基于ALGOR的三維有限元兩段式手柄的設(shè)計(jì)

施曉蓉

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

參 考 文 獻(xiàn)

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基于ALGOR的三維有限元兩段式手柄的設(shè)計(jì)

施曉蓉

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

為解決智能斷路器一體式儲能機(jī)構(gòu)手柄開始時(shí)轉(zhuǎn)動角度小、手柄旋轉(zhuǎn)壓縮彈簧的扭矩小、儲能操作者手部產(chǎn)生痛覺的問題，設(shè)計(jì)了一種兩段式手柄.采用三維有限元法對手柄抓握部位進(jìn)行仿真分析，直觀地反映手柄的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.結(jié)果表明，兩段式手柄具有結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠的優(yōu)點(diǎn).

手柄；斷路器；兩段式設(shè)計(jì)；有限元；施力測試

0 引 言

目前的智能斷路器普遍采用儲能式電動操作機(jī)構(gòu), 以預(yù)儲能的方式推動斷路器快速合閘.在調(diào)試和運(yùn)行過程中無法電動儲能時(shí)，需要進(jìn)行手動儲能.本文針對原有一體式手柄存在的儲能剛開始時(shí)手柄轉(zhuǎn)動角度小、旋轉(zhuǎn)壓縮彈簧扭矩較小的問題，設(shè)計(jì)了一種新型兩段式手柄.從結(jié)構(gòu)、工藝、裝配、公差配合等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)說明，并利用人體工學(xué)對手柄尾部進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改善了手柄操作者的手感.

作者對手柄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，并對不同結(jié)構(gòu)手柄的施加力進(jìn)行受力對比測試，驗(yàn)證兩段式手柄的可行性及優(yōu)越性.

1 手柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 手柄結(jié)構(gòu)及工作原理

兩段式儲能手柄結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，包括旋轉(zhuǎn)盤、把手、復(fù)位拉簧等.旋轉(zhuǎn)盤上有旋轉(zhuǎn)銷安裝孔，旋轉(zhuǎn)盤和把手通過旋轉(zhuǎn)銷連接，把手能夠以旋轉(zhuǎn)銷為旋轉(zhuǎn)軸繞旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為0°～30°.在旋轉(zhuǎn)盤外圓周壁上開有槽孔，槽孔在厚度方向?yàn)槊た?復(fù)位拉簧置于把手下端，側(cè)壁槽孔對應(yīng)位置開有安裝固定槽.旋轉(zhuǎn)盤外圓周壁槽孔底部開有通孔，通孔用來固定拉簧銷.復(fù)位拉簧的一端固定在拉簧銷上，另一端固定在把手拉簧銷上，安裝固定槽底部對應(yīng)把手上開有通孔，通孔上固定把手拉簧銷.儲能操作開始時(shí)，把手向下壓動以克服復(fù)位拉簧的彈性變形，它相對于旋轉(zhuǎn)銷和旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動了一個(gè)角度，達(dá)到平衡.把手外端相對于旋轉(zhuǎn)盤中心外移，操作力臂加長，達(dá)到了省力和改善手感的效果.儲能操作完成后，把手力撤銷，復(fù)位拉簧促使把手復(fù)位.

圖1 兩段式手柄分解圖

(1-旋轉(zhuǎn)盤 2、4 -軸 3、9-拉簧 5-把手 6-擋圈 7-掣子8、15-螺釘 10-板 11-扭簧 12、13-軸銷 14-套)

旋轉(zhuǎn)盤和把手通過旋轉(zhuǎn)銷連接.手柄工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤以把手繞旋轉(zhuǎn)銷為軸心旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，達(dá)到平衡后，把手與水平面之間的角度變小，增加了旋轉(zhuǎn)力臂的長度.在壓縮彈簧儲能所用的力矩不變時(shí)，人手施加給把手的力就會大大減小，減小幅度在一半以上，改善了操作者的手感.整個(gè)儲能過程受力均勻，勞動強(qiáng)度減輕.

圖2 兩段式手柄裝配圖

1.2 面向制造的設(shè)計(jì)

考慮產(chǎn)品功能、可靠性和外觀等，設(shè)計(jì)時(shí)遵循簡化、統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、優(yōu)化、系列化、通用化的原則進(jìn)行面向制造(Design for Manufacturing，簡稱DMA)的設(shè)計(jì).

