機械電子互鎖鎖具設計及應用

0 引言

當前主流電子鎖具通過生物識別、密碼驗證或藍牙/NFC等無線通信驅動螺線管、電機等實現開鎖，盡管此類電子鎖具均具有電氣解鎖功能，但當電氣解鎖出現故障（如電路損壞或電量耗盡）時，若無其他應急解鎖措施，需要通過物理破壞方式強行解鎖，在工業安全領域應用時就可能導致安全事故發生。因此，應急解鎖對于電子鎖具來說是一項極其重要的功能。當前，電子鎖具主要的應急解鎖方式是采用機械應急鑰匙，然而對于電子鎖具而言，機械應急鑰匙實際意義上相較于電氣解鎖是更高權限的解鎖方式，但卻難以對機械應急鑰匙進行權限管控，一旦機械應急鑰匙丟失或被復制，則意味著相應的鎖具也失去了權限管控，唯一的補漏措施是通過其他設備或途徑對機械應急鑰匙進行管理，這樣雖然有一定效果，但仍然難以杜絕鑰匙丟失或被復制的風險，最終機械應急鑰匙變成了通用鑰匙，成為電子鎖具的一大漏洞。

電子鎖具相較于傳統機械鎖具，采用生物識別、無線通信等智能化技術，安全性和便捷性突出，其在無鑰匙化、物聯網、遠程授權、權限管理及操作記錄等方面的優勢都是機械鎖具無法比擬的；而機械鎖具具有結構簡單、故障率低等特點，相較于電子鎖具在可靠性、環境適應性和維護成本上也有顯著優勢。機械應急解鎖作為彌補電氣解鎖可靠性和環境適應性不足的措施，在電子鎖具的應用上起到了非常關鍵的作用，因此，研究機械應急解鎖對于電子鎖具設計具有非常重要的意義。本文提出了一種在電子鎖具上應用的機械電子互鎖技術，用以解決電子鎖具在正常使用過程中，因機械應急鑰匙丟失或被復制導致的通開問題。

1機械電子互鎖技術

1.1 技術原理及應用

互鎖是利用邏輯控制防止兩個或多個設備同時工作，機械電子互鎖技術通過傳感器、控制器和執行機構的聯動實現邏輯控制，其典型原理主要有雙通道認證和邏輯互鎖。雙通道認證是通過電子身份驗證和機械鑰匙雙重校驗；而邏輯互鎖是電子系統失效時觸發機械應急機制，利用邏輯互鎖原理，可使電子鎖具的電氣解鎖功能正常使用時，機械應急解鎖功能處于非工作狀態，即使有機械應急鑰匙也無法進行應急解鎖。

機械電子互鎖技術普遍應用于工業安全、電力系統、軌道交通、機器人等領域，如高壓開關柜柜門與斷路器之間設置互鎖裝置，柜門未關閉時斷路器無法通電，以防觸電；高鐵車門與車輛行駛系統聯動，車門未關閉時列車無法加速；設備運行時鎖定機械把手，停機后自動釋放機械聯鎖等[]。

1.2 技術路線

當前機械電子互鎖技術主要分為三類：

1）機械式互鎖：通過物理結構限制操作順序，如鑰匙交換系統（KeyExchangeSystem）。例如，核反應堆控制室的多道安全門需按順序解鎖，鑰匙插入順序錯誤時門禁系統自動鎖定。

2）電氣式互鎖：依賴繼電器、PLC（可編程邏輯控制器）等實現邏輯判斷。例如，數控機床的防護門與主軸電機聯動，門未閉合時電機無法啟動。

3）混合式互鎖：結合機械與電氣控制，兼具可靠性與靈活性。例如，風力發電機檢修時，需同時斷開機械制動器和電氣控制回路，確保葉片完全停止轉動。

2 機械電子互鎖鎖具設計

2.1 設計思路

根據上述內容，利用機械電子互鎖的邏輯互鎖原理，設計一種帶機械應急解鎖功能的電子機柜鎖，正常使用時采用電氣解鎖功能，而只有在電氣解鎖功能失效（如電量耗盡或電路故障）情況下，才能使用機械應急鑰匙進行解鎖[2]。

設計思路上采用電機作為電氣解鎖驅動元件，電機機構與機械應急機構采用并聯方式同時對電子機柜鎖的解鎖旋鈕進行閉鎖。當鎖具正常使用時，機械應急鑰匙插入鎖孔會觸發電機動作對應急解鎖機構進行反向閉鎖，即使機械應急鑰匙匹配機械齒形也無法進行鎖具解鎖。

2.2 設計原理

基于上述設計思路，機械電子互鎖設計主要有以下兩點要點，一是電機機構和機械應急機構并聯設計且相互獨立；二是電機機構對機械應急機構的反向閉鎖，即電機機構實際上是兩個閉鎖結構。

