机械电子互锁锁具设计及应用

0引言

当前主流电子锁具通过生物识别、密码验证或蓝牙/NFC等无线通信驱动螺线管、电机等实现开锁,尽管此类电子锁具均具有电气解锁功能,但当电气解锁出现故障(如电路损坏或电量耗尽)时,若无其他应急解锁措施,需要通过物理破坏方式强行解锁,在工业安全领域应用时就可能导致安全事故发生。因此,应急解锁对于电子锁具来说是一项极其重要的功能。当前,电子锁具主要的应急解锁方式是采用机械应急钥匙,然而对于电子锁具而言,机械应急钥匙实际意义上相较于电气解锁是更高权限的解锁方式,但却难以对机械应急钥匙进行权限管控,一旦机械应急钥匙丢失或被复制,则意味着相应的锁具也失去了权限管控,唯一的补漏措施是通过其他设备或途径对机械应急钥匙进行管理,这样虽然有一定效果,但仍然难以杜绝钥匙丢失或被复制的风险,最终机械应急钥匙变成了通用钥匙,成为电子锁具的一大漏洞。

电子锁具相较于传统机械锁具,采用生物识别、无线通信等智能化技术,安全性和便捷性突出,其在无钥匙化、物联网、远程授权、权限管理及操作记录 等方面的优势都是机械锁具无法比拟的;而机械锁具具有结构简单、故障率低等特点,相较于电子锁具在可靠性、环境适应性和维护成本上也有显著优势。机械应急解锁作为弥补电气解锁可靠性和环境适应性不足的措施,在电子锁具的应用上起到了非常关键的作用,因此,研究机械应急解锁对于电子锁具设计具有非常重要的意义。本文提出了一种在电子锁具上应用的机械电子互锁技术,用以解决电子锁具在正常使用过程中,因机械应急钥匙丢失或被复制导致的通开问题。

1机械电子互锁技术

1.1 技术原理及应用

互锁是利用逻辑控制防止两个或多个设备同时 工作,机械电子互锁技术通过传感器、控制器和执行机构的联动实现逻辑控制,其典型原理主要有双通道认证和逻辑互锁。双通道认证是通过电子身份验证和机械钥匙双重校验;而逻辑互锁是电子系统失效时触发机械应急机制,利用逻辑互锁原理,可使电子锁具的电气解锁功能正常使用时,机械应急解锁功能处于非工作状态,即使有机械应急钥匙也无法进行应急解锁。

机械电子互锁技术普遍应用于工业安全、电力系统、轨道交通、机器人等领域,如高压开关柜柜门与断路器之间设置互锁装置,柜门未关闭时断路器无法通电,以防触电;高铁车门与车辆行驶系统联动,车门未关闭时列车无法加速;设备运行时锁定机械把手,停机后自动释放机械联锁等[1]。

1.2 技术路线

当前机械电子互锁技术主要分为三类:

1)机械式互锁:通过物理结构限制操作顺序,如钥匙交换系统(keyExchangesystem)。例如,核反应堆控制室的多道安全门需按顺序解锁,钥匙插入顺序错误时门禁系统自动锁定。

2)电气式互锁:依赖继电器、PLC(可编程逻辑控制器)等实现逻辑判断。例如,数控机床的防护门与主轴电机联动,门未闭合时电机无法启动。

3)混合式互锁:结合机械与电气控制,兼具可靠性与灵活性。例如,风力发电机检修时,需同时断开机械制动器和电气控制回路,确保叶片完全停止转动。

2机械电子互锁锁具设计

2.1 设计思路

根据上述内容,利用机械电子互锁的逻辑互锁原理,设计一种带机械应急解锁功能的电子机柜锁,正常使用时采用电气解锁功能,而只有在电气解锁功能失效(如电量耗尽或电路故障)情况下,才能使用机械应急钥匙进行解锁[2]。

设计思路上采用电机作为电气解锁驱动元件,电机机构与机械应急机构采用并联方式同时对电子机柜锁的解锁旋钮进行闭锁。当锁具正常使用时,机械应急钥匙插入锁孔会触发电机动作对应急解锁机构进行反向闭锁,即使机械应急钥匙匹配机械齿形也无法进行锁具解锁。

2.2 设计原理

基于上述设计思路,机械电子互锁设计主要有以下两点要点,一是电机机构和机械应急机构并联设计且相互独立;二是电机机构对机械应急机构的反向闭锁,即电机机构实际上是两个闭锁结构。

