机械装置的保险机构概论

谷万淼 宋则良 陈强

摘 要：机械装置的保险机构是为了有效防止装置勿触发的一种保护机构，在机械设计中大量采用。保险机构系统性的分类在学术上缺乏统一的认识，给设计人员从事保险机构的设计带来一定困惑。本文根据机械装置中比较常见的几种保险机构形式，着重研究了其工作原理和类型，分析了基本的设计形式、优缺点和设置方法，针对容易混淆的保险机构和自锁机构进行了比较详细的辨析并以具体的实例加以说明，为设计人员有针对性的选择、设计机械装置的保险机构提供了参考。

关键词：机械装置；保险机构；自锁；安全

1 概述

机械装置在存储、运输、待机过程中可能发生偶然作动或过早作动等非设计意图的情况，应视情况的危害性设置保险机构。保险机构是防止机械装置发生操作者意愿之外动作的机构，有效的保险机构能够防止非设计意图情况的发生。某些失效的保险机构不一定导致机械装置在有限次数的运行中发生非设计意图的情况，但是若保险机构长期失效，机械装置多次运行中发生非设计意图情况的可能性大大增加。

保险机构能够为操作者、设备和流程等提供可靠的安全保证。

保证人身安全的保险机构，如车辆的门锁，能有效保证车门在车辆行驶中不因颠簸、转向等因素影响而误开启危害乘坐者的人身安全。

保证设备安全的保险机构，如现代枪械设计中常用的不到位保险机构，能有效防止子弹在枪膛中尚未处于可靠的闭锁位置时击发而导致的炸膛危险。某气缸作动装置的负载在位保险机构，能够阻止气缸空载作动而导致的活塞无阻尼高速射出，破坏气缸，损坏复位弹性件，击中人体等事故发生。由于设备意外损坏往往伴随着人身伤害事件发生，所以保证设备安全的保险机构也具有保护人身安全的功能。

保证流程安全的保险机构一般被设计成在线检测设施，能够随时检测流程中物理量的变化，超出允许范围时自动触发，保证流程安全，如安全阀、熔断器等，此类保险机构不在本文的论述范围中。

2 保险机构原理

机械装置一般由完成机械装置主功能的机构和提供动力的驱动机构两个主要机构组成。保险机构属于附加机构，其保险原理一般采用维持机械装置主功能机构或驱动机构零件的特定工作状态，或同时维持两者特定工作状态的方法，使整个装置保持某种预设状态不变。

圖1所示的是一种摆臂装置的机构简图。3、5、6号机构是具有复位元件的保险机构，1号件摆臂和8号件释放杆构成主功能机构；2号件是齿轮驱动机构。1号件摆臂绕与基体的铰接点旋转，8号件释放杆支撑摆臂，2号件驱动机构推动摆臂旋转。5、6号保险机构启用后能够阻挡摆臂和释放杆旋转，3号保险机构启用后切断主动齿轮与摆臂的传动路径。

3 保险机构类型的选择

按照保险作用的方式，机械装置的保险机构可按作用分为接触式和分离式。接触式保险机构是使主功能机构或驱动机构中的零件与保险销类零件接触并受其阻挡而不能工作。分离保险机构是将主功能机构或驱动机构中某些零件从机构传动链中分离出来，使主功能机构与驱动机构失去联系，此时即使触发作动开关，主动机构也因为缺少驱动而无法正常工作。

接触式保险机构直接作用于主功能机构，阻挡其工作状态变化，在机械装置受到剧烈振动和撞击时均不易发生意外，安全可靠性较高，在振动、冲击等工作环境中工作的机械装置多选择该种方式的保险机构。图1机构简图所示的5号件和6号件为接触式保险机构，分别防止摆臂和释放杆误动。

分离式保险机构是将某些零件从机构传动链中分离出来，使主功能机构或驱动机构失去联系或者丧失运动的可能，此时虽能触发作动开关也不能正常工作。如果机械装置仅采用这一种保险机构形式，当机械装置受到跌落或剧烈振动式，主功能机构可能因惯性作用，意外作动。但是分离式的保险机构具有结构简单、体积小、对主功能机构干涉轻微等优点，对于体积有较高要求的机械装置多选择该种方式的保险机构。图1机构简图所示的3号件为分离保险机构，保险机构启动后齿轮无法啮合，防止驱动机构因误动而推动摆臂旋转。

按照开启或解除保险的方式，保险机构可分为人工保险和自动保险两种。人工保险需要操作者专门操作解除或恢复。自动保险不需操作者专门的操作即可解除或恢复保险。

人工保险的方式，由操作者提供专门的动作解除或恢复保险，保险动作可靠、机构简单。现代枪械中大多采用这种保险方式。如国产92式5.8毫米手枪的第一重手动保险，必须手动拨动保险杆，才能控制保险的启动和解除。

自动保险方式，由保险机构对某特定物理量的监测以此完成保险的解除或恢复，不需要操作人员提供额外的动作即可完成保险功能，保险动作迅捷。如美国柯尔特公司的M1911半自动手枪采用的握把保险，当射手握住握把，即可压下连杆解除保险，保险机构监测的是射手是否正确的握住枪的握把。相比人工保险，自动保险监测的物理量存在被替代或误判的可能，可靠性略低，通常配合人工保险共同作用。

4 保险机构的设置

保险机构多数设置成串联形式和并联形式。串联形式的保险即第一重保险运作后方可运作下一重保险，这样更符合操作习惯以及明确保险的级别。并联形式的保险即多重保险并列存在，操作任一保险机构不影响其余保险机构。该形式更多的是随着冗余的操作系统出现，也有保险级别较高或者要求多名人员共同操作的设备采用并联式保险机构，需要两个或更多并联的保险机构被同时启动或解除才能运行，如普通的密码保险柜，除了使用钥匙开锁外还必须解除密码盘的保险才能打开保险柜，钥匙和密码可以分开保管以提高保险柜级别。