1.2.1 注塑工藝的設(shè)計(jì)

把手和旋轉(zhuǎn)盤的制造工藝都采用注塑成型.對于金屬嵌件，在冬季一般都需要預(yù)熱處理.設(shè)計(jì)不當(dāng)將引起注塑不良，比如：加強(qiáng)筋過厚、布局不均，導(dǎo)致翹曲變形、彎曲、凹陷等；制定壁厚過渡不均勻，會產(chǎn)生銀紋、氣泡、針孔.為了避免樣品制造中出現(xiàn)手柄折斷現(xiàn)象，嚴(yán)格把控注塑工序并對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖3、圖4所示.本手柄在設(shè)計(jì)時(shí)所有壁厚、加強(qiáng)筋布局保持均勻，增強(qiáng)制品的強(qiáng)度和剛性，節(jié)約材料用量，減輕重量，降低成本，也能克服制品因壁厚不一造成應(yīng)力不均而使制品歪扭變形.手柄的材料選用有嚴(yán)格要求，通過對不同材料的性能對比，本設(shè)計(jì)采用PA系列聚酰胺塑料.

注塑聚酰胺塑料時(shí)，要求如下：①成型時(shí)有結(jié)晶產(chǎn)生，成型收縮較大，應(yīng)嚴(yán)格控制模溫；②熱穩(wěn)定性較差，熱降解傾向嚴(yán)重，應(yīng)避免溫度過高或在高溫下長時(shí)間停留；③吸水率較大，加工前必須干燥(100～120 ℃)：成型后，制品需進(jìn)行調(diào)濕處理(在水、熔化石蠟、礦物油或聚乙二醇中進(jìn)行，溫度高于使用溫度10～20 ℃，如PA11——120～140 ℃、30～60 min)；④加工過程中易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行退火處理(緩慢升溫到規(guī)定溫度如160～190 ℃，停15 min左右后緩慢冷卻即可).

1.2.2 電鍍層的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ACB產(chǎn)品必須通過鹽霧試驗(yàn)等嚴(yán)酷環(huán)境的試驗(yàn)，手柄上的金屬零件以鐵為基體就必須耐受鹽霧的腐蝕[4].鋅鍍層對于鋼(或銅)為陽極性鍍層，能起到電化學(xué)防護(hù)的作用.在一般大氣和工業(yè)大氣條件下具有較高的防護(hù)性能，在礦物油中，能可靠地防止零件腐蝕；鋅鍍層鉻酸鹽處理后能夠提高鍍覆層的防護(hù)能力.鋅鍍層的工作溫度不應(yīng)超過250 ℃，否則引起鋅脆，在低于-70 ℃或高于70 ℃的水中，鋅鍍層防護(hù)性能明顯降低；鋅鍍層在承受彎曲、延展和擰合時(shí)，不易脫落，但其彈性、耐壓及海洋性氣候下耐腐蝕性比鍍鎘層差；在封閉空氣不流通的條件下，非金屬材料的揮發(fā)物(如酚、醛、氨氣等)能腐蝕鋅鍍層，促使其迅速產(chǎn)生“白霜”，但相對濕度低時(shí)，“白霜”產(chǎn)生的速度較緩慢.剛鍍好的鋅鍍層可以熔焊和錫焊，鉻酸鹽處理后不易焊接.

對手柄上的掣子、板、軸、銷、彈簧(熱處理)進(jìn)行電鍍時(shí)，必須按GB/T 9799-Fe/Zn6 c2C相關(guān)加工和檢測要求處理.

1.3 面向裝配的設(shè)計(jì)

為使產(chǎn)品具有良好的可裝配性，確保裝配工序簡單、裝配效率高、裝配質(zhì)量高、裝配不良率低和裝配成本低，采用面向裝配的設(shè)計(jì)(Design for Assembly，簡稱DFA).

1.3.1 金字塔式裝配方式

最理想的裝配方式是金字塔式裝備方式，一個(gè)大而且穩(wěn)定的零件充當(dāng)產(chǎn)品基座放置于工作臺上，然后依次自下而上裝配較小的零件，最后裝配最小的零件.同時(shí)，基座零件能夠?qū)罄m(xù)的零件定位和導(dǎo)向.按此裝配方式優(yōu)化設(shè)計(jì)后的手柄如圖5所示.

圖5 金字塔式裝配

裝配人員在裝配過程中，先固定旋轉(zhuǎn)盤，把掣子套入軸銷，同時(shí)使掣子的尖嘴貼著中間的軸銷，讓開口擋圈貼著掣子，借用尖嘴鉗將其卡在軸銷的槽內(nèi).這樣的設(shè)計(jì)可確保裝配工序簡單，裝配效率高、質(zhì)量高.

