0 引　言

快速开启机构是一种利用较小力快速开启高压容器的装置，通常安装在高压容器的进出口上，例如高压气瓶、高压机构阀门等设备上^[1]，是舰船消防系统中的重要部件^{[2 – 3]}。它根据远程遥控信号，采用气动、液压或爆炸冲击等方式，通过较小的力在极短的时间内开启气瓶或者机构门。开启力放大因子是衡量快速开启机构性能的一个重要指标，与结构尺寸、摩擦等因素有关。开启力放大因子越大，则说明开启机构所需要开启设备的力越小，性能越好。

1 开启机构的组成结构

快速开启机构主要由顶杆、杠杆、预紧螺栓及摇杆、压缩弹簧、阀芯等零部件组成，其结构如图1所示。预紧螺栓自身与摇杆的螺纹配合，通过摇杆对阀芯施加预紧力，使阀芯闭合；顶杆在外力（例如气动力、液压或者爆炸力等）作用下，推动杠杆旋转，当杠杆旋转一定角度时，杠杆与摇杆脱离接触，摇杆被弹簧等的作用力迅速推动，机构阀芯迅速被释放，打开阀门，使得流体能够通过阀门^[1]。

2 受力分析

由于开启机构中的顶杆、杠杆和摇杆的结构及质量很小，因此忽略其重力和惯性力的影响；假设快速开启机构各部件为刚体，接触面上的摩擦为库伦摩擦。图2为摇杆的受力分析图^[4]，根据平衡原理可以得到摇杆在配合面I上所受到的正压力 ${F_N}$ 、摩擦力 ${F_S}$ 与螺栓施加的预紧力 ${F_Y}$ 的关系：

$\left\{ \begin{split}{l}{F_N} = \displaystyle\frac{{{F_Y}R}}{{\left( {\sin \beta + {\mu _0}\cos \beta } \right){x_{AO}} - \left( {\cos \beta - {\mu _0}\sin \beta } \right){y_{AO}}}} \text{，} \\{F_S} = \displaystyle\frac{{{F_Y}R{\mu _0}}}{{\left( {\sin \beta + {\mu _0}\cos \beta } \right){x_{AO}} - \left( {\cos \beta - {\mu _0}\sin \beta } \right){y_{AO}}}} \text{。} \end{split} \right.$

(1)

式中： ${\mu _0}$ 为摇杆与杠杆之间的摩擦系数； $R$ 为预紧螺栓轴线与摇杆回转中心的距离； ${F_Y}$ 为阀芯对摇杆的作用力，其大小等于螺栓所施加的预紧力，方向相反，并且忽略其与摇杆的摩擦力； ${x_{Ao}}$ 及 ${y_{Ao}}$ 分别为杠杆和摇杆在配合面I上的接触面中心点与摇杆回转中心水平距离和竖直距离，如图3所示， ${x_{Ao}} =$ $ {L_x} - {R_1}\cos \beta $ ， ${y_{Ao}} = {L_y} - {R_1}\sin \beta $ ； $\beta $ 为接触中心线与 $x$ 轴的夹角，顺时针为正；当完全接触时即 $\beta = \alpha $ ， ${\alpha _1} \geqslant \alpha \geqslant {\alpha _0}$ ，当进入脱离过程时即 $\beta = \displaystyle\frac{{{\alpha _2} + \alpha - \gamma }}{2}$ ， ${\alpha _2} \geqslant $ $ \alpha > {\alpha _1}$ ； $\alpha $ 为杠杆接触弧面中心线与 $x$ 轴的夹角， ${\alpha _0}$ 为开始角度， ${\alpha _1}$ 为接触开始脱离时的角度， ${\alpha _2}$ 为完全脱离时的角度， $\gamma = {\alpha _2} - {\alpha _1}$ ，如图4所示^[4]。

对杠杆进行受力分析，如图5所示，根据平衡方程可以得到顶杆对杠杆的作用力 ${F_T}$ ：

$\begin{split}&{F_T} = {{{F'_s}{R_1}} / {\left[ {\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right){ d_x} - \sin \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right){ d_y}} \right.}} + \\&\left. {{\mu _1}\sin \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right){ d_x} + {\mu _1}\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right){ d_y}} \right] \text{，}\end{split}$

(2)

${d_y} = \frac{{{R_2} - {d_{x0}}\sin \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right)}}{{\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right)}} \text{。} $

(3)

式中： ${d_x}$ 为顶杆轴线与顶杆回转中心之间的距离，且为常数， ${d_x} = {d_{x0}}$ ； ${R_2}$ 为杠杆回转中心到顶杆与杠杆接触面距离； ${\mu _1}$ 为顶杆与杠杆接触面的摩擦系数； ${F'_S}$ 与 ${F_S}$ 互为作用力与反作用力。