要實現電機機構和機械應急機構并聯設計且相互獨立，兩個機構之間需要進行離合設計，電氣解鎖時，電機機構動作不受機械應急機構閉鎖影響；而電氣失效采用機械應急解鎖時，機械應急機構同樣不受電機機構閉鎖影響[3]。

要實現電機機構對機械應急機構的反向閉鎖，一方面電機機構需要設計兩個閉鎖結構，一個用來閉鎖解鎖旋鈕，另一個用來閉鎖機械應急機構；另一方面機械應急機構也需要設計兩層結構，一層用來匹配機械應急鑰匙進行解鎖，另一層用來匹配電機反向閉鎖機構進行閉鎖，只有同時滿足機械應急鑰匙解鎖和電機機構解鎖才能完成對解鎖旋鈕的解鎖動作。

設計原理圖如圖1所示。

2.3 設計方案

根據上述設計原理，設計出如圖2所示機構簡圖，包含電機機構、檢測元件、機械應急機構、機械應急解鎖孔、解鎖旋鈕等關鍵結構。

解鎖機構動作示意圖如圖3所示，不同解鎖方式如下：

1）當使用電氣解鎖時，電機機構動作，同時解鎖解鎖旋鈕和機械應急機構，解鎖旋鈕和機械應急機構處于閉鎖狀態，可同步進行旋轉解鎖鎖具。

2）當電氣正常、插入機械應急鑰匙時，觸發檢測元件并解鎖機械應急機構，電機機構動作對機械應急機構進行閉鎖，機械應急鑰匙無法轉動，此時雖然解鎖旋鈕可以轉動，但無法對鎖具進行解鎖。

3）當電氣失效、插入機械應急鑰匙時，機械應急機構解鎖，但失效狀態下的電機機構無法對機械應急機構進行閉鎖，通過旋轉機械應急鑰匙即可實現鎖具解鎖。

由上述機構原理圖進行設計方案細化，設計一款用于柜門閉鎖的電子機柜鎖，如圖4所示，外部結構包括鎖體、面板、旋鈕、鎖舌、鎖芯等，內部結構包括電機、轉軸、電氣模塊、檢測元件、電池等。

該電子機柜鎖通過藍牙與電氣模塊通信進行認證授權解鎖，為保證電池使用壽命，采用手動按鈕喚醒模式；除此之外，也可采用Wi-Fi、NB-IoT或指紋識別等其他方式。

機械應急鎖芯采用偏心鎖孔的鎖芯，便于布局設計，鎖孔底部設計觸發桿，配合檢測元件進行反向閉鎖檢測。

電機動作設計兩個閉鎖點位，一個用于閉鎖旋鈕鎖殼，另一個用于閉鎖轉軸（轉軸與鎖芯固定連接）；鎖芯與旋鈕鎖殼通過邊柱進行閉鎖，齒形匹配即可解鎖。當正常電氣解鎖時，旋鈕鎖殼通過閉鎖的邊柱帶動鎖芯和轉軸一起旋轉解鎖；當電氣失效機械應急解鎖時，旋鈕鎖殼不動，鑰匙轉動鎖芯和轉軸進行解鎖[4]。

2.4 方案驗證

基于設計圖模擬機構動作，可以滿足上述設計意圖。進一步進行樣品制作，并設計相應程序進行調試驗證，驗證結果如表1所示。

正常使用過程中，可通過藍牙進行電氣解鎖，解鎖響應時間 lt;2s，5s 后電機復位閉鎖，可聽到電機動作聲音。

電氣正常情況下，插入機械應急鑰匙可聽到電機動作聲音，反向閉鎖響應時間 lt;0.1s ，但無法進行機械解鎖。插入機械應急鑰匙后采用藍牙進行電氣解鎖，仍可進行正常解鎖。

取出電池模擬電氣失效情況，插入機械鑰匙可正常解鎖。

3 結束語

相比較于傳統電子鎖具非互鎖的機械應急解鎖方式，本文設計的機械電子互鎖鎖具在結構設計上雖復雜程度較高，但能有效杜絕鎖具在正常使用過程中被機械應急鑰匙解鎖的隱患，真正起到應急作用。進一步地，可利用電子鎖具狀態檢測及遠程監控等技術，對非正常解鎖進行監控和記錄，從而極大程度地提高電子鎖具的安全性。

[參考文獻]

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[4]胡玉巖.指紋鎖、電子鎖應急快速開啟的研究［J].建材與裝飾，2018（43）：295-296.

收稿日期：2025-03-03

作者簡介：高永昊（1973一），男，山東海陽人，機械工程師，主要從事電力相關產品機械設計工作。