小型船用机械停止开关结构设计

张 影，李光辉

（1. 沈阳辽海装备有限责任公司，沈阳 110000；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着水声工业发展，越来越多的声呐设备需要在水声试验站开展水面或水下试验，为了配合试验进行，常需要在试验站甲板上安装升降机构以及伸缩机构等，用以完成声呐设备的下放、回收以及升降等动作。

升降机构以及伸缩机构在设计时，都会在行程的首尾端安装电子开关来控制机构启停动作，但随着实践经验的不断累积，电子类开关存在信号不改变导致机构失灵的情况，该情况轻则导致机构无法完成规定动作，重则可能导致事故的发生。因此升降机构和伸缩机构在运行过程中如何保障安全性和可靠性就显得十分必要[1]。

针对这一问题，本文设计了一个小型船用机械停止开关，安装在升降机构和伸缩机构行程的首尾两端，与传统电子开关一起保障系统的安全性和可靠性。当机构内的电子开关失灵时，机械停止开关作为整个结构的第二重保障设备，一旦触发时机构即在规定时间内有效停止，提高了试验设备的安全性，也避免了事故和灾难的发生[2]。同时鉴于声呐设备试验场地环境皆为湖中和海中，该设计充分考虑了防腐及耐压性能，使其不但能适应霉菌、盐雾和高低温等复杂海洋环境，也可承受不小于4 MPa的海水压力，以安全保障其参与设备的深水作业。

1 设计原理

小型机械停止开关内部包含光电开关，开关上带有一定长度的监测区域，初始状态监测区域被滑块遮挡，当机构运动到指定位置对小型船用停止开关开始碰撞，带动内部的滑块离开监测区域，光电开关向上位机传递的电信号发生改变，上位机立即发出停止信号控制机构停止。

小型船用机械停止开关带有防撞设计及回弹设计，防撞设计是指既能承受机构的撞击力，又能避免强撞击造成的挤压、磕痕甚至损伤等[3]。回弹设计是指在一次行程结束后，无需外力的辅助小型机械停止开关自动复位。在实现功能的基础上，兼具体积小巧、易于安装等特点，同时可根据应用场地的要求调整结构设计，简单易行，以适应不同场地的安装需求[4]。

2 电气设计

2.1 电气原理

在光电开关底部设置感应区域，利用滑块进行遮挡或离开感应区域，借此改变光电开关的信号状态。假设初始状态为滑块挡住光电开关感应区域，光电开关内置低电平，此时信号为0，当机构到达停止位时碰撞滑块向前运动离开感应区域，此时光电开关输出高电平信号由0改变为1，传递给上位机后，控制机构运行停止；机构反方向运动，滑块自动复位，光电开关感应区域重新被滑块遮挡，此时光电开关信号由1变为0，整个停止开关复位，等待下一次的启动[5]。

图 1 光电开关电气原理图

2.2 光电开关选型

根据小型船用机械停止开关需要实现的功能，并考虑安装要素，最终选取CBKG3407型光电开关，5 V电压源供电，感应区域不挡光时输出高电平，挡光时输出低电平。外壳材质选用铝合金并进行发黑处理，引出端为Φ0.8 mm高温导线[6]。光电开关的参数见表1。

表 1 光电开关电气参数

每个停止开关内设计有1只光电开关，底端共有两个固定点，利用螺钉固定，导线从顶端引出，共有3根引出线，其外形及接线定义见图2。

图2 光电开关外形及接线定义

3 结构设计

3.1 结构设计

根据小型船用机械停止开关需要实现的功能，结合使用工况，整体结构外形设计成腔体，并具有一定的机械强度，以免受到撞击时损坏。小型船用机械停止开关主要由以下几部分组成：滑杆、插座、腔体、腔体上盖、光电开关、压簧、圆台、滑块以及固定座这几个部件组成，其组成示意见图3。