1.3.2 先定位后固定

對需要通過輔助工具來固定的零件，如果能在固定之前先定位后固定且零件自動對齊到正確位置，不僅可減少了操作人員手工對齊零件的工序，而且也可方便零件的固定，大幅度提高裝配效率.如圖6所示，在零件的裝配過程中增加定位特征設(shè)計(jì)，可使零件準(zhǔn)確地裝配.設(shè)計(jì)時(shí)需要對定位特征相關(guān)的尺寸公差進(jìn)行嚴(yán)格管控，而對其它尺寸公差要求寬松一些.

圖6 先定位后固定裝配

1.3.3 為輔助工具或設(shè)備提供裝配空間

由于把手柄裝配到機(jī)構(gòu)的軸上時(shí)扭簧是被旋轉(zhuǎn)盤遮蓋的，這就需要在扭簧的端部處設(shè)計(jì)一個(gè)缺口，尖嘴鉗能夠通過缺口夾住扭簧的頭部，使其卡在機(jī)構(gòu)板的軸銷槽內(nèi)保持受力狀態(tài).如圖7所示的設(shè)計(jì)使裝配簡化，提高裝配效率.

圖7 旋轉(zhuǎn)盤內(nèi)部的缺口

1.3.4 裝配中的人機(jī)工程學(xué)

為避免在裝配過程中發(fā)生裝配人員因視線被阻擋而憑感覺確定位置的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)使拉簧的拉鉤大部分外露(見圖8)，既便于裝配人員觀察也便于將掛鉤搭在螺釘槽內(nèi).此設(shè)計(jì)可大大提高裝配效率.

圖8 拉簧拉伸前的位置狀態(tài)

1.4 尺寸、公差標(biāo)注及公差分析

使用SolidWorks三維畫圖軟件對手柄進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的手柄為最簡化的結(jié)構(gòu)，由旋轉(zhuǎn)盤、把手、板、掣子和彈簧等零部件組成.各零件由3D視圖轉(zhuǎn)化為可加工的工程圖[5][6]，如圖9所示.

圖9 掣子的工程圖(前視)

尺寸鏈長度原始計(jì)算如圖10所示.

圖10 原始設(shè)計(jì)

A=54.00±0.20，B=12.00±0.10，C=13.00±0.15，D=16.00±0.15，E=12.5±0.10

計(jì)算X的名義值：

DX=DA+DB+DC+DD=DE

=54.00-12.00-13.00-16.00-12.50

=0.50 mm

(1)

計(jì)算X的公差：

TX=TA+TB+TC+TD+TE

=0.20+0.10+0.10+0.15+0.10

=0.65 mm (極值法)

(2)

X=0.5±0.65 mm

(3)

=0.3 mm(均方根法)

(4)

X=0.5±0.3 mm

(5)

尺寸鏈長度優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算如圖11所示.

圖 11 優(yōu)化設(shè)計(jì)

A=54.00±0.20，C=25.00±0.15，D=28.50±0.15

DX=0.5 mm,TX=0.5 mm(極值法)

X=0.5±0.5 mm

DX=0.5 mm,TX=0.29 mm(均方根值)

X=0.5±0.29 mm

由上可知，在產(chǎn)品的初級階段，明確定義產(chǎn)品裝配關(guān)系中的關(guān)鍵尺寸，通過減少關(guān)鍵尺寸的尺寸鏈數(shù)量等優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的外觀、功能、質(zhì)量和可靠性等要求.

2 手柄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

手柄在進(jìn)行靜力分析時(shí)，利用ALGOR軟件有限元分析法將手柄劃分成有限單元[7].如圖12所示.

圖12 手柄的網(wǎng)絡(luò)模型

在手柄的裝配體導(dǎo)入ALGOR軟件中后，由于分析的目的是把手是否會在使用過程發(fā)生折斷，因此為避免其他零件在分析時(shí)產(chǎn)生干擾，只需保留旋轉(zhuǎn)盤和把手.由于設(shè)計(jì)時(shí)考慮到一體式手柄最大力為250 N左右，選擇施力表面為把手的曲面處，設(shè)置施加力的大小為240 N；選擇PA66塑料；對旋轉(zhuǎn)盤的中心孔的內(nèi)表面進(jìn)行全約束；旋轉(zhuǎn)盤與把手的接口表面進(jìn)行表面接觸約束.

