一種F型扳手的創(chuàng)新設計及應用性評價

王春林 王春雨

摘要：F型扳手是閥門啟閉的常用工具之一，在操作過程中，存在操作不連續(xù)、手部動作程序多等問題，影響操作安全和工作效率.本文運用創(chuàng)新設計方法對F型扳手提出了改進方案，提高該工具的操作性，減少操作流程，具有較好的使用價值.

關鍵詞：F型扳手;創(chuàng)新設計;應用性評價

中圖分類號：TH122;TU69? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0087-05

1 設計背景

電力生產(chǎn)的運行、調整等工作過程中，經(jīng)常用到F型扳手操作.傳統(tǒng)的F型扳手為由一根縱向主桿體及固定連接于主桿體上部的兩根橫向的扳頭桿體構成的“F”形結構件，主桿體的下部設置有手柄.使用時，手握手柄，將扳頭插入手動閥門的手輪內，推動手柄實現(xiàn)開關閥門.然而，作業(yè)人員操作傳統(tǒng)F型扳手開關閥門的過程中，需要不斷變換角度推動手柄，在推動一段距離后，還需要松開手，變換握持手柄的方向，再次握緊手柄繼續(xù)操作，整個操作過程較為不便，作業(yè)效率較低，松手變換握持手柄方向的間歇手柄有時會掉落，帶來安全隱患.同時在閥門全開全關位置，由于操作手柄較長、操作力矩較大如果操作不當，容易損壞閥門密封件.

由于F型扳手的應用廣泛，使用頻率高，提高F型扳手的使用效率、降低安全隱患對生產(chǎn)實際工作具有重大意義[1].

2 設計思路

2.1 基本設計過程

按照創(chuàng)新設計的過程進行總體的技術方案改造設計[2]：從既有的F型扳手的結構特征進行總結，根據(jù)現(xiàn)場使用人員的動作過程分解，分析出技術動作的基本特征和總體過程，再把影響工作的動作過程進行總結，提出可行的工具改造方案或操作過程優(yōu)化方案[3]，選定方案后，進行方案目標解決的分析和使用感受的主觀評價，最后得出該設計的綜合評價和設計結論[4].如圖1所示.

3 F型扳手的設計方案及技術說明

3.1 根據(jù)F型扳手的動作過程分析，形成工具使用效率的問題有：

①動作連續(xù)性不高，一次發(fā)力動作以后，需要重新調整，可能還需要換手，存在工具跌落的隱患;

②使用及發(fā)力動作空間受限制，某些位置操作困難，如圖2.

③閥門和扳手配合不便，加上閥門的操作力矩較大，閥門開關行程較長，造成閥門開關時間長;

④某些管道溫度較高，操作時間與操作人員的體力呈反比，對大尺寸的閥門操作影響更多.

3.2 F-C扳手結構

為了克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種操作更加方便、作業(yè)效率較高、安全性更高的F-C型扳手.通過以下技術措施進行工具改造：

F-C型扳手，沿用了傳統(tǒng)F型扳手的主體結構，設計上在傳統(tǒng)F扳手的把手處加以改良：將傳統(tǒng)把手設置成為可變換操作型多用途把手并在把手尾部設置掛環(huán)，為防止操作中扳手滑落，扳手手柄處設計了防滑花紋[5].

在工器具的日常存放、以及常用較短行程操作中可變換操作手柄與原扳手手柄成一條直線，且通過螺紋連接、銷釘固定，使其隱藏在傳統(tǒng)手柄中.此時可以進行簡單、短行程的閥門操作.

當操作閥門行程較長時，操作人員將可變操作手柄旋出并通過銷釘固定使把手呈“C”字型.傳統(tǒng)把手變?yōu)椤皳u把”方便操作人員進行長行程閥門操作.同時由于把手主體方向上長度可變，方便了狹小空間的閥門操作.

該形式扳手與傳統(tǒng)扳手操作注意事項相同，注意以下幾點：

①首先應該與門輪卡牢，防止脫開.

②操作人應兩腳分開且腳底站穩(wěn)，兩腿合理支撐，防止摔倒.

③操作人應兩手握緊手柄，并且合理、均勻用力，防止用猛力或暴力.

④閥門扳手的手柄應與門輪在同一水平面，使得閥門扳手的力合理的用在門輪上，防止用力過大而損壞門輪.

3.3 技術特征及操作使用特點

F扳手和C-F扳手的操作位置如圖6所示.F扳手的1次動作位置由A起始，至B結束，閥門轉一周大約需要5～6次操作，每次操作包含卡盤→發(fā)力→提扳手→回到A位置（可能需要調整位置），發(fā)力方式以豎直向下的分量為主，在發(fā)力過程中對閥門轉動有一部分是不沿垂直力臂的方向，可能存在發(fā)力損失，而非閥門轉動做功的力對閥門的使用安全可能會產(chǎn)生影響，且包含由B→A的空回行程;CF扳手的操作動作，是由A→A的圓周運動，發(fā)力主要分量是以閥門的切線方向為主，是最有效的力矩發(fā)力方式，且發(fā)力行程為圓周，保持了發(fā)力的連續(xù)性，無多余動作[6].

3.3.1 保障安全.

