機械裝置的保險機構概論

谷萬淼 宋則良 陳強

摘 要：機械裝置的保險機構是為了有效防止裝置勿觸發的一種保護機構，在機械設計中大量采用。保險機構系統性的分類在學術上缺乏統一的認識，給設計人員從事保險機構的設計帶來一定困惑。本文根據機械裝置中比較常見的幾種保險機構形式，著重研究了其工作原理和類型，分析了基本的設計形式、優缺點和設置方法，針對容易混淆的保險機構和自鎖機構進行了比較詳細的辨析并以具體的實例加以說明，為設計人員有針對性的選擇、設計機械裝置的保險機構提供了參考。

關鍵詞：機械裝置；保險機構；自鎖；安全

1 概述

機械裝置在存儲、運輸、待機過程中可能發生偶然作動或過早作動等非設計意圖的情況，應視情況的危害性設置保險機構。保險機構是防止機械裝置發生操作者意愿之外動作的機構，有效的保險機構能夠防止非設計意圖情況的發生。某些失效的保險機構不一定導致機械裝置在有限次數的運行中發生非設計意圖的情況，但是若保險機構長期失效，機械裝置多次運行中發生非設計意圖情況的可能性大大增加。

保險機構能夠為操作者、設備和流程等提供可靠的安全保證。

保證人身安全的保險機構，如車輛的門鎖，能有效保證車門在車輛行駛中不因顛簸、轉向等因素影響而誤開啟危害乘坐者的人身安全。

保證設備安全的保險機構，如現代槍械設計中常用的不到位保險機構，能有效防止子彈在槍膛中尚未處于可靠的閉鎖位置時擊發而導致的炸膛危險。某氣缸作動裝置的負載在位保險機構，能夠阻止氣缸空載作動而導致的活塞無阻尼高速射出，破壞氣缸，損壞復位彈性件，擊中人體等事故發生。由于設備意外損壞往往伴隨著人身傷害事件發生，所以保證設備安全的保險機構也具有保護人身安全的功能。

保證流程安全的保險機構一般被設計成在線檢測設施，能夠隨時檢測流程中物理量的變化，超出允許范圍時自動觸發，保證流程安全，如安全閥、熔斷器等，此類保險機構不在本文的論述范圍中。

2 保險機構原理

機械裝置一般由完成機械裝置主功能的機構和提供動力的驅動機構兩個主要機構組成。保險機構屬于附加機構，其保險原理一般采用維持機械裝置主功能機構或驅動機構零件的特定工作狀態，或同時維持兩者特定工作狀態的方法，使整個裝置保持某種預設狀態不變。

圖1所示的是一種擺臂裝置的機構簡圖。3、5、6號機構是具有復位元件的保險機構，1號件擺臂和8號件釋放桿構成主功能機構；2號件是齒輪驅動機構。1號件擺臂繞與基體的鉸接點旋轉，8號件釋放桿支撐擺臂，2號件驅動機構推動擺臂旋轉。5、6號保險機構啟用后能夠阻擋擺臂和釋放桿旋轉，3號保險機構啟用后切斷主動齒輪與擺臂的傳動路徑。

3 保險機構類型的選擇

按照保險作用的方式，機械裝置的保險機構可按作用分為接觸式和分離式。接觸式保險機構是使主功能機構或驅動機構中的零件與保險銷類零件接觸并受其阻擋而不能工作。分離保險機構是將主功能機構或驅動機構中某些零件從機構傳動鏈中分離出來，使主功能機構與驅動機構失去聯系，此時即使觸發作動開關，主動機構也因為缺少驅動而無法正常工作。

接觸式保險機構直接作用于主功能機構，阻擋其工作狀態變化，在機械裝置受到劇烈振動和撞擊時均不易發生意外，安全可靠性較高，在振動、沖擊等工作環境中工作的機械裝置多選擇該種方式的保險機構。圖1機構簡圖所示的5號件和6號件為接觸式保險機構，分別防止擺臂和釋放桿誤動。

分離式保險機構是將某些零件從機構傳動鏈中分離出來，使主功能機構或驅動機構失去聯系或者喪失運動的可能，此時雖能觸發作動開關也不能正常工作。如果機械裝置僅采用這一種保險機構形式，當機械裝置受到跌落或劇烈振動式，主功能機構可能因慣性作用，意外作動。但是分離式的保險機構具有結構簡單、體積小、對主功能機構干涉輕微等優點，對于體積有較高要求的機械裝置多選擇該種方式的保險機構。圖1機構簡圖所示的3號件為分離保險機構，保險機構啟動后齒輪無法嚙合，防止驅動機構因誤動而推動擺臂旋轉。

按照開啟或解除保險的方式，保險機構可分為人工保險和自動保險兩種。人工保險需要操作者專門操作解除或恢復。自動保險不需操作者專門的操作即可解除或恢復保險。

人工保險的方式，由操作者提供專門的動作解除或恢復保險，保險動作可靠、機構簡單。現代槍械中大多采用這種保險方式。如國產92式5.8毫米手槍的第一重手動保險，必須手動撥動保險桿，才能控制保險的啟動和解除。

自動保險方式，由保險機構對某特定物理量的監測以此完成保險的解除或恢復，不需要操作人員提供額外的動作即可完成保險功能，保險動作迅捷。如美國柯爾特公司的M1911半自動手槍采用的握把保險，當射手握住握把，即可壓下連桿解除保險，保險機構監測的是射手是否正確的握住槍的握把。相比人工保險，自動保險監測的物理量存在被替代或誤判的可能，可靠性略低，通常配合人工保險共同作用。

