船舶设备控制箱铰链四杆机构式启闭装置设计

邹永冬，朱发新，刘 笑(浙江海洋学院 港航学院，浙江 舟山 316022)

船舶设备控制箱铰链四杆机构式启闭装置设计

邹永冬，朱发新，刘 笑
(浙江海洋学院 港航学院，浙江 舟山 316022)

为了克服现有的船舶设备控制箱启闭装置存在的通用性差、结构复杂、耐久性差等技术问题，文章对控制箱启闭装置的设计要求进行分析，在此基础上设计出铰链四杆机构式启闭装置，并介绍了该装置的组成及工作原理。最后通过CAXA模型建模与理论计算，从结构、技术、经济等方面进行分析，得出了新型铰链四杆机构式启闭装置相比于传统的启闭装置有较大优势的结果。

控制箱；船舶；铰链四杆；启闭装置；CAXA模型

船舶设备包括船用泵、空压机、舵机、起货机、绞缆机、锚机、船舶辅锅炉、造水机等，每一种船舶设备都有其对应的控制箱或控制操作台。通过操作控制箱里的不同按钮或旋钮，可以实现船舶设备的启动、停车、手动自动操作方式切换、电动液压驱动方式切换、辅助管路(油、水、气、汽、电)的动力设备启动或停车、安全报警装置显示等功能[1]。由于海上船舶的摇晃及人员不小心触碰控制箱中的按钮等原因，造成船舶设备意外操作(启动或停车等)，导致意外情况或安全事故发生[2-4]。

为了防止此类事故发生，船舶设备控制箱都需要设置启闭装置用以保护控制箱里的各种按钮或旋钮，避免误操作。

目前，现有的船舶设备控制箱的启闭装置有按钮式、旋转式、门锁式和电子式等。每种启闭装置都有其自身的结构特点和一定的适用范围。按钮式结构简单，操作方便，但其耐久性差，容易造成按钮卡阻而打不开控制箱；旋转式内部有弹簧式(或簧片)和齿轮式2种，弹簧式的耐久性差，易损坏，造成控制箱的箱门震荡或打不开，齿轮式的若长时间不用，也比较容易卡阻而不能打开控制箱箱门；门锁式结构简单、操作方便，长时间钥匙会损坏或不小心遗失，也存在打不开控制箱箱门；电子式操作方便，启闭迅速，但是其结构复杂，维护保养困难，因此也存在着不能打开控制箱箱门等问题。为此，本文设计出了一套船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置。

1 船舶设备控制箱启闭装置的设计要求分析

根据船舶设备控制箱启闭装置的工作环境，并参考船舶工业标准体系及实船建造设计资料，确定了船舶设备控制箱的启闭装置具有如下设计要求[5]：①在较为恶劣的工作环境中，耐久性要好；②能兼顾船舶设备各种控制箱，达到完全互换的原则，即通用性好；③能承受一定的冲击、震动；④结构简单，操作方便，启闭迅速，便于日常维护与修理；⑤经济性好，运行成本低。

2 船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置设计

2.1主要组成部件

如图1所示，该装置由机架、手柄、连杆、连架杆、螺母、螺栓、连接销等组成，其中机架、连杆、手柄、连架杆再加上连接销A、B、C、D组成铰链四杆机构，机架固定在船舶设备控制箱旁边，是不能运动的部件。机架与手柄通过机架上的连接销C组成旋转副(或回转副)，手柄可以绕着机架上的连接销做旋转运动。机架与连架杆通过机架上的连接销D组成旋转副，连架杆可以绕着机架上的连接销D做旋转运动。手柄与连杆通过连接销B组成旋转副，可以绕着连接销B做相对旋转运动。连架杆与与连杆通过连接销A组成旋转副，可以绕着连接销A做相对旋转运动。

A-连架杆上的连接销；B-手柄上的连接销；C-机架上的连接销；D-机架上的连接销；1-控制箱门栓；2、3-螺母；4-螺栓；5-连架杆；6-连杆；7-手柄；8-机架。图1 船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置开启状态图

2.2装置工作原理

当铰链四杆机构的连杆和手柄共线，也就是手柄上的传动角γ=0°(或压力角α=90°)时，存在死点位置。在死点位置，控制箱内作用力对手柄的有效回转力矩为0，无论作用力多大，都不能使机构运动[6-10]。这就保证了在撤掉外驱动力之后，机构仍能有效地锁紧。利用死点原理，本装置通过下压手柄，带动铰链四杆机构运动，使得连架杆上的螺栓底部在控制箱门栓上(即连杆和手柄共线的死点位置)，达到关闭控制箱箱门的效果。反之，通过上拉手柄，就可开启控制箱箱门，如图1所示。船舶设备控制箱开启和关闭状态如图2所示。

(a)船舶设备控制箱关闭状态(b)船舶设备控制箱开启状态1-控制箱；2-箱门转轴；3-控制箱箱门；4-控制箱门栓；5-控制箱门框。图2 船舶设备控制箱开启及关闭状态

船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置关闭状态如图3所示。在船上，船舶设备需要经常改变其工作状态，如设备启动、停车、手动自动操作方式切换、电动液压驱动方式切换、辅助管路(油、水、气、汽、电)的动力设备启动或停车等操作时，控制箱需要经常开启或关闭，即铰链四杆机构式启闭装置也需要经常开启或关闭操作。同时由于船舶的摇晃产生控制箱晃荡等原因，造成控制箱门栓和连架杆上的螺栓底部出现摩擦磨损，导致原来贴合紧密的控制箱门栓与螺栓底部出现缝隙，引起不必要的冲击振动，会缩短控制箱的使用寿命。这时可以旋转螺母，调整控制箱门栓和螺栓底部的距离，直到两者贴合紧密，达到严密关紧控制箱，延长控制箱的使用寿命。

