施曉蓉

(湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101)

參 考 文 獻

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基于ALGOR的三維有限元兩段式手柄的設計

施曉蓉

(湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101)

為解決智能斷路器一體式儲能機構手柄開始時轉動角度小、手柄旋轉壓縮彈簧的扭矩小、儲能操作者手部產(chǎn)生痛覺的問題，設計了一種兩段式手柄.采用三維有限元法對手柄抓握部位進行仿真分析，直觀地反映手柄的結構強度.結果表明，兩段式手柄具有結構簡單，安全可靠的優(yōu)點.

手柄；斷路器；兩段式設計；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構, 以預儲能的方式推動斷路器快速合閘.在調試和運行過程中無法電動儲能時，需要進行手動儲能.本文針對原有一體式手柄存在的儲能剛開始時手柄轉動角度小、旋轉壓縮彈簧扭矩較小的問題，設計了一種新型兩段式手柄.從結構、工藝、裝配、公差配合等方面進行設計說明，并利用人體工學對手柄尾部進行結構改進，改善了手柄操作者的手感.

作者對手柄結構強度進行有限元分析，并對不同結構手柄的施加力進行受力對比測試，驗證兩段式手柄的可行性及優(yōu)越性.

1 手柄結構設計

1.1 手柄結構及工作原理

兩段式儲能手柄結構如圖1、圖2所示，包括旋轉盤、把手、復位拉簧等.旋轉盤上有旋轉銷安裝孔，旋轉盤和把手通過旋轉銷連接，把手能夠以旋轉銷為旋轉軸繞旋轉盤旋轉，旋轉的角度為0°～30°.在旋轉盤外圓周壁上開有槽孔，槽孔在厚度方向為盲孔.復位拉簧置于把手下端，側壁槽孔對應位置開有安裝固定槽.旋轉盤外圓周壁槽孔底部開有通孔，通孔用來固定拉簧銷.復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把手上開有通孔，通孔上固定把手拉簧銷.儲能操作開始時，把手向下壓動以克服復位拉簧的彈性變形，它相對于旋轉銷和旋轉盤轉動了一個角度，達到平衡.把手外端相對于旋轉盤中心外移，操作力臂加長，達到了省力和改善手感的效果.儲能操作完成后，把手力撤銷，復位拉簧促使把手復位.

圖1 兩段式手柄分解圖

(1-旋轉盤 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)

旋轉盤和把手通過旋轉銷連接.手柄工作時，旋轉盤以把手繞旋轉銷為軸心旋轉一個角度，達到平衡后，把手與水平面之間的角度變小，增加了旋轉力臂的長度.在壓縮彈簧儲能所用的力矩不變時，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.整個儲能過程受力均勻，勞動強度減輕.

圖2 兩段式手柄裝配圖

1.2 面向制造的設計

考慮產(chǎn)品功能、可靠性和外觀等，設計時遵循簡化、統(tǒng)一、協(xié)調、優(yōu)化、系列化、通用化的原則進行面向制造(Design for Manufacturing，簡稱DMA)的設計.

1.2.1 注塑工藝的設計

把手和旋轉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熱處理.設計不當將引起注塑不良，比如：加強筋過厚、布局不均，導致翹曲變形、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，嚴格把控注塑工序并對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計,如圖3、圖4所示.本手柄在設計時所有壁厚、加強筋布局保持均勻，增強制品的強度和剛性，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力不均而使制品歪扭變形.手柄的材料選用有嚴格要求，通過對不同材料的性能對比，本設計采用PA系列聚酰胺塑料.

注塑聚酰胺塑料時，要求如下：①成型時有結晶產(chǎn)生，成型收縮較大，應嚴格控制模溫；②熱穩(wěn)定性較差，熱降解傾向嚴重，應避免溫度過高或在高溫下長時間停留；③吸水率較大，加工前必須干燥(100～120 ℃)：成型后，制品需進行調濕處理(在水、熔化石蠟、礦物油或聚乙二醇中進行，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)生內應力，應進行退火處理(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 電鍍層的設計

標準規(guī)定，ACB產(chǎn)品必須通過鹽霧試驗等嚴酷環(huán)境的試驗，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，能起到電化學防護的作用.在一般大氣和工業(yè)大氣條件下具有較高的防護性能，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能力.鋅鍍層的工作溫度不應超過250 ℃，否則引起鋅脆，在低于-70 ℃或高于70 ℃的水中，鋅鍍層防護性能明顯降低；鋅鍍層在承受彎曲、延展和擰合時，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，“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)進行電鍍時，必須按GB/T 9799-Fe/Zn6 c2C相關加工和檢測要求處理.