圖13 位移分析結(jié)果

從位移分析圖13結(jié)果中發(fā)現(xiàn)手柄發(fā)生彈性變形，端部發(fā)生最大位移量為2.4 mm.從應(yīng)力分析結(jié)果(如圖14和圖15所示)可以看出最大應(yīng)力為328.4 N/mm2.PA66塑料的彈性模量為150 GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為50 N/mm2，沒有達(dá)到材料的屈服點(diǎn).綜上可知，可以采用PA66塑料制作手柄外殼.

圖14 應(yīng)力分析結(jié)果 圖15手柄上最大應(yīng)力的位置

3 施加力測試

3.1 改進(jìn)前后的儲能對比測試

兩種結(jié)構(gòu)的手柄在實(shí)際儲能過程(轉(zhuǎn)動6次手柄)中的施力數(shù)據(jù)對比如表1所示.由施力差可知，兩段式結(jié)構(gòu)的手柄實(shí)際省力約9.3%～18.6%.

表1 兩種結(jié)構(gòu)的手柄施力數(shù)據(jù)對比

由實(shí)際測試和操作對比圖16可知，兩段式手柄在儲能操作時(shí)手感明顯較好，具體數(shù)據(jù)如下：

圖16 一體式手柄(左)和兩段式手柄(右)

(1)在儲能開始時(shí)，一體式手柄端部距離其旋轉(zhuǎn)中心108 mm；兩段式手柄端部距離其旋轉(zhuǎn)中心145 mm.由于儲能彈簧的壓縮形變量(儲能手柄扭矩)一定，由扭矩=力×力臂可知：后者力臂較長，儲能時(shí)省力.

(2)一體式的手柄由于其與面罩之間的間距較小約29 mm，旋轉(zhuǎn)角度為20°，在儲能開始時(shí)手柄端部正抵手心，手心處所受的極限壓強(qiáng)大，且其邊緣都為直壁面設(shè)計(jì)，手心處的手感不好；兩段式手柄修正后，手柄與面罩間距增大到65.5 mm，旋轉(zhuǎn)角度增大到40°.

(3)一體式手柄儲能時(shí)有效抓握面積約為0.0006378 m2, 經(jīng)計(jì)算儲能開始時(shí)手掌所承受最大壓強(qiáng)為：P1=245÷0.0006378 (N/m2)≈0.384 MPa；兩段式手柄儲能時(shí)有效抓握面積約為0.0012355 m2,經(jīng)計(jì)算儲能開始時(shí)手所承受的最大壓強(qiáng)為：P2=217÷0.0012355(N/m2)≈0.176 MPa.

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

測試數(shù)據(jù)是利用實(shí)際儲能測試得到.兩段式結(jié)構(gòu)手柄的測試數(shù)據(jù)分析結(jié)論如下：

(1)兩段式的手柄儲能開始時(shí)，其端部相對于旋轉(zhuǎn)中心的力臂加長，比較省力.

(2)兩段式的手柄儲能時(shí)手掌所受的壓強(qiáng)較小，且邊緣過渡為圓弧面設(shè)計(jì)，手感較好.

4 結(jié)束語

這種儲能手柄采用兩段式結(jié)構(gòu)，手柄在使用過程中只需使鎖扣來回?cái)[動即可實(shí)現(xiàn)鎖定狀態(tài)和解鎖狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，不僅使用起來非常方便，而且還增加了操作的舒適度.該鎖定及解鎖機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，安全性、可靠性高的優(yōu)點(diǎn).

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉來英.注塑成型工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 李培根.機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2011.

[4] GB/T 9799—1997.金屬覆蓋層鋼鐵上的鋅電鍍層[S].1997.

[5] GB 1800-1804—79.一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差[S].GB18000～1804-79.

[6] GB/T 1184-1996.形狀和位置公差 未標(biāo)注公差值[S].

[7] 楊德偉,李俊源,等.基于ABAQUS的三維有限元抓握手模型的建立與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2013(1):18-21.

The Design of Two-stage Handle Based on Finite Element in ALGOR

SHI Xiao-rong

(College of Elect. and Information, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

The integrated handle of the intelligent breaker has a small rotation angle at the beginning of storage and the torque of this rotary compression spring is relatively small. All of these make the stored energy operator's hand aching. In order to solve the above problems, this paper designs a kind of two-stage handle. A simulation about the handle grip is based on three-dimensional finite element method. The results show the structural strength of the handle. The two-stage handle has the advantage of simple structure and reliable operation.

handle; breaker; two-stage design; finite element; force test

2015-04-26

施曉蓉(1972-), 女，副教授，研究方向：智能電器及電氣測控技術(shù).

TM561

B

1671-119X(2015)03-0018-05