作动筒内置指形锁结构研究

冯广，张健全，金军

（中航飞机起落架有限责任公司 工程技术研究中心，长沙 410200）

0 引言

在设计作动筒时，往往因结构或者空间的要求，需要在作动筒内部设置锁结构，以便在末端位置把活塞锁住，如一些船舶的舱门开关作动筒，飞机起落架收放作动筒及舱门收放作动筒等。作动筒的内置锁结构通常有钢球锁、指形锁、卡环锁三种[1]。钢球锁结构简单，但承载较小，特别是钢球锁，承受较高载荷时，因为钢珠与支撑件是点接触，容易产生应力集中，工作次数频繁时，往往破坏锁环的表面。卡环锁主要靠卡环开口处的收缩和张开变形，与锁环共同完成上锁能力，这种锁结构虽然简单，但因变形较大，容易在卡环中部产生应力集中现象，同时拆卸也不方便。指形锁承力较高，开、关锁可靠，但是其受力情况较复杂，往往应用在高承载结构中。在工程设计中，钢球锁与卡环锁结构简单，开锁压力也容易计算，而对于指形锁，笔者发现设计员在进行开锁压力试验时，与设计的开锁压力偏差较大。为了更好地指导工程设计，本文对指形锁开锁原理进行了介绍，重点分析了指形锁结构的受力情况。

1 工作原理

图1为内置指形锁结构的某作动筒结构图。其锁结构由浮动活塞、固定套、支撑锁环、分离夹头、锁撑块、复位弹簧等组成。支撑锁环与固定套组的接触部分组成了一个组合锁槽；分离夹头是关键零件，其形状像手指，在“手指”的端部有设置有锁头，这些“手指”具有一定的刚度和弹性，通过“手指”的挠度变形，其端部的锁头退出或进入组合锁槽A，从而实现开、关锁。图示位置为上锁状态，当液压或者气压从进油孔（进气孔）进入作动筒时，系统压力克服复位弹簧变形力，推动活塞，带动锁撑块向左运动逐渐退出分离夹头支撑面。在锁撑块退出支撑面后，此时支撑锁环与作动筒活塞受到液压作用有向左运动趋势，支撑锁环斜面压迫分离夹头使之发生向下弯曲的弹性变形，将分离夹头的锁头压出锁槽A，并挤入支撑锁环的柱面从而实现开锁。

图1 某作动筒指形锁结构示意图

当作动筒上锁时，作动筒活塞杆带动锁撑块、支撑锁环一起向右运动，当分离夹头与支撑锁环的斜面B接触时，分离夹头被迫径向收缩，继续前移并顶压锁撑块，当夹头越过支撑锁环的内圆柱面时，夹头即向四周张开，滑入锁槽A。此时，锁撑块受弹簧力作用伸入分离夹头内部，并保持在该位置，分离夹头被锁锁住不能移动，作动筒实现上锁。

2 受力分析

该锁机构上锁时只需克服弹簧力和系统的摩擦力的影响，情况简单，这里不做分析，这里重点分析开锁时的受力情况。

2.1 开锁力计算

作动筒开锁可以分为两个阶段：在阶段一，将锁撑块推出分离夹头；在阶段二，压迫分离夹头，使其退出锁槽。

1）阶段一的受力分析。

阶段一主要克服分离夹头左侧的弹簧力和分离夹头对锁撑块的摩擦力，图2为阶段一指形锁分离夹头的受力简图。图2中N1为支撑锁环对夹头的压力；Ff1为支撑锁环对分离夹头的摩擦力；θ为夹头的斜面夹角，N2为锁撑块对夹头的支撑力；Ff2为锁撑块对夹头的摩擦力；p为开锁压力；S0为作动筒活塞面积；f为摩擦因数，有润滑的光滑表面的摩擦因数一般取0.1[2]。由力学平衡方程有：

