一种瞬开门闭锁机构设计与研制

伍宗效，李家春，张建明

（1.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州哈雷空天环境工程有限公司，贵州 安顺 561000）

1 引言

直流吸入式风洞的启动时间影响着试验流场品质，试验时启动时间越短流场均匀度越高。某大型直流吸入式风洞中瞬开门锁闭机构是试验启动的关键装置，其闭锁性能的好坏直接影响到瞬开门的开启时间，这也将影响到整个风洞的流场品质。闭锁机构要能承受较大的闭锁力［1］，又要能够快速的解锁是闭锁机构性能的关键所在，因此设计与研制一种新型闭锁机构，并进行强度分析、闭锁力分析、开启时间测试和对比优化，得到满足工作性能要求的闭锁机构［2］。

传统大型吸入式风洞中瞬开门采用钢化玻璃门［3］，开启时使用钢针高速撞击致使破碎达到快速开启的目的。这种方法虽然达到了瞬间开启，但是玻璃门破碎的玻璃渣影响流场品质和试验安全，同时还增加了清理时间和试验成本。每一次试验前都需人工重新安装瞬开门，费时费力工作效率低。文献［4］研制了一种撞开式风洞门，在使用过程中可自动复位，不需要试验人员去把守，安全性强、可靠性高。这种撞击式风洞门既能够让车通过也可让人通过，在试验车辆通过时为柔性撞开风洞门［5］，能够大程度的延长风洞门的使用寿命。但在试验过程中也存在缺点，开启风洞门时需要外力来撞击才能打开，在试验上带来不便。

针对传统风洞门开启方式的弊端，研制一种具有高效开启方式的闭锁机构，既能达到瞬间开启的效果，稳定性高、操作简单，又可实现重复使用，大大节省试验成本和试验时间，使风洞门能够自动开启与关闭。

2 闭锁机构总体结构

该闭锁机构使用在具有极大压差环境下的瞬开门中，门内压力3000Pa，门外为标准大气压，这使得门板承受较大的外压力。在这极大的压差情况下，要有很好的闭锁效果，闭锁机构要有足够大的闭锁能力，这对闭锁机构的设计有着严格的要求［6］。为减少开启时间和压力负载，瞬开门设计为双向对开式，门板与流道成45°，当瞬开门完全开启时与流道平行。通过电磁阀控制0.8MPa的气源，给瞬开门的开启气缸供气，推动气缸活塞推出，带动抓钩打开钩锁扣件，瞬开门在气压的作用下迅速打开。对瞬开门冲击减速，使门板停止转动并防止反向回弹。开启气缸反向充气［7］，瞬开门自动关闭，气缸收缩后推动门板沿着门铰链转动关闭，当到达关闭位置，闭锁机构自动锁闭。闭锁机构安装在两扇瞬开门中间，如图1所示。

图1 瞬开门Fig.1 Instantly Open the Door

闭锁机构主要由2个钩锁扣件、2个抓钩、钩锁弹簧、2块钩锁座板、1个叉杆支座、1个转动摇杆、1个气缸、1个气缸支座以及一些螺栓和定位销组成。考虑到双向锁闭方式能够加快开门时间，同时还能分担由压差带来的闭锁力，减小负载。2个钩锁扣件锁住左右两扇门，是闭锁力的直接接触点，在整个闭锁机构中起到关键作用。闭锁机构的开与锁的动力都来源于气缸，气缸充气伸长使转动遥感顺时针转动同时拉起抓钩，解除钩锁扣件的约束，致使其转动而开锁。闭锁机构的整体结构，如图2所示。闭锁机构开启过程，如图3所示。

图2 闭锁机构的整体结构图Fig.2 The Overall Structure of the Locking Mechanism

图3 闭锁机构开启过程Fig.3 Opening Process of the Locking Mechanism

3 关键零部件分析

3.1 钩锁扣件强度分析

钩锁扣件与瞬开门铰链配合，扣锁住瞬开门，是闭锁力的直接接触点，承受着门板负载，其强度大小决定着闭锁机构的闭锁性能。瞬开门外设定为标准大气压，门内压力大小为3kPa（绝压），按门内外面受到100kPa压力进行设计，门面受到的压力为F=（1.4m×2.2m）×1.0kg/f=30800（kg）。单扇瞬开门上两个铰链，即为两个锁闭点，两扇门就是4个锁闭点，承受30800kg作用力，平均作用到每个锁钩点的力为F=30800/4=7700（kg）。考虑不平衡原因，设定如果一个钩锁扣件失灵后，另一个钩锁扣件必须保证瞬开门的锁紧状态，且不得有损坏发生，因此，每个钩锁扣件承受按15000kg进行应力分析。边界条件设定，如图4所示。