要实现电机机构和机械应急机构并联设计且相互独立,两个机构之间需要进行离合设计,电气解锁时,电机机构动作不受机械应急机构闭锁影响;而电气失效采用机械应急解锁时,机械应急机构同样不受电机机构闭锁影响[3]。

要实现电机机构对机械应急机构的反向闭锁,一方面电机机构需要设计两个闭锁结构,一个用来闭锁解锁旋钮,另一个用来闭锁机械应急机构;另一方面机械应急机构也需要设计两层结构,一层用来匹配机械应急钥匙进行解锁,另一层用来匹配电机反向闭锁机构进行闭锁,只有同时满足机械应急钥匙解锁和电机机构解锁才能完成对解锁旋钮的解锁动作。

设计原理图如图1所示。

2.3 设计方案

根据上述设计原理,设计出如图2所示机构简图,包含电机机构、检测元件、机械应急机构、机械应急解锁孔、解锁旋钮等关键结构。

解锁机构动作示意图如图3所示,不同解锁方式如下:

1)当使用电气解锁时,电机机构动作,同时解锁解锁旋钮和机械应急机构,解锁旋钮和机械应急机构处于闭锁状态,可同步进行旋转解锁锁具。

2)当电气正常、插入机械应急钥匙时,触发检测元件并解锁机械应急机构,电机机构动作对机械应急机构进行闭锁,机械应急钥匙无法转动,此时虽然解锁旋钮可以转动,但无法对锁具进行解锁。

3)当电气失效、插入机械应急钥匙时,机械应急机构解锁,但失效状态下的电机机构无法对机械应急机构进行闭锁,通过旋转机械应急钥匙即可实现锁具解锁。

由上述机构原理图进行设计方案细化,设计一款用于柜门闭锁的电子机柜锁,如图4所示,外部结构包括锁体、面板、旋钮、锁舌、锁芯等,内部结构包括电机、转轴、电气模块、检测元件、电池等。

该电子机柜锁通过蓝牙与电气模块通信进行认证授权解锁,为保证电池使用寿命,采用手动按钮唤醒模式;除此之外,也可采用Wi—Fi、NB—IOT或指纹识 别等其他方式。

机械应急锁芯采用偏心锁孔的锁芯,便于布局设计,锁孔底部设计触发杆,配合检测元件进行反向闭锁检测。

电机动作设计两个闭锁点位,一个用于闭锁旋钮锁壳,另一个用于闭锁转轴(转轴与锁芯固定连接);锁芯与旋钮锁壳通过边柱进行闭锁,齿形匹配即可解锁。当正常电气解锁时,旋钮锁壳通过闭锁的边柱带动锁芯和转轴一起旋转解锁;当电气失效机械应急解锁时,旋钮锁壳不动,钥匙转动锁芯和转轴进行解锁[4]。

2.4 方案验证

基于设计图模拟机构动作,可以满足上述设计意图。进一步进行样品制作,并设计相应程序进行调试验证,验证结果如表1所示。

正常使用过程中,可通过蓝牙进行电气解锁,解锁响应时间<2s,5s后电机复位闭锁,可听到电机动作声音。

电气正常情况下,插入机械应急钥匙可听到电机动作声音,反向闭锁响应时间<0.1 s,但无法进行机械解锁。插入机械应急钥匙后采用蓝牙进行电气解锁,仍可进行正常解锁。

取出电池模拟电气失效情况,插入机械钥匙可正常解锁。

3 结束语

相比较于传统电子锁具非互锁的机械应急解锁 方式,本文设计的机械电子互锁锁具在结构设计上虽复杂程度较高,但能有效杜绝锁具在正常使用过程中被机械应急钥匙解锁的隐患,真正起到应急作用。进一步地,可利用电子锁具状态检测及远程监控等技术,对非正常解锁进行监控和记录,从而极大程度地提高电子锁具的安全性。

[参考文献]

[1]钟元.面向制造和装配的产品设计指南[M].2版.北京:机械工业出版社,2016.

[2]机械防盗锁:GA/T 73—2015[S].

[3]邱黎升.一种智能电子锁的离合装置设计[J].机电技术,2018(4):18-20.

[4]胡玉岩.指纹锁、电子锁应急快速开启的研究[J].建材与装饰,2018(43):295-296.

《机电信息》2025年第12期第13篇