機械自鎖的現象的分析及應用

林桂冬　康鑫　陳國健

摘 要：機械的自鎖的現象是無論驅動力多么大，都不能超過由它所產生的摩擦阻力，也無法使機械運動。在機械中有時應避免出現自鎖，而有些機械要利用自鎖進行工作。

關鍵詞：機械自鎖；自鎖應用；自鎖現象分析

1.機械自鎖現象的原理

自鎖現象在機械工程中具有十分重要的意義。例如手搖螺旋千斤頂，當轉動手把將物體撐起后，應保證不論物體的重量多大，都不能驅動螺母反轉，導致物體自行降落下來。也就是要求該千斤頂在物體的重力作用下，必須具有自鎖性。這種利用自鎖性的例子，在生活中就有很多，例如：碰鎖斜面頃角要大于自鎖角避免自鎖。開叉的木鎖（木楔子）頃角要小于自鎖角形成自鎖，各種機關扣，一次性上緊扣，只進不退的扣全自動鉛筆就用的這個原理。

機械效率η=Wr/Wd=（Wd一Wf）/Wd=1-Wf/Wd

當η=0時，機械處于臨界自鎖狀態；

當η<0時，其絕對值越大，表明自鎖越可靠。

2.分析（是否）自鎖的方法

2.1從效率觀點判斷

當機械出現自鎖時，無論驅動力多大，都不能運動。從能量的觀點來看，就是：驅動力所做的功永遠小于等于由其引起的摩擦力所做的功即：η≤0。當η≤0時，將會出現自鎖的現象。說明：η≤0時，機械已不能動，外力根本不做功η已失去一般效率的意義。

2.2從生產阻力方面判斷

η=G/G0≤0==>G≤0

上式說明當生產阻力反向而變成驅動力之后，才能使機械運動。上式可作為是否自鎖及出現自鎖條件的依據。

2.3根據不同的場合，應用不同的機械自鎖判斷條件：

▲驅動力落在摩擦錐或摩擦圓之內；

▲令η≤0；

▲令生產阻力G≤0；

▲驅動力在運動方向上的分力F≤F摩擦力。

3.機械自鎖現象的分析：

圖4.6（a）所示的平面滑塊機構中，設此時滑塊不會發生側傾。若已知生產阻力Q和驅動力P的作用方向和作用點以及滑塊1的運動方向。運動副中的摩擦系數f和力Q的大小均已確定。試求此機構所組成的機器機械自鎖的條件。

解：本機構為只含移動副的機構，因已知f，故φ=arctanf.

取滑塊1為分離體，因滑塊不發生傾側，其上只作用三個力P、Q和R21，其中總反力R的作用線與相對運動速度V12的方向成90+φ的鈍角，并通過P和Q作用線的交點M。由平衡條件可得

Q+P+R21=0

由上式作力多邊形如圖4.6（b）所示，確定多邊形的夾角后，可求得

P/sin[90°一（β一φ）]= Q/sin[90°一（α十φ）]，所以

P=Q*cos（β一φ）/cos（α十φ）

如在理想機械中，f=0，即φ=0，故理想驅動力為

P。=Q*cosβ/cosφ

故機械效率：η= P。/P =[cosβ*cos（α十φ）]/[cosα cos（β一φ）]

機械的自鎖條件可用多種方法求得。

按移動副的自鎖條件來確定時，P為驅動力，由圖可知傳動角為90°一α，故自鎖時，必須90°一a≤φ，可得機械自鎖的條件為

α ≥90°一φ

按機械效率小于或等于零的條件來確定時，可令η= P。/P =[cosβ*cos（α十φ）]/[cosα cos（β一φ）]≤0

求得α十φ≥90°時，機構自鎖，即自鎖條件為

α≥90°一φ

按生產阻力Q等于或小于零的條件來確定時，可先求得Q的表達式

Q=P*cos（α十φ）/cos（β一φ）

并令Q≤0，可得α十φ≥90°機構自鎖，即自鎖條件為

α ≥90°一φ

4.機械自鎖的應用

4.1斜坡上車輛的停放

車輛停放在斜坡上，實際上是車輪在斜坡上的磨擦自鎖現象。由于車輪與斜坡間的滾動磨擦系數μ和車輪半徑R 的比值較小，磨擦角也小，車輛一般只能停放在較小傾角的斜面上。

在斜面傾角θ較大（即θ>arctanμ/R）時，車將沿斜面下滑。為了防止下滑，人們常在車輪后下方墊以石塊，由于石塊的墊入，增大了滾動磨擦系數，也就增大了最大滾動磨擦角θ max；當斜坡傾角小于或等于增大后的磨擦角θ max 就滿足了θ≤θ max，車輛將不再下滑。否則，車輛將繼續向下滑動。

4.2油井所用單彎螺桿動力鉆具自鎖現象的消除

打油井所用單彎螺桿動力鉆具在打油井的過程中，會出現當鉆頭打到1到2米深的時候繼續給鉆頭施加壓力而鉆頭加不上鉆壓的現象。研究發現是扶正器自鎖造成的。什么是扶正器自鎖呢？就是在往下打井的過程中，扶正器與沿壁相接處導致產生的摩擦力與施加的壓力相抵消。當扶正器母線與井眼軸線的夾角比自鎖角大時，就會發生自鎖現象。根據研究發現自鎖角的大小主要取決于井眼直徑、扶正器直徑和長度。當縮小扶正器的直徑以及長度，使扶正器外徑以球狀小斜角向本體過渡，結果克服了自鎖，消除了鉆頭加不上鉆壓的現象，使油井順利完成。

5.結束語

自鎖現象在生活和工業生產當中應用十分的廣泛，在設計機械時，很多因為沒有考慮到自鎖現象而造成重大的失誤和危害。論文對機械自鎖現象的原理、自鎖的方法及生活中的實際應用進行了分析和總結，通過對力學自鎖現象的研究和應用分析，深入的了解了自鎖現象產生的原因，明白了自鎖產生的條件和避免發生自鎖的方法，讓我們更好的合理利用自鎖現象解決我們身邊的日常問題。

參考文獻：

[1]孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.5.

[2]哈爾濱工業大學理論力學教研組編.理論力學（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2002：234-251.