串联的保险机构和并联的保险机构均采用增加操作流程的方式构成多重保险，以此提高启动或解除保险的难度。如某型作动装置，具有保险按钮、击发按钮、保险按钮外罩有保护罩。只有先打开保护罩、才能按下保险按钮解除保险，然后再按下击发按钮，装置方可工作，这就是双重保险。如果在保护罩上设置锁具，则增加了一重保险机构，构成三重保险。

保险机构的设置应根据设备的使用环境和设备误操作引发事故的危害程度确定，保险设置的重数越多操作越繁琐，响应时间越长。安装了保险机构的机械装置同样存在误动的概率，若触发机构的误操作概率为P1，第一重保险机构的误操作概率为P2，第N重保险机构的误操作概率为PN，则机械装置误动的概率P=P1×P2×……×PN，当P值很小时，在统计学范畴内定义为小概率事件，一次工作中不可能发生。

5 保险机构与自锁机构的辨析

5.1 区别

保险机构容易与具有自锁功能的主功能机构混淆，两者均可使机械装置保持某种工作状态不变，均需提供额外动力才能改变当前的工作状态。但是两者还是有着本质的区别的。

1）逻辑控制不同。保险机构比主功能机构具有更高的控制权，保险机构能控制主功能机构，主功能机构运动不能反向控制保险机构运动。

2）锁定状态的原理不同。自锁机构的锁定原理是F驱动≤F保持，即比较机构中摩擦力、弹簧力、惯性力、重力等多种互相作用力的大小，当驱动力小于保持力的条件成立，机械装置即可维持现有状态不变；机构的自锁状态被破坏后，通常不会造成零件损坏。接触式保险机构的锁定原理是F驱动/S受力面≤[σ]，即对比锁销等保险机构零件材料的抗剪、抗拉、抗压等机械性能能否承受机构运动造成的应力。当保险零件的强、刚度足以承受外力时，机械装置即可维持现有状态不变；机构的保险状态被破坏后，通常会造成零件损坏。

3）工作环境的不同。自锁功能的机构只能工作在特定的环境中，否则自锁状态将无法正常保持。例如静置在斜面上的滑块，满足斜面角度α小于摩擦系数μ的反正切（α

5.2 举例

根据以上的分析，以两个例子具体说明：

1）如图3所示的装置，3号件摇臂上承载重物的重量，摇臂的运动由1号件摆臂通过2号件连桿驱动。摆臂只能绕铰接点顺时针旋转，初始位置过死点角度为α。

在静止的工作环境中，重物始终向下压摇臂，重力的分力传递至摆臂后，使摆臂有绕铰接点逆时针旋转的趋势，只要摆臂不绕铰接点顺时针旋转α角，摇臂将始终保持水平位置不动，整个机构也处于稳定状态。

当装置的加速度方向发生变化时，会出现重物通过摇臂和连杆驱动摆臂顺时针旋转α角，破坏机构的稳定性的情况。所以图3所示的装置只包含具有自锁功能的主功能机构，无保险机构。

2）有一种用同一机构运动过程中的两个阶段先后解除保险和驱动的设计形式，见图4a、4b所示的装置。

1号件主动摆臂首先顺时针旋转β角，通过7号件连杆、6号件摇臂和5号件连杆使4号件保险杆逆时针旋转，解除对3号件滑块的制动，1号件摆臂继续顺时针旋转驱动2号件滑块推动3号件滑块。

由于主动摆臂能够驱动保险杆解除对滑块的制动，同时也能够驱动滑块运动，所以图4a、4b所示的装置只包含具有自锁功能的主功能机构，无保险机构。无保险机构锁定主动摆臂的初始状态，装置容易误动。

取消1号件主动摆臂与6号件摇臂之间的7号件连杆，见图4c、4d。3号件滑块的运动则必须先解除4号件保险杆的阻挡，再由1号件主动摆臂带动2号件驱动，装置具有接触式保险机构。实际应用中为了缩短装置运动时间，解除保险和提供驱动可以由一个动作的前后两个阶段分别完成，典型的实例是奥地利格洛克系列手枪的双扳机保险机构，由持枪者用一个扣扳机的动作，先压下小扳机解除保险，再压下扳机释放击针，击针在弹簧的驱动下击发弹药，非常利于持枪者快速射击。

6 综述

保险机构在保证机械装置安全、稳定的工作方面发挥了巨大的作用。军用装备的工作环境苛刻，对于安全性、可靠性等具有更高的要求，保险机构的作用更加不可或缺。保险机构的设计结构千差万别，无固定的模式，希望文中分享的观点能够为技术人员设计更加可靠、灵活的保险机构提供一点思路。

参考文献：

[1]沈显模.一种小口径旋转弹引信用安全和解除引信用保险机构设计[D].南京理工大学，2008.

[2]严慎武.新型制导炮弹安全与解除保险装置设计研究[D].南京理工大学，2012.

[3]曹金荣，等.81枪族击发机可靠性分析及结构改进[J].机械设计与制造，2006（8）.

[4]三土.寻踪：各国早期军用半自动步枪发展与演变（三）[J].轻兵器，2009（6）.

[5]张国强.20世纪十大著名手枪[J].轻兵器，1998（4）.

[6]三土.俄罗斯的PDW-SR-2M微型冲锋枪[J].现代兵器，2010（9）.

作者简介：谷万淼（1978-），男，研究方向：航空军械设计。