图3 小型停止开关组成示意图

光电开关固定在腔体底座一侧，滑道外形与光电开关外形相同，内部设计同样尺寸凹槽，固定在光电开关对侧，便于滑块从中间穿过。滑块一端置入光电开关，另一端置入滑道内，同时穿过并固定安装在滑杆上，当滑杆运行时带动滑块在光电开关和滑道内运动，用来触发光电开关。滑块在原始位时，光电开关监测区域被遮挡，当圆台被撞击时，带动滑杆、滑块一起向上运动，监测区域没有遮挡物，借此改变光电开关的输出信号状态。光电开关的3根引出线沿着腔体的内壁经由插座与上位机连接[7]。

为了保证小型机械停止开关不被撞坏，且能够在受到撞击之后可以自动复位，在设计时，选用了压簧为圆台-滑杆-滑块复位提供驱动力：当机构撞击滑杆时，位于滑杆和腔体上盖之间的压簧受压回缩，同时也避免滑杆直接撞击腔体上盖，保证了整体机构的安全性；机构反向运动时，滑杆在压簧的作用下恢复原位，同时安装在滑杆上的2个固定座跟随向下运动并约束不超出下限位并保持滑杆平衡。滑杆、滑块以及固定座的安装方式见图4。

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图4 滑杆、滑块以及固定座的安装方式

结合以上论述，光电开关和滑道可保持滑块沿着一定轨迹上下垂直运动，压簧、固定座保证滑块每次被顶出后完成复位，以上初始的结构设计保证了小型机械停止开关基本功能的实现。

3.2 密封设计

由于小型船用机械停止开关所处的工作环境为水声试验站，所处环境存在海水、盐雾以及高低温等干扰因素，因此整个腔体设计成密封的形式。密封选用O型橡胶圈，材料为丁腈橡胶，具有较高的弹性塑变及宽的工作温度范围。为保证光电开关的安全性，每一处密封都设计有2道密封，提高整个设备密封的可靠性，防止电子开关接触到海水后受损[8-9]。

在小型船用机械停止开关中，共设计有4处密封，皆为径向密封。其中，滑杆穿过腔体上下各1处，腔体上盖与腔体之间1处，插座与腔体上盖1处。

3.3 安装方式

小型船用机械停止开关安装在物体前进的行程末端。可采用坐底安装或壁挂安装的方式，将其安装在预定位置处。为便于安装，多采用螺钉固定方式，可根据安装空间大小以及强度需求，选取合适的螺钉规格，同时也可调整腔体的形状以适应现场安装。

4 材料选择

4.1 腔体材料选择

小型船用机械停止开关由很多零组件构成，根据功能的不同，各零组件选用的材料不同。

滑杆、圆台、插座、腔体以及腔体上盖作为外壳，需要较高的机械强度及防腐性能，可选取材料有不锈钢、钛合金，圆台可表面硫化一层橡胶，可起到减震效果；腔体内部的零件，比如滑块、固定座、滑道等处于腔体内，对机械强度要求不高，也不需要防腐性能，因此选用铝合金即可。

以上几种材料的材料力学性能见表2。

表2 几种材料力学性能表

4.2 压簧计算及试验验证

由于小型船用机械停止开关需要压簧实现回弹，且压簧的形变难以预测，因此简化了此处的设计：仅将压簧套在滑杆上端，并落在滑杆圆形凸台上，既限制了弹簧的空间，又留有一定的自由度[7]。根据滑杆的尺寸以及凸台距离腔体上盖内部的尺寸，选取的压簧中径为16 mm，长度13 mm，压簧选用专用弹簧钢65Mn制成，根据经验公式进行选取弹簧直径。

压缩弹簧计算公式为

式中：k为弹簧系数，N/mm；G为剪切弹性模量，取值为197 000；d为弹簧直径，mm；n为有效圈数；D为弹簧中径。

弹簧被压缩后，需要靠压簧的压力，将其弹回到初始位置。考虑到O型圈的摩擦阻力，预设压簧回弹压力F=40 N，压缩距离3 mm，弹簧中径D=16 mm，有效圈数n=5，计算得出弹簧直径d=1.9 mm。