4 保險機構的設置

保險機構多數設置成串聯形式和并聯形式。串聯形式的保險即第一重保險運作后方可運作下一重保險，這樣更符合操作習慣以及明確保險的級別。并聯形式的保險即多重保險并列存在，操作任一保險機構不影響其余保險機構。該形式更多的是隨著冗余的操作系統出現，也有保險級別較高或者要求多名人員共同操作的設備采用并聯式保險機構，需要兩個或更多并聯的保險機構被同時啟動或解除才能運行，如普通的密碼保險柜，除了使用鑰匙開鎖外還必須解除密碼盤的保險才能打開保險柜，鑰匙和密碼可以分開保管以提高保險柜級別。

串聯的保險機構和并聯的保險機構均采用增加操作流程的方式構成多重保險，以此提高啟動或解除保險的難度。如某型作動裝置，具有保險按鈕、擊發按鈕、保險按鈕外罩有保護罩。只有先打開保護罩、才能按下保險按鈕解除保險，然后再按下擊發按鈕，裝置方可工作，這就是雙重保險。如果在保護罩上設置鎖具，則增加了一重保險機構，構成三重保險。

保險機構的設置應根據設備的使用環境和設備誤操作引發事故的危害程度確定，保險設置的重數越多操作越繁瑣，響應時間越長。安裝了保險機構的機械裝置同樣存在誤動的概率，若觸發機構的誤操作概率為P1，第一重保險機構的誤操作概率為P2，第N重保險機構的誤操作概率為PN，則機械裝置誤動的概率P=P1×P2×……×PN，當P值很小時，在統計學范疇內定義為小概率事件，一次工作中不可能發生。

5 保險機構與自鎖機構的辨析

5.1 區別

保險機構容易與具有自鎖功能的主功能機構混淆，兩者均可使機械裝置保持某種工作狀態不變，均需提供額外動力才能改變當前的工作狀態。但是兩者還是有著本質的區別的。

1）邏輯控制不同。保險機構比主功能機構具有更高的控制權，保險機構能控制主功能機構，主功能機構運動不能反向控制保險機構運動。

2）鎖定狀態的原理不同。自鎖機構的鎖定原理是F驅動≤F保持，即比較機構中摩擦力、彈簧力、慣性力、重力等多種互相作用力的大小，當驅動力小于保持力的條件成立，機械裝置即可維持現有狀態不變；機構的自鎖狀態被破壞后，通常不會造成零件損壞。接觸式保險機構的鎖定原理是F驅動/S受力面≤[σ]，即對比鎖銷等保險機構零件材料的抗剪、抗拉、抗壓等機械性能能否承受機構運動造成的應力。當保險零件的強、剛度足以承受外力時，機械裝置即可維持現有狀態不變；機構的保險狀態被破壞后，通常會造成零件損壞。

3）工作環境的不同。自鎖功能的機構只能工作在特定的環境中，否則自鎖狀態將無法正常保持。例如靜置在斜面上的滑塊，滿足斜面角度α小于摩擦系數μ的反正切（α

5.2 舉例

根據以上的分析，以兩個例子具體說明：

1）如圖3所示的裝置，3號件搖臂上承載重物的重量，搖臂的運動由1號件擺臂通過2號件連桿驅動。擺臂只能繞鉸接點順時針旋轉，初始位置過死點角度為α。

在靜止的工作環境中，重物始終向下壓搖臂，重力的分力傳遞至擺臂后，使擺臂有繞鉸接點逆時針旋轉的趨勢，只要擺臂不繞鉸接點順時針旋轉α角，搖臂將始終保持水平位置不動，整個機構也處于穩定狀態。

當裝置的加速度方向發生變化時，會出現重物通過搖臂和連桿驅動擺臂順時針旋轉α角，破壞機構的穩定性的情況。所以圖3所示的裝置只包含具有自鎖功能的主功能機構，無保險機構。

2）有一種用同一機構運動過程中的兩個階段先后解除保險和驅動的設計形式，見圖4a、4b所示的裝置。

1號件主動擺臂首先順時針旋轉β角，通過7號件連桿、6號件搖臂和5號件連桿使4號件保險桿逆時針旋轉，解除對3號件滑塊的制動，1號件擺臂繼續順時針旋轉驅動2號件滑塊推動3號件滑塊。

由于主動擺臂能夠驅動保險桿解除對滑塊的制動，同時也能夠驅動滑塊運動，所以圖4a、4b所示的裝置只包含具有自鎖功能的主功能機構，無保險機構。無保險機構鎖定主動擺臂的初始狀態，裝置容易誤動。

取消1號件主動擺臂與6號件搖臂之間的7號件連桿，見圖4c、4d。3號件滑塊的運動則必須先解除4號件保險桿的阻擋，再由1號件主動擺臂帶動2號件驅動，裝置具有接觸式保險機構。實際應用中為了縮短裝置運動時間，解除保險和提供驅動可以由一個動作的前后兩個階段分別完成，典型的實例是奧地利格洛克系列手槍的雙扳機保險機構，由持槍者用一個扣扳機的動作，先壓下小扳機解除保險，再壓下扳機釋放擊針，擊針在彈簧的驅動下擊發彈藥，非常利于持槍者快速射擊。

6 綜述

保險機構在保證機械裝置安全、穩定的工作方面發揮了巨大的作用。軍用裝備的工作環境苛刻，對于安全性、可靠性等具有更高的要求，保險機構的作用更加不可或缺。保險機構的設計結構千差萬別，無固定的模式，希望文中分享的觀點能夠為技術人員設計更加可靠、靈活的保險機構提供一點思路。

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作者簡介：谷萬淼（1978-），男，研究方向：航空軍械設計。