对顶杆进行受力分析，如图6所示^{[5 – 6]}，列出顶杆的平衡方程，可以得到顶杆所受力 ${F_P}$ 的表达式：

$\begin{split}&{F_P} = {{F'}_T}\left[ {\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right) + {\mu _2}\sin \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right)} \right] + \\&{{F'}_{1S}}\left[ {\sin \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right) - {\mu _2}\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right)} \right]\text{，} \end{split} $

(4)

式中： ${\mu _2}$ 为顶杆与固定支架的摩擦系数； ${F'_T}$ 与 ${F_T}$ 互为作用力与反作用力， ${F'_{1S}}$ 与 ${F_{1S}}$ 互为作用力与反作用力，且 ${F_{1S}} = {\mu _1}{F_T}$ ； ${\mu _1}$ 为顶杆与杠杆的库伦摩擦系数。

定义放大因子为 $\kappa = \displaystyle\frac{{{F_Y}}}{{{F_P}}}$ ，放大因子 $\kappa $ 越大，说明开启机构越省力。根据式（1）～式（4）可以得到放大因子：

$\kappa = \frac{{ A}}{{ B}}\text{，} $

(5)

式中：

$\begin{split}&{A \!=\! [\cos \left( {\alpha \!-\! {\alpha _0}} \right){d_x} \!-\! \sin \left( {\alpha \!-\! {\alpha _0}} \right){d_y} \!+\! {\mu _1}\sin \left( {\alpha \!-\! {\alpha _0}} \right){d_x} \!+\! }\\&{\mu _1}\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right){d_y}] \times \left[ {\left( {\sin \beta + {\mu _0}\cos \beta } \right){x_{AO}} - } \right.\\&\left. {\left( {\cos \beta - {\mu _0}\sin \beta } \right){y_{AO}}} \right]{\text{，} }\end{split}$

$B = R{R_1}{\mu _0}\left[ \begin{array}{l}\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right) + {\mu _2}\sin \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right) + \\{\mu _1}\sin \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right) - {\mu _1}{\mu _2}\cos \left( {\alpha - {\alpha _0}} \right)\end{array} \right]{\text{。}}$

3 计算分析

某快速开启机构尺寸参数为R=66 mm，R₁=26 mm，R₂=22 mm，L_x=116 mm，L_y=60 mm，d_xo=38 mm，γ=25°，α_o=52.5°，α₁=59.5°，α₂=84.5°。

图7分别为取μ₁=0.1，μ₀=0.02，0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35时，放大因子 $\kappa $ 随着转角 $\alpha $ 的变化曲线。由图可以看出，μ₀=0.02，0.05，0.1，0.15时，放大因子 $\kappa $ 随着转角 $\alpha $ 的增大而变大，当μ₀=0.2，0.25，0.3，0.35时，放大因子 $\kappa $ 随着转角 $\alpha $ 的增大而先减小后增大；当摩擦系数μ₀增大时，放大因子迅速减小；μ₀<0.1时，转角 $\alpha $ 对放大因子 $\kappa $ 的影响很大。

图8为取μ₀=0.1，μ₁=0.02，0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35时，放大因子 $\kappa $ 与转角 $\alpha $ 之间的关系。从图中可以看出，随着μ₁的增大，放大因子 $\kappa $ 总体来说是增加的，但增加幅度较小；当μ₁=0.02，0.05，0.1，0.15，0.2时，放大因子 $\kappa $ 随着转角 $\alpha $ 的增大而变大；当μ₁=0.25，0.3，0.35时，放大因子 $\kappa $ 随着转角 $\alpha $ 的增大而先减小后增加。总体来说，摩擦系数 ${\mu _1}$ 对放大因子 $\kappa $ 的影响相对较小。

图9为μ₀=0.1，μ₁=0.1，R=30，35，40，45，50，55，60，65，70 mm时，放大因子 $\kappa $ 与转角 $\alpha $ 的变化规律。由图可知，随着R的增大，放大因子 $\kappa $ 变小并且随着转角 $\alpha $ 的增大而增大。

图10为μ₀=0.1，μ₁=0.1，R₁=15，20，25，30，35，40 mm时，放大因子 $\kappa $ 与转角 $\alpha $ 的变化规律。由图可知，随着R₁的增大，放大因子 $\kappa $ 变小并且随着转角 $\alpha $ 的增大而增大。

图11为μ₀=0.1，μ₁=0.1，d_x0=20，25，30，35，40，45，50，55 mm时，放大因子 $\kappa $ 与转角 $\alpha $ 的变化规律。从图中可以看出，当d_x0=20，25 mm时，放大因子 $\kappa $ 随着转角 $\alpha $ 增大而变小；当d_x0=30，35，40，45，50，55 mm时，放大因子 $\kappa $ 随着转角 $\alpha $ 增大而增大^[7]。

4 结　语

本文针对某快速开启机构进行力学分析，得到了放大因子 $\kappa $ 的计算公式，通过输入某型号快速开启机构的计算参数，针对不同因素和参数分析了此快速开启机构的性能，对此快速开启机构的结构进一步优化具有一定的指导意义。