图4 钩锁扣件边界条件设定Fig.4 Boundary Condition Setting of Hook Lock Fastener

边界条件设定，中间定位销圆孔面固定，钩锁扣件与抓钩接触面固定，钩锁扣件与门板铰链上接触面施加力，材料采用30CrMnSi合金钢。钩锁扣件采用四面体非结构网格划分，网格划分，如图5所示。分析结果显示，钩锁扣件所受最大应力为371MPa，应力云图，如图6所示。30CrMnSi合金钢的屈服强度800MPa，满足应力要求。最大位移为0.1234mm，位移变化量，如图7所示。

图5 钩锁扣件网格划分Fig.5 Mesh Division of Hook Lock Fasteners

图7 钩锁扣件位移云图Fig.7 Displacement Cloud Diagram of Hook Lock Fastener

3.2 抓钩强度分析

抓钩的负载来源于钩锁扣件，作用力作用于两者的接触面，通过转矩变换，传递给释放钩的作用力减小了1.4倍，得出作用在释放钩上的力为10700kg。边界条件设定，定位销圆孔面固定，抓钩与拉杆接触面固定，负载施加于抓钩与钩锁扣件的接触面，材料依然采用30CrMnSi合金钢。边界条件设定，如图8所示。抓钩同样采用四面体非结构网格划分，网格划分，如图9所示。

图8 抓钩边界条件设定Fig.8 Grapple Boundary Condition Setting

图9 抓钩网格划分Fig.9 Meshing of Grappling Hook

分析结果显示，释放钩所受最大应力为356MPa，应力云图，如图10 所示。30CrMnSi 合金钢屈服强度800MPa，满足应力要求。最大位移为0.1112mm，位移变化量，如图11所示。

图10 抓钩应力云图Fig.10 Stress Cloud Diagram of Grappling Hoo k

图11 抓钩位移云图Fig.11 Cloud Diagram of Grappling Hook Displacement

3.3 抓钩释放力分析

钩锁扣件传递给释放钩上的作用力为7100kg，钩锁扣件与抓钩接触面上产生的摩擦力为710kg（摩擦系数按光滑面0.1考虑），抓钩杠杆作用距离为3 倍，则抓钩在释放过程中还需要236kg的力来拉动。结构上，在这个接触面设计5°倾角（不超过摩擦角），由此5°倾角面产生618kg 的作用力，减小摩擦力至92kg，则释放钩实际需要拉力约为30kg。

4 测试开启时间对比分析

4.1 传统风洞门测试开启时间

传统撞开式风洞门的开启时间由门锁结构和撞击力大小所决定，撞击力大能加快开启但影响风洞门的使用寿命，撞击力小则影响开启时间。风洞门开启时间数据的采集通过传感器采集，经过A/D模拟量转换后通过PLC来识别和读取并进行保存，这样可以降低测试数据受人为因素的影响。根据风洞门内外压差计算出6组不同的撞击力，采用传统旧风洞门测试6组撞击力开启时间，每组测试三次，6组撞击力的开启时间测试数据，如表1所示。6组数据中最大撞击力下的平均开启时间为500ms，最小撞击力下的平均开启时间为805ms，全部数据的最大误差在第三组为35ms。撞击力越大所用开启时间越少，相邻两组撞击力的平均开启时间最大相差74ms，最小相差43ms。第1组撞击力和第6组撞击力下的平均开启时间相差305ms，且为6组数据中相差最大值。

表1 传统撞开式风洞门开启时间测试数据Tab.1 Opening Time of Traditional Knock Open Wind Tunnel Door

通过传统撞开式风洞门测试开启时间数据绘制曲线图，如图12所示。

图12 传统风洞门开启时间测试曲线Fig.12 Test Curve of Opening Time of Traditional Wind Tunnel Door

从图中看出测试数据总体向下走趋势，说明撞击力越大风洞门开启时间越快，最大误差曲线呈平稳趋势。考虑到闭锁机构在使用过程中的疲劳寿命、传感器的精度、测试工作人员的经验以及外界因素的影响，每组数据都存在误差。