图2 阶段一分离夹头结构受力简图

令锁撑块左侧弹簧的弹性系数为k，弹簧压缩长度为x，锁撑块压力有效作用面积为S1，有

式中，K为分离夹头的型面因子，表征分离夹头的斜面夹角θ对开锁压力的影响。

2）阶段二的受力分析。

该阶段需要使夹头产生一定挠度δ，使其内缩至支撑锁环柱面。图3为该阶段受力分析简图。

图3 阶段二受力分析简图

式中，n为分离夹头的数量。

3）确定开锁压力。

由式（3）和式（6）可以得出开锁压力。实际情况下，分别计算出两个阶段的压力p，其较大者即为理论开锁压力。

3.2 影响开锁压力的参数和分析

由式（3）和式（6）可以看出，锁机构的开锁压力主要与以下几个参数有关：

1）分离夹头的斜面坡角θ。

从式（3）知，在弹簧力kx与面积S0、S1都一定时，分离夹头型面因子K越小，开锁压力就越小，反之开锁压力越大。而从K的表达式可以看出，0°～90°范围内，随着θ的增加，K逐渐减小；反之则K逐渐增大。因此，在阶段一的情况下，θ越小，开锁压力越小。极限情况下，θ为0°时，开锁力可以忽略不计，此时相当于分离夹头与支撑锁环没有限位作用，分离夹头不需要挠曲变形，仅克服复位弹簧力即可；θ为90°时，开锁力最大，从式（3）可以看出K为-0.01，从安装关系上可以看出，因为支撑锁环与分离夹头接触高度较小，分离夹头较薄，忽略支撑锁环对分离夹头的弯矩作用，因此在开锁时只有轴向载荷N1，锁撑块与分离夹头几乎不接触，压载荷N2近似为0，此时液压力pS0与N1平衡，分离夹头与支撑锁环基本上不发生相对运动，没有挠度变形，要开锁，只有分离夹头断裂。

可以看出，分离夹头的斜面坡角θ对开锁阶段一与开锁阶段二的开锁压力有影响。

2）锁撑块的有效作用面积S1。

从开锁工作顺序可以看出，在开锁阶段一时，需要将锁撑块推出分离夹头，此时液压系统提供的载荷与锁撑块的有效面积S1成正比，而此时系统压力p与锁撑块的有效作用面积S1成反比，即有效面积S1越大，开锁压力p越小。可以看出，锁撑块的有效作用面积S1仅对开锁阶段一的开锁压力有影响。

3）复位弹簧的阻力值kx。

复位弹簧作用为防止因振动、冲击或者液压系统的压力脉冲等因素导致意外开锁。因此复位弹簧对开锁压力的影响主要集中在开锁阶段一。在开锁阶段一时，锁撑块要克服复位弹簧的阻力，故弹簧阻力越大，开锁压力越大。可以看出，复位弹簧的阻力值kx仅对开锁阶段一的开锁压力有影响。

4）分离夹头的抗弯刚度EI。

3 实例分析

将以上参数带入式（3）和式（6），可得开锁阶段一压力p1=0.52 MPa；开锁阶段二压力p2=1.7 MPa，阶段二压力较大，说明该锁机构开锁时的情况应该是高压气体先推开锁撑块后，随着压力上升再把分离夹头压入支撑锁环内实现开锁。故理论开锁压力值为1.7 MPa。对该气缸开锁压力进行试验验证，实际开锁压力为1.6 MPa，基本符合理论计算。

通过前文分析，指形锁开锁分为两个阶段，设计员在计算开锁压力时，往往只考虑开锁阶段一的情况，即认为锁支撑块退出分离夹头支撑面后，锁即打开，没有考虑到当指形锁分离夹头刚度特别大时，系统推动浮动活塞的载荷远远不足以迫使分离夹头的挠曲，使得锁头退出组合锁槽A。

4 结论

本文主要分析了一种作动筒内置指形锁开锁顺序和受力情况，结果发现：

1）指形锁作动筒开锁分为两个阶段，即阶段一锁支撑块脱出分离夹头支撑面，阶段二分离夹头受压锁头退出组合锁槽，应分别计算两个阶段的开锁压力，其中较大的压力为设计开锁压力。

2）分离夹头坡角、复位弹簧的力值、锁撑块的有效作用面积、分离夹头的抗弯刚度及分离夹头的悬臂长对指形锁的开锁性能影响较大。

3）分离夹头坡角对两个开锁阶段的开锁压力均有影响，复位弹簧的力值和锁撑块的有效作用面积仅对开锁阶段一开锁压力有影响，分离夹头的抗弯刚度和分离夹头的悬臂长仅对开锁阶段二开锁压力有影响。