快球球芯机壳搭扣连接结构缺陷改进

  　故障现象

　　在大型现代化货运码头电视监控中，需要在岸边集装箱起重机、粉料装卸起重机等大型起重机吊臂的最前端安装快球摄像机。在实际应用时，所安装的高级快球摄像机仅半年就大批损坏。造成监控系统故障率高，维护代价昂贵。

　　故障原因分析

　　通过对故障快球摄像机检查了解，常见故障现象和损坏直接原因归纳见下表1。
 

　　通过上表可以发现：造成上述快球摄像机大批损坏的直接原因是快球的球芯与机壳安装连接的机械结构设计不合理，在使用中失效，球芯脱落，电气连接脱开，使快球产生故障。

　　现场使用环境调查根据实地调查，码头岸边起重机为悬式吊臂的大型钢架结构，起重机工作时，安装快球摄像机的吊臂最前端存在较大振动运动。以岸边集装箱起重机为例，主要破坏性振动：

　　岸边集装箱起重机在起吊集装箱时，30多米长前吊臂前端安装快球位置会一直持续产生低频的上下垂直振动，振幅达3-5厘米；

　　集装箱起重机整体沿码头轨道水平移动时，吊臂前端又会持续产生更低频率的水平振动，振幅达10厘米左右，在此人员需要扶住固定物才能站稳；

　　集装箱起重机每次投入、结束工作，或整体沿岸边水平移动，为避开大型货轮较高的桅杆、上层建筑，需要起重机前大臂向上仰起或放下，此时会产生较大的冲击振动；

　　吊机上前后移动的行车沿钢轨跑动时也会产生不小的振动，传到吊臂前端安装的快球。

　　因此安装在大型码头起重机长吊臂前端的快球摄像机，会不断受到水平和垂直方向的低频率大振幅的振动危害和较强的冲击危害，由此造成快球摄像机频繁故障损坏。常规快球摄像机大都难以适应这样恶劣的振动环境，用不了多长时间就损坏。其实，一些快球摄像机即使安装在固定环境，偶尔也会发生球芯脱落电气连接不良的问题。

　　失效构件薄弱点分析

　　该快球摄像机的球芯重1.2公斤，通过快速装拆式搭扣结构吊装在摄像机机壳内的球芯安装底板上，并在球芯安装底板和球芯的商罩壳之间用接插件进行电气连接,搭扣的具体结构见图1。经现场拆开损坏的快球摄像机检查发现：受损部件是球芯安装底板，以及与之连接的球芯上罩壳，两者均发生断裂、断落。
 

　　球芯安装底板主体为工程塑料构件，在搭扣根部设计还是比较牢靠的。但球芯安装底板在绿色标志搭扣一侧，靠近与快球机壳吊装螺柱固定的固定点附近却容易断裂（图2所示球芯安装底板断裂带。断裂带下方2个圆螺钉凹孔，固定在快球机壳的吊装螺柱下）。由于固定点离开悬着的底板搭扣受力轴线有一定距离，类似悬臂形式；底板中间又开了很大的方孔，断裂带处结构断截面只有17mm，因此此处应力集中，结构显得薄弱。再遭遇振动冲击的不利影响，使得球芯安装底板断裂，引起摄像机球芯搭扣松脱脱落、摄像机的电气接插件连接松脱损伤，摄像机产生故障。因此，球芯安装底板存在结构薄弱点，在振动冲击环境下，产生疲劳性机械损伤而断裂、断落。
 

　　同样原因，球芯的上罩壳也由工程塑料制成，上罩壳搭扣插孔外侧的护圈也比较单薄。设备安装和工作时，护圈向内控制上部的球芯安装底板搭扣与球芯上罩壳搭扣连接。护圈与上罩壳实际连接面积很小，两侧都只有5mm（图3所示球芯上罩壳的搭扣护圈已断落），也是结构的薄弱点。受振动冲击不利影响，护圈根部很容易从上罩壳断裂，球芯安装底板的搭扣失去护圈的制约而向外滑出，造成搭扣组连接松脱，球芯脱落，摄像机产生故障。因此，上罩壳的护圈也是由于存在结构薄弱点，受振动冲击产生疲劳性机械损伤而断裂、断落。
 

　　快球摄像机的搭扣连接结构本身是否可靠呢？通过选择完好的快球摄像机，将球芯安装底拆下，直接安装在球芯上，此时两者搭扣如实际使用时一样正常连接。实验时，稍微用力连续上下、左右、摆动等多种方式晃动搭扣组，模拟快球在码头起重机上实际使用时受到的振动和冲击效果。结果，不用多久搭扣就会意外脱开分离，但重新安装后搭扣又能恢复连接功能。这说明快球球芯连接的搭扣结构本省就存在缺陷，经受不起较强的振动冲击影响。也由此原因，造成快球摄像机即使安装在固定环境，偶尔也会发生球芯脱落电气连接不良的问题。

