舰用阀门快速开启机构力学分析

潘树国

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

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、摩擦力与螺栓施加的预紧力的关系：

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：

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的表达式：

式中：

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，Lx=116 mm，Ly=60 mm，dxo=38 mm，γ=25°，αo=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，放大因子随着转角的变化曲线。由图可以看出，μ0=0.02，0.05，0.1，0.15时，放大因子随着转角的增大而变大，当μ0=0.2，0.25，0.3，0.35时，放大因子随着转角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，转角对放大因子的影响很大。

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，放大因子与转角之间的关系。从图中可以看出，随着μ1的增大，放大因子总体来说是增加的，但增加幅度较小；当μ1=0.02，0.05，0.1，0.15，0.2时，放大因子随着转角的增大而变大；当μ1=0.25，0.3，0.35时，放大因子随着转角的增大而先减小后增加。总体来说，摩擦系数对放大因子的影响相对较小。

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

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

图 11 为 μ0=0.1，μ1=0.1，dx0=20，25，30，35，40，45，50，55 mm时，放大因子与转角的变化规律。从图中可以看出，当dx0=20，25 mm时，放大因子随着转角增大而变小；当dx0=30，35，40，45，50，55 mm时，放大因子随着转角增大而增大[7]。

4 结 语