王昕燁，陸 娟，方 云，朱勇杰，韓天龍，李澤延

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍 江哈爾濱 150040）

套筒扳手由于套在各類扳手之上的扳手頭形如筒狀，故被大家俗稱為套筒，在日常生活中常用于生產(chǎn)維修。套筒扳手往往有多個(gè)帶六角孔或十二角孔的套筒，并配有手柄、接桿等多種附件，一般使用在螺母端或螺栓端完全低于被連接面，且由于外表低凹導(dǎo)致開(kāi)口扳手或活動(dòng)扳手不能作業(yè)的地方，特別適用于擰轉(zhuǎn)十分狹小或凹陷深處的螺栓或螺母，被廣泛應(yīng)用于船舶、航空和汽車等領(lǐng)域。

如今市面上出現(xiàn)了許多新型的套筒扳手。但這些新形扳手的操作往往復(fù)雜且不穩(wěn)定，如多功能套筒扳手[1]，因?yàn)樾螤钇婀植灰状娣盼幢唤邮?。?dǎo)致工人在工廠里攜帶的依舊是老式的整箱套筒工具。而工人采用老式的套筒扳手，是看重原始工具的簡(jiǎn)單方便，上手快。這些傳統(tǒng)扳手也存在一些明顯缺點(diǎn)，手柄不能折疊，占用面積大，十分不方便攜帶?，F(xiàn)有的套筒扳手的套筒大多為固定安裝，無(wú)法更換，當(dāng)需要使用其他型號(hào)的套筒時(shí)需要更換整個(gè)套筒扳手，工人攜帶壓力大，且會(huì)產(chǎn)生巨大的作業(yè)疲勞。

1 多頭一體式套筒扳手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多頭一體式套筒扳手是針對(duì)工人作業(yè)時(shí)攜帶工具多，負(fù)擔(dān)重的問(wèn)題所設(shè)計(jì)的?？梢詫?shí)現(xiàn)一把扳手同時(shí)攜帶多個(gè)套筒頭，簡(jiǎn)單更換，輕松作業(yè)。同時(shí)，一把扳手可以變?yōu)槎喾N柄體形狀，可形成T 形扳手和L 形扳手2 種效果。

套筒扳手總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，此扳手主要依靠可折疊桿以及旋轉(zhuǎn)卡槽實(shí)現(xiàn)多套筒多形制套筒扳手的更換。它主要由可折疊手桿1，套筒扳手容器2，柄體3，套筒4 以及磁鐵組成。其中套筒扳手容器為直徑80 mm的圓柱體，在中下部位有一條高度為16 mm 的滑道5，保證套筒在滑道內(nèi)順利滑動(dòng)。圓柱體側(cè)面有一條豎槽，上安置一個(gè)旋鈕6，保證套筒不會(huì)滑落[2]。

圖1 多頭一體式套筒扳手整體結(jié)構(gòu)圖

基于油嘴套筒扳手[3]以及吸鐵套筒扳手[4]的研究設(shè)計(jì)，考慮在套筒與柄體之間用磁鐵加固。套筒4 底部為矩形凹槽，如圖2 所示，用于安置磁鐵。而柄體3 的頂部同樣為等大的矩形凹槽，安置同樣的鐵磁體物質(zhì)，保證套筒能夠吸在柄體3 上。

圖2 套筒結(jié)構(gòu)圖示意圖

當(dāng)使用套筒時(shí)，旋開(kāi)旋鈕6，將所使用的套筒4 旋轉(zhuǎn)至豎槽處，并劃出，放在柄體3 上部，通過(guò)磁鐵與鐵素體之間的吸引力將套筒吸附在柄體3 上。使用完畢后拔出套筒4 重新放回豎槽內(nèi)，旋緊旋鈕防止其他套筒滑出。

可折疊桿如圖3 所示，由連接體2，折疊桿3 通過(guò)鉸接頭1 鉸接連接而成。在擰常規(guī)螺母時(shí)，往往采用普通直形扳手或L 型扳手即可完成工作，在針對(duì)機(jī)床等較牢固的螺母時(shí)，常用T 形扳手，通過(guò)改變臂長(zhǎng)起到省力的效果[5]。