A-连架杆上的连接销；B-手柄上的连接销；C-机架上的连接销；D-机架上的连接销；1-控制箱门栓；2、3-螺母；4-螺栓；5-连架杆；6-连杆；7-手柄；8-机架。图3 船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置关闭状态图

2.3船舶设备控制箱启闭装置的四杆机构杆长关系推导

为讨论本装置的理论可行性，装置可简化为图4所示的铰链四杆机构。各杆的定义如下：L0为手柄ab的长度；L1为连杆bc的长度；L2为连架杆cd长度；L3为机架上连接销C和连接销D之间的直线长度da；θ为da与水平面之间的夹角。

图4 船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置简图

本装置的工作原理为将铰链四杆机构abcd在外力的作用下，变换成a′b′c′d′。根据a′b′c′d′可得：

L2=L3sinθ，

(1)

ac′2=(L0-L1)2=(L3)2-(L2)2，

(2)

由式(1)、式(2)中可知，在已知任意3杆长度的情况下，剩下的杆件有且只有一个值与之对应，组成铰链四杆机构式启闭装置。

3 船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置可行性分析

3.1CAXA建模及分析

根据本文所述控制箱铰链四杆机构式启闭装置的设计模型，基于三维设计软件CAXA，建立船舶设备控制箱铰链四杆机构式启闭装置CAXA模型，如图5、图6所示。

图5 船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置闭合状态CAXA模型

图6 船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置开启状态CAXA模型

通过对铰链四杆机构式启闭装置CAXA模型进行尺寸标注，将数值代入公式(2)中进行计算，发现其完全吻合于公式(2)。即可知本装置不仅在理论上可行，在实际运用中也具有可行性。

3.2经济可行性分析

船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置在设计上完全采用机械式连接，只需几片钢块和销键，即可组装成铰链四杆机构。整体价格低廉，与原有船舶设备控制箱启闭装置的造价相比，性价比较高，初期投资小，符合经济性要求。

3.3结构可行性分析

该装置与现有的启闭装置相比较具有以下优点：①通用性好。本装置在控制箱门栓损坏、磨损时，连架杆上螺母可进行上下左右4个方向的调节，满足紧贴控制箱门栓的锁紧要求。②耐久性好。由于本装置完全采用机械式启闭，不含芯片、电路、弹簧等易损件，相对于现有启闭装置来说，不易损坏。③能承受一定的冲击负荷。通过对装置的受力分析，在本装置完全关闭的情况下，连杆工作在死点位置，控制箱内向外的力经由控制箱门栓作用在螺母的水平方向，不会造成本装置误操作。④操作简单，启闭迅速。

4 结果分析

根据前面铰链四杆机构式启闭装置的CAXA建模、经济和结构分析表明，不管是从提高船舶营运性，还是船舶设备控制箱启闭装置的优化角度来说，新型铰链四杆机构的启闭装置相比于传统的启闭装置都有较大的优势。因此，新型的船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置可考虑面向船舶行业进行推广。

5 结束语

本文所述船舶设备控制箱的铰链四杆机构式启闭装置通过改进现有固定式的启闭装置，形成了兼具旋转和锁紧功能的铰链四杆结构。既可通过旋转铰链四杆结构实现控制箱的启闭，也可对铰链四杆结构的调节，以保证控制箱关闭严密，达到箱体侧壁和箱门侧壁之间更好的密封效果。结构简单，调节十分方便，其结构不受控制箱门形状及所处位置限制，操作简单，耐久性好，维护保养简单，具有很强的实用性。

本文的研究方法及设计成果，可以为在启闭类装置中死点位置的应用研究和同类型的装置提供一些提供参考。

[1]郑华耀. 船舶电气设备及系统[M]. 2版.大连：大连海事大学出版社,2011.

[2]杨松林,李小龙,张莉莎,等.一种随动式花瓣自动启闭装置：中国，CN103520940A[P]. 2014-01-22.

[3]孙凤刚, 李凤霞. 全环境便携式闸门启闭装置的设计[J]. 北京水务, 2006 (4): 23-24.

[4]杨松林, 李小龙, 张莉莎, 等. 双层链条丝杠式音乐花瓣自动启闭装置的设计研究[J]. 河北科技大学学报, 2014, 35(3): 266-271.

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[6]刘奎武. 铰链四杆机构死点位置分析[J]. 机电技术, 2010, 33(1): 107-109.

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[8]郭平. 四杆机构 “死点” 位置及其应用的再探讨[J]. 锻压装备与制造技术, 2013, 48(5): 33-35.

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[10]杨可桢,陈光蕴,李仲生. 机械设计基础[M].5版.北京：高等教育出版社,2006.

In order to overcome some technical problems such as poor universality,complicated structure and poor durability,existing on marine equipment control box opening and closing device,the design requirements of control box opening and closing device is analyzed in this paper.Based on this,hinge four-bar linkage type opening and closing device is designed and the composition and working principle of the device are introduced.Through modeling theoretical calculation of CAXA model and analysis to the design requirements from the aspects of structure,technology and economy,a good result is achieved that hinge four-bar linkage opening and closing device has great advantages compared to the traditional one.

control box;marine;four-bar linkage;opening and closing device;CAXA model

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.010

2014年浙江省自然科学基金青年基金项目(LQ14E090001)；2013年浙江省重大科技专项(2013C03033)

邹永冬(1992-)，男，贵州遵义人，在读本科生。

2015-06-30