机械自锁的现象的分析及应用

林桂冬　康鑫　陈国健

摘 要：机械的自锁的现象是无论驱动力多么大，都不能超过由它所产生的摩擦阻力，也无法使机械运动。在机械中有时应避免出现自锁，而有些机械要利用自锁进行工作。

关键词：机械自锁；自锁应用；自锁现象分析

1.机械自锁现象的原理

自锁现象在机械工程中具有十分重要的意义。例如手摇螺旋千斤顶，当转动手把将物体撑起后，应保证不论物体的重量多大，都不能驱动螺母反转，导致物体自行降落下来。也就是要求該千斤顶在物体的重力作用下，必须具有自锁性。这种利用自锁性的例子，在生活中就有很多，例如：碰锁斜面顷角要大于自锁角避免自锁。开叉的木锁（木楔子）顷角要小于自锁角形成自锁，各种机关扣，一次性上紧扣，只进不退的扣全自动铅笔就用的这个原理。

机械效率η=Wr/Wd=（Wd一Wf）/Wd=1-Wf/Wd

当η=0时，机械处于临界自锁状态；

当η<0时，其绝对值越大，表明自锁越可靠。

2.分析（是否）自锁的方法

2.1从效率观点判断

当机械出现自锁时，无论驱动力多大，都不能运动。从能量的观点来看，就是：驱动力所做的功永远小于等于由其引起的摩擦力所做的功即：η≤0。当η≤0时，将会出现自锁的现象。说明：η≤0时，机械已不能动，外力根本不做功η已失去一般效率的意义。

2.2从生产阻力方面判断

η=G/G0≤0==>G≤0

上式说明当生产阻力反向而变成驱动力之后，才能使机械运动。上式可作为是否自锁及出现自锁条件的依据。

2.3根据不同的场合，应用不同的机械自锁判断条件：

▲驱动力落在摩擦锥或摩擦圆之内；

▲令η≤0；

▲令生产阻力G≤0；

▲驱动力在运动方向上的分力F≤F摩擦力。

3.机械自锁现象的分析：

图4.6（a）所示的平面滑块机构中，设此时滑块不会发生侧倾。若已知生产阻力Q和驱动力P的作用方向和作用点以及滑块1的运动方向。运动副中的摩擦系数f和力Q的大小均已确定。试求此机构所组成的机器机械自锁的条件。

解：本机构为只含移动副的机构，因已知f，故φ=arctanf.

取滑块1为分离体，因滑块不发生倾侧，其上只作用三个力P、Q和R21，其中总反力R的作用线与相对运动速度V12的方向成90+φ的钝角，并通过P和Q作用线的交点M。由平衡条件可得

Q+P+R21=0

由上式作力多边形如图4.6（b）所示，确定多边形的夹角后，可求得

P/sin[90°一（β一φ）]= Q/sin[90°一（α十φ）]，所以

P=Q*cos（β一φ）/cos（α十φ）

如在理想机械中，f=0，即φ=0，故理想驱动力为

P。=Q*cosβ/cosφ

故机械效率：η= P。/P =[cosβ*cos（α十φ）]/[cosα cos（β一φ）]

机械的自锁条件可用多种方法求得。

按移动副的自锁条件来确定时，P为驱动力，由图可知传动角为90°一α，故自锁时，必须90°一a≤φ，可得机械自锁的条件为

α ≥90°一φ

按机械效率小于或等于零的条件来确定时，可令η= P。/P =[cosβ*cos（α十φ）]/[cosα cos（β一φ）]≤0

求得α十φ≥90°时，机构自锁，即自锁条件为

α≥90°一φ

按生产阻力Q等于或小于零的条件来确定时，可先求得Q的表达式

Q=P*cos（α十φ）/cos（β一φ）

并令Q≤0，可得α十φ≥90°机构自锁，即自锁条件为

α ≥90°一φ

4.机械自锁的应用

4.1斜坡上车辆的停放

车辆停放在斜坡上，实际上是车轮在斜坡上的磨擦自锁现象。由于车轮与斜坡间的滚动磨擦系数μ和车轮半径R 的比值较小，磨擦角也小，车辆一般只能停放在较小倾角的斜面上。

在斜面倾角θ较大（即θ>arctanμ/R）时，车将沿斜面下滑。为了防止下滑，人们常在车轮后下方垫以石块，由于石块的垫入，增大了滚动磨擦系数，也就增大了最大滚动磨擦角θ max；当斜坡倾角小于或等于增大后的磨擦角θ max 就满足了θ≤θ max，车辆将不再下滑。否则，车辆将继续向下滑动。

4.2油井所用单弯螺杆动力钻具自锁现象的消除

打油井所用单弯螺杆动力钻具在打油井的过程中，会出现当钻头打到1到2米深的时候继续给钻头施加压力而钻头加不上钻压的现象。研究发现是扶正器自锁造成的。什么是扶正器自锁呢？就是在往下打井的过程中，扶正器与沿壁相接处导致产生的摩擦力与施加的压力相抵消。当扶正器母线与井眼轴线的夹角比自锁角大时，就会发生自锁现象。根据研究发现自锁角的大小主要取决于井眼直径、扶正器直径和长度。当缩小扶正器的直径以及长度，使扶正器外径以球状小斜角向本体过渡，结果克服了自锁，消除了钻头加不上钻压的现象，使油井顺利完成。

5.结束语

自锁现象在生活和工业生产当中应用十分的广泛，在设计机械时，很多因为没有考虑到自锁现象而造成重大的失误和危害。论文对机械自锁现象的原理、自锁的方法及生活中的实际应用进行了分析和总结，通过对力学自锁现象的研究和应用分析，深入的了解了自锁现象产生的原因，明白了自锁产生的条件和避免发生自锁的方法，让我们更好的合理利用自锁现象解决我们身边的日常问题。

参考文献：

[1]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.5.

[2]哈尔滨工业大学理论力学教研组编.理论力学（第六版）[M].北京：高等教育出版社，2002：234-251.