)活塞的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以迫使分離夾頭的撓曲，使得鎖頭退出組合鎖槽A。

4 結(jié)論

本文主要分析了一種作動(dòng)筒內(nèi)置指形鎖開(kāi)鎖順序和受力情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）指形鎖作動(dòng)筒開(kāi)鎖分為兩個(gè)階段，即階段一鎖支撐塊脫出分離夾頭支撐面，階段二分離夾頭受壓鎖頭退出組合鎖槽，應(yīng)分別計(jì)算兩個(gè)階段的開(kāi)鎖壓力，其中較大的壓力為設(shè)計(jì)開(kāi)鎖壓力。

2）分離夾頭坡角、復(fù)位彈簧的力值、鎖撐塊的有效作用面積、分離夾頭的抗彎剛度及分離夾頭的懸臂長(zhǎng)對(duì)指形鎖的開(kāi)鎖性能影響較大。

3）分離夾頭坡角對(duì)兩個(gè)開(kāi)鎖階段的開(kāi)鎖壓力均有影響，復(fù)位彈簧的力值和鎖撐塊的有效作用面積僅對(duì)開(kāi)鎖階段一開(kāi)鎖壓力有影響，分離夾頭的抗彎剛度和分離夾頭的懸臂長(zhǎng)僅對(duì)開(kāi)鎖階段二開(kāi)鎖壓力有影響。