但实际工况中，撞击力大小不同，选取了几种直径不同规格的压簧，压缩弹簧距离为3 mm时，利用压力计做压力试验，并做好记录，数据见表3。

表3 压簧不同规格直径压力大小

经过几次测试，由于滑杆上共有4道轴向密封的缘故，橡胶与金属杆件之间存在摩擦力，试验中压力约为23 N时无法回弹到原位；压力约为31 N时，回弹较为缓慢，如若滑杆没有出现颤动等情况，滑块可以缓慢的回弹到光电开关与滑道的凹槽内，如若在回弹过程中，出现滑杆出现颤动的情况，滑块会落在凹槽边沿被卡住，甚至出现无法下落的情况；压力约为50 N时，滑杆可以快速的落回原位，即使有震动的情况，也没有被卡住；压力约为65 N甚至72 N时，滑杆会迅速的回弹原位发出声响，判断是回弹力较大所致，这种情况担心会对光电开关造成损伤。综合以上情况，选取了直径为2 mm的压簧。以直径为2 mm的压簧为例，其材料性能参数见表4。

表4 弹簧参数

同时将光电开关及滑道的形状进行了优化设计，将凹槽的宽度增加2 mm，滑块的厚度减小了2 mm，这样滑行的缝隙又增加了4 mm，避免发生滑块卡住或者光电开关损伤的情况。

5 仿真分析

当机构急停时，会首先撞击小型船用机械停止开关的圆台，考虑到整体机构的安全性，对小型船用机械停止开关的整体强度有一定的要求，否则结构强度太低，当机构急停时，出于惯性力的作用会造成损坏，进而影响整个机构的运行。且由于弹簧开关需要反复运行，同时需要进行疲劳分析[1,7]。

5.1 强度分析

利用ANSYS Workbench软件。按照设计工况，机构的重量为100 kg，在行程中，物体运动速度为0.1 m/s，传感器响应时间为0.02 s，根据动量守恒：

计算得出：F=500 N。

根据以上计算结果，圆台需要承受500 N大小的冲击力。以这一条件作为初始条件，在圆台下表面施加载荷F=500 N，设置腔体下表面为固定面，利用瞬态响应模块，最终分析结果见图5和图6。

图5 停止开关位移变形图

图6 停止开关应力分布图

根据上述分析结果可知，在受到500 N力的撞击下，滑杆的位移约为4 mm，足以触发行程开关启动，同时圆台底部最大应力为3.6 MPa，远小于材料的许用应力。此小型船用机械停止开关的设计符合使用要求。

5.2 疲劳分析

对小型船用开关进行疲劳分析，设置疲劳强度因子Kf=0.8，主要进行应力寿命分析，选用goodman平均应力理论，最终计算出的寿命和损坏见图7。

图7 疲劳分析云图

由图7可知，该小型船用开关寿命接近无限，只要正常工况内使用，操作规范，该设备可一直使用。但考虑到海边盐雾及海水腐蚀环境，建议整机设备一起检修时，可更换压簧。

6 试验验证

在后续某型声呐设备在试验过程中，安装了该型小型船用停止开关，以防止回收出现机构脱轨从而损坏设备。小型船用机械停止开关安装在金属板上，下方是收扩机构。安装时在金属板面预加工一个直径超过滑杆的圆孔，将腔体坐落在金属面板上，圆台可越过金属面板在另一面安装，其安装形式见图8。

图8 小型停止开关实际安装图

经过多次实际验证，小型船用机械停止开关能够实现收扩机构的停止功能，且内部没有海水灌入，光电开关性能不受影响，满足实际使用的要求。

7 结论

声呐设备在试验时，需要升降机构和收扩机构配合试验，考虑到这2种设备的可靠性及安全性，借用三维软件和仿真软件设计了一种小型船用水下机械停止开关结构，可实现升降机构以及伸缩结构的急停，同时可耐海水、盐雾等复杂海洋环境。经过实际工程验证，该小型船用水下机械停止开关可实现机构的停止功能，满足实际使用要求。