　　针对上述存在的构件薄弱点和结构缺陷问题，可以推断：发生问题的根本原因在于产品设计与制造的缺陷。

　　改进方法

　　对于球芯安装底板，加强构件薄弱点的结构强度。在圆螺钉凹孔与底板平面接合处设置加强筋；加厚整个底板塑料构件的材料厚度，保证构件牢度，从而化解应力集中点，避免构件疲劳失效。也可将球芯安装底板全改为金属制构件，提高结构牢度。

　　原损坏的球芯上罩壳搭扣外侧护圈作用之一为锁住上部球芯安装底板插入的搭扣连接。护圈实际离搭扣连接点还有一定的距离，锁紧效果不佳，而本身受到不小的冲击力。因此，单靠增大护圈与基体的连接面积加强薄弱点强度的方法不是最好的改进方法，不能完全解决快球球芯安装搭扣会意外脱开的缺陷，更合理方法是全面改进球芯安装搭扣结构形式。

　　根据图1的快球搭扣结构分析：球芯安装底板的搭扣右侧与球芯装饰板左侧之间存在一定的间隙。当发生球芯搭扣护圈断落或球芯安装底板断裂损坏时，球芯安装底板的搭扣容易滑向右侧的间隙，使得搭扣组意外脱开，球芯脱落，摄像机发生故障。另外，即使构件没有发生断裂，但作为搭扣连接锁紧装置的球芯上罩壳搭扣护圈由于距离扣合点远，锁紧效果差，不能完全可靠地限制球芯安装底板的搭扣滑向右侧的间隙，使得搭扣组意外脱开，也会导致上述故障现象。其次，球芯安装底板和搭扣本身刚度不够、结构配合间隙过大等因素也会导致球芯安装搭扣组意外脱开。因此，造成快球摄像机球芯安装搭扣意外脱开的因素很多。
 

　　根据上述搭扣连接缺陷，改进设计一种新的快球球芯快速装拆式搭扣结构，具体结构见图4-1所示，松开搭扣装拆设备时结构见图4-2所示。新的快球球芯快速装拆式搭扣主要结构改动包括：
 

　　去除了原来的球芯上罩壳搭扣护圈和球芯搭扣装饰板；

　　设计增加由金属制造，包含了扣子容纳孔的搭扣挡板；

　　球芯搭扣设计为浮动形式，既可以转动实现球芯方便的拆装，又可左右浮动，向右侧紧贴，并加大搭扣扣子的宽度。

　　新的搭扣挡板装置向左侧弯进，填除了原来搭扣与装饰板之间的间隙，同时，球芯的搭扣始终向右侧贴紧。受两边挤压制约，球芯搭扣的扣子能平整可靠全部插进球芯安装底板的搭扣孔中，不会发生球芯安装底板的搭扣滑向右侧间隙搭扣组意外脱开的问题。而且，加大了的球芯搭扣扣子的宽度，扣子一直伸进至搭扣挡板容纳孔，保证搭扣两个扣合面完全正面接触扣合。工作时，作用力相互同轴，垂直于扣合面，不会意外撞开搭扣。这样，新的搭扣挡板和浮动形式球芯搭扣实际构成了可靠的锁紧保险装置，即使在振动冲击的环境下，快球摄像机搭扣组也不会意外脱开失效，从而，彻底消除快球摄像机的缺陷隐患。

　　如实际使用环境的振动冲击很大，必要时，也可再使用保险螺钉将快球摄像机球芯直接固定在机壳上。同时，球芯内部结构也应满足防振要求。

　　对于要在振动环境使用的快球云台监控摄像机，也可考虑加装机械式减振、隔振装置，可全面有效保护设备。摄像机配置内置的机械减振、隔振装置，特别对改善图像抖动，将比软件形式防抖效果更好。

　　现有快球摄像机球芯与机壳的连接大都采用快速装拆式搭扣结构，由于摄像机一般都安装在不振动的建筑物、固定架上，球芯脱落的故障较少发生，但个别产品还是有这样的隐患。因此，需要改进结构设计，严格控制材料和生产工艺。对于仿制产品，应全面掌握产品的结构原理，并考虑到我们材料性能和生产工艺的差距，设计时应予以修正改善。同时对快球产品进行必要的振动疲劳测试和冲击测试的质量检验，及时发现缺陷隐患。快球安装、维修时必须安装安全吊索，防止发生意外。

　【作者单位：公安部第三研究所】
 

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