機(jī)械自鎖的現(xiàn)象的分析及應(yīng)用

林桂冬　康鑫　陳國(guó)健

摘 要：機(jī)械的自鎖的現(xiàn)象是無(wú)論驅(qū)動(dòng)力多么大，都不能超過(guò)由它所產(chǎn)生的摩擦阻力，也無(wú)法使機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在機(jī)械中有時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)自鎖，而有些機(jī)械要利用自鎖進(jìn)行工作。

關(guān)鍵詞：機(jī)械自鎖；自鎖應(yīng)用；自鎖現(xiàn)象分析

1.機(jī)械自鎖現(xiàn)象的原理

自鎖現(xiàn)象在機(jī)械工程中具有十分重要的意義。例如手搖螺旋千斤頂，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手把將物體撐起后，應(yīng)保證不論物體的重量多大，都不能驅(qū)動(dòng)螺母反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致物體自行降落下來(lái)。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(kāi)叉的木鎖（木楔子）頃角要小于自鎖角形成自鎖，各種機(jī)關(guān)扣，一次性上緊扣，只進(jìn)不退的扣全自動(dòng)鉛筆就用的這個(gè)原理。

機(jī)械效率η=Wr/Wd=（Wd一Wf）/Wd=1-Wf/Wd

當(dāng)η=0時(shí)，機(jī)械處于臨界自鎖狀態(tài)；

當(dāng)η<0時(shí)，其絕對(duì)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(diǎn)判斷

當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)自鎖時(shí)，無(wú)論驅(qū)動(dòng)力多大，都不能運(yùn)動(dòng)。從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，就是：驅(qū)動(dòng)力所做的功永遠(yuǎn)小于等于由其引起的摩擦力所做的功即：η≤0。當(dāng)η≤0時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)自鎖的現(xiàn)象。說(shuō)明：η≤0時(shí)，機(jī)械已不能動(dòng)，外力根本不做功η已失去一般效率的意義。

2.2從生產(chǎn)阻力方面判斷

η=G/G0≤0==>G≤0

上式說(shuō)明當(dāng)生產(chǎn)阻力反向而變成驅(qū)動(dòng)力之后，才能使機(jī)械運(yùn)動(dòng)。上式可作為是否自鎖及出現(xiàn)自鎖條件的依據(jù)。

2.3根據(jù)不同的場(chǎng)合，應(yīng)用不同的機(jī)械自鎖判斷條件：

▲驅(qū)動(dòng)力落在摩擦錐或摩擦圓之內(nèi)；

▲令η≤0；

▲令生產(chǎn)阻力G≤0；

▲驅(qū)動(dòng)力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力F≤F摩擦力。

3.機(jī)械自鎖現(xiàn)象的分析：

圖4.6（a）所示的平面滑塊機(jī)構(gòu)中，設(shè)此時(shí)滑塊不會(huì)發(fā)生側(cè)傾。若已知生產(chǎn)阻力Q和驅(qū)動(dòng)力P的作用方向和作用點(diǎn)以及滑塊1的運(yùn)動(dòng)方向。運(yùn)動(dòng)副中的摩擦系數(shù)f和力Q的大小均已確定。試求此機(jī)構(gòu)所組成的機(jī)器機(jī)械自鎖的條件。

解：本機(jī)構(gòu)為只含移動(dòng)副的機(jī)構(gòu)，因已知f，故φ=arctanf.

取滑塊1為分離體，因滑塊不發(fā)生傾側(cè)，其上只作用三個(gè)力P、Q和R21，其中總反力R的作用線與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度V12的方向成90+φ的鈍角，并通過(guò)P和Q作用線的交點(diǎn)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(jī)械中，f=0，即φ=0，故理想驅(qū)動(dòng)力為

P。=Q*cosβ/cosφ

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

機(jī)械的自鎖條件可用多種方法求得。

按移動(dòng)副的自鎖條件來(lái)確定時(shí)，P為驅(qū)動(dòng)力，由圖可知傳動(dòng)角為90°一α，故自鎖時(shí)，必須90°一a≤φ，可得機(jī)械自鎖的條件為

α ≥90°一φ

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

求得α十φ≥90°時(shí)，機(jī)構(gòu)自鎖，即自鎖條件為

α≥90°一φ

按生產(chǎn)阻力Q等于或小于零的條件來(lái)確定時(shí)，可先求得Q的表達(dá)式

Q=P*cos（α十φ）/cos（β一φ）

并令Q≤0，可得α十φ≥90°機(jī)構(gòu)自鎖，即自鎖條件為

α ≥90°一φ

4.機(jī)械自鎖的應(yīng)用

4.1斜坡上車輛的停放

車輛停放在斜坡上，實(shí)際上是車輪在斜坡上的磨擦自鎖現(xiàn)象。由于車輪與斜坡間的滾動(dòng)磨擦系數(shù)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(shí)，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(dòng)磨擦系數(shù)，也就增大了最大滾動(dòng)磨擦角θ max；當(dāng)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(xù)向下滑動(dòng)。

4.2油井所用單彎螺桿動(dòng)力鉆具自鎖現(xiàn)象的消除

打油井所用單彎螺桿動(dòng)力鉆具在打油井的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)當(dāng)鉆頭打到1到2米深的時(shí)候繼續(xù)給鉆頭施加壓力而鉆頭加不上鉆壓的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)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(guò)程中，扶正器與沿壁相接處導(dǎo)致產(chǎn)生的摩擦力與施加的壓力相抵消。當(dāng)扶正器母線與井眼軸線的夾角比自鎖角大時(shí)，就會(huì)發(fā)生自鎖現(xiàn)象。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)自鎖角的大小主要取決于井眼直徑、扶正器直徑和長(zhǎng)度。當(dāng)縮小扶正器的直徑以及長(zhǎng)度，使扶正器外徑以球狀小斜角向本體過(guò)渡，結(jié)果克服了自鎖，消除了鉆頭加不上鉆壓的現(xiàn)象，使油井順利完成。

5.結(jié)束語(yǔ)

自鎖現(xiàn)象在生活和工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用十分的廣泛，在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，很多因?yàn)闆](méi)有考慮到自鎖現(xiàn)象而造成重大的失誤和危害。論文對(duì)機(jī)械自鎖現(xiàn)象的原理、自鎖的方法及生活中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析和總結(jié)，通過(guò)對(duì)力學(xué)自鎖現(xiàn)象的研究和應(yīng)用分析，深入的了解了自鎖現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，明白了自鎖產(chǎn)生的條件和避免發(fā)生自鎖的方法，讓我們更好的合理利用自鎖現(xiàn)象解決我們身邊的日常問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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