1.3 面向裝配的設計

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、裝配質量高、裝配不良率低和裝配成本低，采用面向裝配的設計(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，一個大而且穩(wěn)定的零件充當產(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，基座零件能夠對后續(xù)的零件定位和導向.按此裝配方式優(yōu)化設計后的手柄如圖5所示.

圖5 金字塔式裝配

裝配人員在裝配過程中，先固定旋轉盤，把掣子套入軸銷，同時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.這樣的設計可確保裝配工序簡單，裝配效率高、質量高.

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計，可使零件準確地裝配.設計時需要對定位特征相關的尺寸公差進行嚴格管控，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 為輔助工具或設備提供裝配空間

由于把手柄裝配到機構的軸上時扭簧是被旋轉盤遮蓋的，這就需要在扭簧的端部處設計一個缺口，尖嘴鉗能夠通過缺口夾住扭簧的頭部，使其卡在機構板的軸銷槽內保持受力狀態(tài).如圖7所示的設計使裝配簡化，提高裝配效率.

圖7 旋轉盤內部的缺口

1.3.4 裝配中的人機工程學

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，設計時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.此設計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、公差標注及公差分析

使用SolidWorks三維畫圖軟件對手柄進行優(yōu)化設計，優(yōu)化后的手柄為最簡化的結構，由旋轉盤、把手、板、掣子和彈簧等零部件組成.各零件由3D視圖轉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)

尺寸鏈長度原始計算如圖10所示.

圖10 原始設計

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)化設計計算如圖11所示.

圖 11 優(yōu)化設計

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)品裝配關系中的關鍵尺寸，通過減少關鍵尺寸的尺寸鏈數(shù)量等優(yōu)化設計，滿足產(chǎn)品設計的外觀、功能、質量和可靠性等要求.

2 手柄結構強度有限元分析

手柄在進行靜力分析時，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)絡模型

在手柄的裝配體導入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產(chǎn)生干擾，只需保留旋轉盤和把手.由于設計時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，設置施加力的大小為240 N；選擇PA66塑料；對旋轉盤的中心孔的內表面進行全約束；旋轉盤與把手的接口表面進行表面接觸約束.

圖13 位移分析結果

從位移分析圖13結果中發(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.從應力分析結果(如圖14和圖15所示)可以看出最大應力為328.4 N/mm2.PA66塑料的彈性模量為150 GPa，泊松比為0.33，屈服強度為50 N/mm2，沒有達到材料的屈服點.綜上可知，可以采用PA66塑料制作手柄外殼.

圖14 應力分析結果 圖15手柄上最大應力的位置

3 施加力測試

3.1 改進前后的儲能對比測試

兩種結構的手柄在實際儲能過程(轉動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，兩段式結構的手柄實際省力約9.3%～18.6%.

表1 兩種結構的手柄施力數(shù)據(jù)對比

由實際測試和操作對比圖16可知，兩段式手柄在儲能操作時手感明顯較好，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，一體式手柄端部距離其旋轉中心108 mm；兩段式手柄端部距離其旋轉中心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，旋轉角度為20°，在儲能開始時手柄端部正抵手心，手心處所受的極限壓強大，且其邊緣都為直壁面設計，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，旋轉角度增大到40°.

(3)一體式手柄儲能時有效抓握面積約為0.0006378 m2, 經(jīng)計算儲能開始時手掌所承受最大壓強為：P1=245÷0.0006378 (N/m2)≈0.384 MPa；兩段式手柄儲能時有效抓握面積約為0.0012355 m2,經(jīng)計算儲能開始時手所承受的最大壓強為：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)是利用實際儲能測試得到.兩段式結構手柄的測試數(shù)據(jù)分析結論如下：

(1)兩段式的手柄儲能開始時，其端部相對于旋轉中心的力臂加長，比較省力.

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

4 結束語

這種儲能手柄采用兩段式結構，手柄在使用過程中只需使鎖扣來回擺動即可實現(xiàn)鎖定狀態(tài)和解鎖狀態(tài)的轉換，不僅使用起來非常方便，而且還增加了操作的舒適度.該鎖定及解鎖機構具有結構簡單，安全性、可靠性高的優(yōu)點.

參 考 文 獻

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

[2] 李培根.機械基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

[3] 劉鴻文.材料力學[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].機械設計與制造工程,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.

TM561

B

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