馮廣，張健全，金軍

（中航飛機起落架有限責任公司 工程技術(shù)研究中心，長沙 410200）

0 引言

在設計作動筒時，往往因結(jié)構(gòu)或者空間的要求，需要在作動筒內(nèi)部設置鎖結(jié)構(gòu)，以便在末端位置把活塞鎖住，如一些船舶的艙門開關(guān)作動筒，飛機起落架收放作動筒及艙門收放作動筒等。作動筒的內(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)簡單，但承載較小，特別是鋼球鎖，承受較高載荷時，因為鋼珠與支撐件是點接觸，容易產(chǎn)生應力集中，工作次數(shù)頻繁時，往往破壞鎖環(huán)的表面。卡環(huán)鎖主要靠卡環(huán)開口處的收縮和張開變形，與鎖環(huán)共同完成上鎖能力，這種鎖結(jié)構(gòu)雖然簡單，但因變形較大，容易在卡環(huán)中部產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，同時拆卸也不方便。指形鎖承力較高，開、關(guān)鎖可靠，但是其受力情況較復雜，往往應用在高承載結(jié)構(gòu)中。在工程設計中，鋼球鎖與卡環(huán)鎖結(jié)構(gòu)簡單，開鎖壓力也容易計算，而對于指形鎖，筆者發(fā)現(xiàn)設計員在進行開鎖壓力試驗時，與設計的開鎖壓力偏差較大。為了更好地指導工程設計，本文對指形鎖開鎖原理進行了介紹，重點分析了指形鎖結(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)的某作動筒結(jié)構(gòu)圖。其鎖結(jié)構(gòu)由浮動活塞、固定套、支撐鎖環(huán)、分離夾頭、鎖撐塊、復位彈簧等組成。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”的端部有設置有鎖頭，這些“手指”具有一定的剛度和彈性，通過“手指”的撓度變形，其端部的鎖頭退出或進入組合鎖槽A，從而實現(xiàn)開、關(guān)鎖。圖示位置為上鎖狀態(tài)，當液壓或者氣壓從進油孔（進氣孔）進入作動筒時，系統(tǒng)壓力克服復位彈簧變形力，推動活塞，帶動鎖撐塊向左運動逐漸退出分離夾頭支撐面。在鎖撐塊退出支撐面后，此時支撐鎖環(huán)與作動筒活塞受到液壓作用有向左運動趨勢，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)的柱面從而實現(xiàn)開鎖。

圖1 某作動筒指形鎖結(jié)構(gòu)示意圖

當作動筒上鎖時，作動筒活塞桿帶動鎖撐塊、支撐鎖環(huán)一起向右運動，當分離夾頭與支撐鎖環(huán)的斜面B接觸時，分離夾頭被迫徑向收縮，繼續(xù)前移并頂壓鎖撐塊，當夾頭越過支撐鎖環(huán)的內(nèi)圓柱面時，夾頭即向四周張開，滑入鎖槽A。此時，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，作動筒實現(xiàn)上鎖。

2 受力分析

該鎖機構(gòu)上鎖時只需克服彈簧力和系統(tǒng)的摩擦力的影響，情況簡單，這里不做分析，這里重點分析開鎖時的受力情況。

2.1 開鎖力計算

作動筒開鎖可以分為兩個階段：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鎖撐塊的摩擦力，圖2為階段一指形鎖分離夾頭的受力簡圖。圖2中N1為支撐鎖環(huán)對夾頭的壓力；Ff1為支撐鎖環(huán)對分離夾頭的摩擦力；θ為夾頭的斜面夾角，N2為鎖撐塊對夾頭的支撐力；Ff2為鎖撐塊對夾頭的摩擦力；p為開鎖壓力；S0為作動筒活塞面積；f為摩擦因數(shù)，有潤滑的光滑表面的摩擦因數(shù)一般取0.1[2]。由力學平衡方程有：