4.2 新型风洞门测试开启时间

风洞门采用新型闭锁机构，通过控制气缸来驱动闭锁机构开启风洞门，风洞门开启时间数据的采集同样通过传感器采集，经过A/D模拟量转换后通过PLC来识别和读取并进行保存。为了与传统撞开式风洞门测试开启时间数据形成对比参照，新型风洞门根据撞击力的对应压力测试开启时间，也分别对6组压力进行3次测试，测试数据，如表2所示。6组数据中最大压力下的平均开启时间为120ms，比传统撞开式风洞门快380ms；最小压力下的平均开启时间为456ms，比传统撞开式风洞门快349ms；全部数据的最大误差在第三组为32ms，比传统撞开式风洞门少3ms。压力越大所需开启时间越少，相邻两组压力的平均开启时间最大相差85ms，比传统撞开式风洞门多11ms，最小相差42ms，比传统撞开式风洞门少1ms。第1组压力和第6组压力下的平均开启时间相差336ms，比传统撞开式风洞门多31ms，且为6组数据中相差最大值。

表2 新型风洞门开启时间测试数据Tab.2 Opening Time of New Type Wind Tunnel Door

通过新型风洞门测试开启时间数据绘制曲线图，如图13所示。从图中看出测试数据总体向下走趋势，比传统撞开式风洞门曲线下降的更快，说明相应速度更快，最大误差曲线同样呈平稳趋势。同样考虑到闭锁机构在使用过程中的疲劳寿命、传感器的精度、测试工作人员的经验以及外界因素的影响，每组数据都存在误差，得到新型风洞门最快开启时间为120ms。由于风洞门开启时间的限定，设计上主要是避开这个时间段所消耗门内的蓄能，设计上只要开启时间不超过200ms，就能够满足该设计方案的要求（如果超过200ms则可相应的增大瞬开门内负压罐的体积），从而确保整个风洞系统试验时所需要的0.8马赫稳定时间要求。

图13 新型风洞门开启时间测试曲线Fig.13 Test Curve of Opening Time of New Type Wind Tunnel Door

5 实物验证分析

为验证闭锁机构的设计与分析合理性，研制了一套瞬开门和闭锁机构，瞬开门实物，如图14所示。闭锁机构实物，如图15所示。为降低瞬开门的开启时间与门板的转动惯量，对瞬开门板进行了优化设计［8-10］。原设计中门板采用Q245R 钢材，后更改为Q460钢材，在保证瞬开门强度的条件下，提高了材料的要求，并进行了轻量化设计，在使其重量减低为591kg，减轻104kg。

图14 瞬开门实物图Fig.14 Physical Image of Instantaneous Opening of the Door

图15 闭锁机构实物图Fig.15 The Physical Diagram of the Locking Mechanism

相关验证如下：

（1）闭锁机构动作：瞬开门闭锁机构包括铰链、气缸、电磁阀、抓钩、钩锁扣件等整个机构的运行。按照实际工作条件要求，在多次的实物试验过程中，该闭锁机构各零部件均能按照设计要求的动作执行，各零部件也均能灵活运动，未产生零部件卡顿和失效现象。

（2）闭锁机构强度：瞬开门闭锁机构在组装完成后，分别对两组钩锁扣件和抓钩进行了加载10000kg，250次释放试验。考虑到其中一个锁点失效情况下，仍然能承受瞬开门施加的作用力，以单体加载静载荷20000kg做强度试验。在试验完成后，检查钩锁扣件与抓钩，未发现有磨损失效和断裂损坏现象，并且在试验后组装闭锁机构能灵活运行。随后又进行了两侧联合加载试验，均通过试验要求。试验后闭锁机构磨损情况，如图16所示。

图16 闭锁机构磨损情况Fig.16 Wear of the Locking Mechanism

6 结语

针对某直流吸入式风洞的瞬开门工作要求，设计了一种新型闭锁机构，运用双向开闭锁方式，由气缸控制开闭锁。通过对闭锁机构的实际工作过程数值模拟结果分析及参数优化，提出了双向开锁方式，得出最优的结构设计。

对这里设计的闭锁机构进行了实物研制，对机械运动、结构强度进行试验验证，均满足工作要求。通过对比，这里设计的闭锁机构具有闭锁能力强、操作简单、开闭锁自动化等优点，且开闭锁响应速度快。误差范围内100kPa压力下开启仅需120ms，在原有500ms基础上缩短了380ms左右。