一種自適應的雙向同步鎖緊插銷機構設計

陶國燦

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

隨著各行業的飛速發展，大型機電產品的使用量日益增多，且出于安全生產考慮，設備在運動間歇或停止后，均要求設備具備防松、鎖緊功能。目前，普遍采用的防松機構主要有插銷直插式、卡合式、錐面螺紋壓緊式、滑塊式等，驅動方式多采用液壓缸或伺服電機直接驅動。直接驅動鎖緊和解鎖的機構大多質量較大，功率消耗較高，且難以實現快速、高同步性鎖緊。

文章設計一種適用于雙向同步鎖緊的插銷機構，與現有技術相比，該機構可以實現機構雙向到位之后的快速硬同步鎖緊以及自適應雙向異步解鎖[1]。

1 同步鎖緊機構設計

1.1 同步鎖緊機構整體布局

雙向同步鎖緊機構采用一套驅動機構同時驅動兩組“彈簧+插銷”的方式，布局如圖1所示。

該驅動機構可以是電推桿或者油缸，也可以是配合絞線盤使用的旋轉電機等，此處以電推桿為例說明。機構主要包括支撐架、插銷、導輪、高強度鋼絲繩、電推桿、滑塊、導軌、導向套、限位套和彈簧等，組成如圖2所示。

支撐架可采用框架式開放結構，方便安裝且易于防護，根據實際安裝需求，可做成整體式或分體式。導向套采用自潤滑、低摩擦系數的材料，并于插銷之間設置導向槽和導向塊防止圓周轉動。電推桿和滑塊之間的分離力很小，可以采用卡箍固定，或采用過渡板安裝[2]。

1.2 鎖緊設計

同步鎖緊機構在鎖緊動作時，電推桿伸出，插銷在壓縮彈簧作用下向外伸出，插入兩側兩相對運動部件上預留的銷孔，完成鎖緊，鎖緊狀態如圖3所示。

圖1 雙向同步鎖緊機構布局

圖2 雙向同步鎖緊機構組成

圖3 鎖緊狀態示意

根據壓縮彈簧的彈力計算公式如式（1），結合鎖緊行程，選擇合適的彈簧參數：

其中，k為彈簧系數（N/m m），G為剪切彈性模量（MPa），d為線徑（mm），n為有效圈數，D為中心直徑（mm）

忽略過程中產生的摩擦力（插銷和導向套、插銷和限位套、高強度鋼絲繩和導輪、導軌和滑塊等），電推桿推出最大行程時，設定為左右壓縮彈簧初始位置，初始位置左右壓縮彈簧彈力相等。即：

假設電推桿收縮行程S后，左側插銷行程Δx，右側插銷行程Δy，則：

通過式（3）可以看出，若要兩邊插銷機構運動同步，則兩邊壓縮彈簧的彈簧系數應保持一致。

1.3 解鎖設計

由于在鎖緊狀態時，兩相對運動的物體在負載作用下會產生相對運動的趨勢，兩邊受力環境會產生偏差，造成兩邊解鎖所需要的力不完全一樣，假設左側插銷受力f左＜右側插銷受力f右，則在解鎖的瞬間，存在以下狀況。

（1）電推桿收縮的拉力F推＞f左+f右。由于電推桿收縮的拉力較大，盡管左側插銷受力＜右側插銷受力，兩側插銷機構依然可以同步解鎖。

（2）電推桿收縮的拉力F推≤f左+f右。電推桿收縮的拉力不足以支撐兩側同步解鎖，此時，右側插銷機構可以看作是固定連接，電推桿收縮的拉力全部用于左側解鎖，即左側插銷的解鎖拉力為F推－f左。

當左側插銷機構解鎖后，電推桿帶動左側插銷繼續運動，當左側插銷運動到死點位置（整個分析過程，假定壓縮彈簧的最大彈力不足以提供解鎖所需的拉力），左側插銷機構可以看作固定連接，電推桿收縮的拉力全部用于右側解鎖。

由于實際工況中依然存在鎖緊狀態下，兩側插銷機構受力基本一致的狀況，設計選用電推桿時，電推桿拉力大于兩側解鎖所需的理論拉力之和，且保留一定的安全余量[3-5]。

2 結語

大型機電產品運動機構跨度大，到位之后鎖緊的同步性和解鎖的及時性都有較高的要求，在安全、可靠和相應及時的同時，文章設計的雙向同步鎖緊插銷機構拆裝快捷，可以根據實際使用要求進行插銷和電推桿的和布局，空間利用率高。采用壓縮彈簧的彈力作為鎖緊的動力源，在兩側受力不均的情況下，也可以高效地完成兩側插銷機構的解鎖，系統工程樣機通過多次試驗，系統達到了設計指標的要求。