圖2 階段一分離夾頭結(jié)構(gòu)受力簡圖

令鎖撐塊左側(cè)彈簧的彈性系數(shù)為k，彈簧壓縮長度為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對開鎖壓力的影響。

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圖。

圖3 階段二受力分析簡圖

式中，n為分離夾頭的數(shù)量。

3）確定開鎖壓力。

由式（3）和式（6）可以得出開鎖壓力。實際情況下，分別計算出兩個階段的壓力p，其較大者即為理論開鎖壓力。

3.2 影響開鎖壓力的參數(shù)和分析

由式（3）和式（6）可以看出，鎖機構(gòu)的開鎖壓力主要與以下幾個參數(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，分離夾頭型面因子K越小，開鎖壓力就越小，反之開鎖壓力越大。而從K的表達式可以看出，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，開鎖壓力越小。極限情況下，θ為0°時，開鎖力可以忽略不計，此時相當于分離夾頭與支撐鎖環(huán)沒有限位作用，分離夾頭不需要撓曲變形，僅克服復位彈簧力即可；θ為90°時，開鎖力最大，從式（3）可以看出K為-0.01，從安裝關(guān)系上可以看出，因為支撐鎖環(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)對分離夾頭的彎矩作用，因此在開鎖時只有軸向載荷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)生相對運動，沒有撓度變形，要開鎖，只有分離夾頭斷裂。

可以看出，分離夾頭的斜面坡角θ對開鎖階段一與開鎖階段二的開鎖壓力有影響。

2）鎖撐塊的有效作用面積S1。

從開鎖工作順序可以看出，在開鎖階段一時，需要將鎖撐塊推出分離夾頭，此時液壓系統(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，開鎖壓力p越小?？梢钥闯觯i撐塊的有效作用面積S1僅對開鎖階段一的開鎖壓力有影響。

3）復位彈簧的阻力值kx。

復位彈簧作用為防止因振動、沖擊或者液壓系統(tǒng)的壓力脈沖等因素導致意外開鎖。因此復位彈簧對開鎖壓力的影響主要集中在開鎖階段一。在開鎖階段一時，鎖撐塊要克服復位彈簧的阻力，故彈簧阻力越大，開鎖壓力越大?？梢钥闯觯瑥臀粡椈傻淖枇χ祂x僅對開鎖階段一的開鎖壓力有影響。

4）分離夾頭的抗彎剛度EI。

3 實例分析

將以上參數(shù)帶入式（3）和式（6），可得開鎖階段一壓力p1=0.52 MPa；開鎖階段二壓力p2=1.7 MPa，階段二壓力較大，說明該鎖機構(gòu)開鎖時的情況應該是高壓氣體先推開鎖撐塊后，隨著壓力上升再把分離夾頭壓入支撐鎖環(huán)內(nèi)實現(xiàn)開鎖。故理論開鎖壓力值為1.7 MPa。對該氣缸開鎖壓力進行試驗驗證，實際開鎖壓力為1.6 MPa，基本符合理論計算。

通過前文分析，指形鎖開鎖分為兩個階段，設計員在計算開鎖壓力時，往往只考慮開鎖階段一的情況，即認為鎖支撐塊退出分離夾頭支撐面后，鎖即打開，沒有考慮到當指形鎖分離夾頭剛度特別大時，系統(tǒng)推動浮動活塞的載荷遠遠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筒內(nèi)置指形鎖開鎖順序和受力情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）指形鎖作動筒開鎖分為兩個階段，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，應分別計算兩個階段的開鎖壓力，其中較大的壓力為設計開鎖壓力。

2）分離夾頭坡角、復位彈簧的力值、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對指形鎖的開鎖性能影響較大。

3）分離夾頭坡角對兩個開鎖階段的開鎖壓力均有影響，復位彈簧的力值和鎖撐塊的有效作用面積僅對開鎖階段一開鎖壓力有影響，分離夾頭的抗彎剛度和分離夾頭的懸臂長僅對開鎖階段二開鎖壓力有影響。