在操作人員使用F型扳手進行閥門開關操作中，由于閥門行程較長轉動扳手一圈并不能完成操作.此時需要不斷變換F型扳手的方向，有時需要換手等操作，在操作過程中扳手掉落容易造成損壞設備、砸傷工作人員等問題.

而CF扳手的可變把手的設計就避免了該問題的產(chǎn)生，操作人員可以將把手變化成C型之后利用杠桿原理快速安全的進行操作.

3.3.2 操作效率較高

在操作過程中，換手、不斷變換方向等操作影響了操作的效率，在使用C-F型扳手后，可以將效率提升30%以上，極大程度的降低了操作人員的操作時間，有效提升了生產(chǎn)工藝流程的相關環(huán)節(jié)操作效率[7].

同時，把手設計為中空結構，有效降低了F扳手的重量，使操作人員攜帶更方便，操作省力.受力分析如下：

按照力矩的關系，建立平衡方程，要達到轉動閥門的目的，作用在扳手上的力矩M的值應該是相等的，即對于F扳手和C-F扳手：存在MF=MC-F.對與F扳手，發(fā)力的方向以垂直向下的方向為主要作用力方向，則存在垂直扳手方向上的力的分量F轉，以此來轉動閥門;在沿扳手桿件方向的分量F轉，轉化為與閥門轉動軸的摩擦力，阻礙閥門啟閉動作.扳手抬起角度為？琢，扳手長度為L.當閥門轉動軸的摩擦系數(shù)取為？滋時，假定C-F扳手的發(fā)力方向是沿閥門的切線方向，建立F扳手和C-F扳手在矩相等條件下的方程：

由公式1化簡，可得省力多少的數(shù)學模型，如公式2：

？滋的值根據(jù)鑄鐵—鋼的條件下進行取值，當？琢取30°時，分別考慮是否存在潤滑的條件下，得到如下計算結果：

由此可量化分析出，僅在閥門轉動過程中，至少能省力27%.而且，手把的設計也能更好的調節(jié)過程中的轉動速度和發(fā)力方向，有利于節(jié)省操作人員的體力.此外，原F型扳手還需要裝拆操作，每轉一圈，還需提升做功的量約為：

3.3.3 使用靈活

在操作人員操作過程中，以往的F型扳手把長度相對固定，而操作人員為了省力，通常都采取相對較長把手的F扳手.但是由于閥門安裝位置有所不同，固定長度把手的F扳手并不能完全適應安裝位置多變的操作環(huán)境，有時操作人愿意把操作要攜帶多種型號尺寸的扳手.而CF型扳手的出現(xiàn)解決了這一問題，可變的把手讓操作把手的長度靈活多變，適應多種操作環(huán)境[8].

3.3.4 存放方便

CF扳手設計掛環(huán)一個，Cf扳手既可以掛在工具架上又可以平放于工具箱中，便于文明生產(chǎn).

4 使用效果分析

4.1 時間成本分析

為驗證對比F-C扳手與傳統(tǒng)扳手對操作人員的影響，筆者選取一線員工5人，進行不同閥門開關時間的統(tǒng)計分析，每種閥門記取10次開關操作時間的平均值，分別統(tǒng)計了個人平均節(jié)約時間的比例、5人平均的時間節(jié)約比例，結果如表2.

從表中可以看出，個人平均的操作時間節(jié)約40～47%，尤其對年紀較高的工人，操作時間節(jié)約效果更好.對不同閥門類型的時間節(jié)約程度來看，閥門越大，節(jié)約時間越多，最高的閥門節(jié)約時間可達45%.筆者分析，這是由于本設計節(jié)省了換手的時間、減少了靜摩擦產(chǎn)生的力矩，工作效率得到極大提升.

4.2 加權計分法的實用性評價

為進一步分析評價改進后的F扳手設計，本文選用價值體系評價方法中的加權評分體系對方案進行了實用性評價.評價指標中，評價自身特點選取功能目標、設計復雜程度、可操作性、可靠性、新穎性等5個指標;評價先進性選取便攜性、安全性、經(jīng)濟性、工作效率等4個指標;定性描述分值為0～5分;由企業(yè)QC小組綜合擬定權重;選取企業(yè)一線員工進行打分.發(fā)放調查問卷50份，全部收回后，取每項打分的平均值作為綜合得分.再根據(jù)權重進行加權平均計算，得出總評價分5分以內的量化指標來對方案進行總體評價[9].統(tǒng)計分析結果如下表：

評價分值滿分5分，本設計方案的得分為4.57分，運用價值體系的評價標準論證了方案的合理性.

5 小結

該方案的應用效果檢驗十分明顯，以火力發(fā)電機組的啟停操作為例，縮短操作時間不低于40%，同時減輕了操作人員的體力不低于27%，加快了工作效率，減少閥門開關動作引起的管內流體損失，同時可減少安全隱患的發(fā)生機率.由于操作力矩的靈活變化，更便于操作，更有利于閥門設備的保護.本設計具有結構合理、操作方便、作業(yè)效率高、安全性高的優(yōu)點，具有較好的實用價值.

本文設計已獲得國家實用新型專利，專利號為：ZL201621154236.1.該創(chuàng)新成果被評選為中國能源化工地質工會全國委員會2017年創(chuàng)新成果一等獎.

參考文獻：

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〔9〕王春林，王春雨.青山水庫大壩地基地震液化等級判別[J].赤峰學院學報（自然科學版），2013（06）：62-64.