圖3 折疊桿細(xì)節(jié)放大圖

該多頭一體式套筒扳手總長(zhǎng)350 mm，寬27.5 mm，手柄握處符合手握舒適度，直角能增大工人手部摩擦，防止因?yàn)槌龊苟斐刹粱?/p>

該套筒扳手設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉，占用面積小，可根據(jù)不同的螺母要求選擇不同型號(hào)的套筒自由組合，便于模塊化批量生產(chǎn)。

2 扳手靜力學(xué)建模分析

2.1 有限元模型的建立

有限元分析是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。利用相互作用單元，通過(guò)有限的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

該產(chǎn)品的主要受力點(diǎn)在于折疊桿和套筒連接處，對(duì)折疊桿進(jìn)行有限元分析，用來(lái)校核可折疊桿連接處的變形問(wèn)題以及應(yīng)力大小。

2.1.1 前塊處理部分

（1）實(shí)體建模階段

在進(jìn)行模擬仿真時(shí)，需要得到該實(shí)物的具體數(shù)據(jù)。首先用Unigraphics NX 對(duì)套筒扳手進(jìn)行三維建模，將已繪制的CAD 套筒扳手二維平面圖，導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX 軟件進(jìn)行輪廓繪制，創(chuàng)建點(diǎn)線面關(guān)系圖。而后對(duì)已有的尺寸進(jìn)行尺寸約束，調(diào)整輪廓大小。由于該套筒扳手主要由回轉(zhuǎn)體組成，通過(guò)回轉(zhuǎn)拉伸調(diào)整曲線等一系列操作得到三維模型，并以代碼的形式導(dǎo)出。

（2）網(wǎng)格分割階段

在不發(fā)生形變的前提下對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小單元的分割。套筒扳手主要由回轉(zhuǎn)體以及六面體結(jié)構(gòu)組成，細(xì)節(jié)部分形狀較復(fù)雜。通過(guò)ANSYS 程序的自由網(wǎng)格劃分器，可對(duì)復(fù)雜模型直接分割網(wǎng)格，避免了人為組裝時(shí)各部分網(wǎng)格分割不匹配帶來(lái)的麻煩[6]。將分割后的模型轉(zhuǎn)化為step格式后導(dǎo)入ANSYS 有限元分析軟件。

2.1.2 后塊處理部分

（1）材料數(shù)據(jù)代入

該扳手采用常用的鉻釩鋼材料（CR-V），在鋼的基礎(chǔ)上添加鉻、釩等合金元素，鉻釩均能增大索氏體化率、細(xì)化奧氏體和馬氏體晶粒，減小片層間距，耐高溫，加工性好，可淬火使用。彈性模量為202 500 MPa，泊松比為0.3，密度為7.86 g/cm3[7]。代入數(shù)據(jù)后得到具體應(yīng)力值。

（2）結(jié)果呈現(xiàn)模式

分析結(jié)果以圖形形式顯示和輸出，結(jié)果直接體現(xiàn)在模型上，用不同的顏色代表模型上不同位置的應(yīng)力值，濃淡圖則用不同的顏色代表不同部位的應(yīng)力[6]范圍，清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。

2.2 有限元分析

該套筒扳手受力點(diǎn)成均勻?qū)ΨQ分布。經(jīng)ANSYS 分析，如圖4 有限元分析圖所示，折疊桿處最大受力載荷為790 N，最大承受應(yīng)力為296 MPa，該過(guò)程變形0.4 mm，應(yīng)變變形為1.38，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1.5，符合變形標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 折疊桿有限元分析圖

套筒連接處通過(guò)2 個(gè)六面體以及磁鐵的磁吸力固定而成，該處可承受的最大應(yīng)力為234 MPa，如圖5 所示。

圖5 套筒有限元分析圖

經(jīng)有限元分析可知，較大受力點(diǎn)處可承受較大程度的扭力，符合日常生產(chǎn)需要，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。

3 MOD 法對(duì)效率提高程度的驗(yàn)證

通過(guò)與普通套筒扳手進(jìn)行對(duì)比，利用MOD 法對(duì)工人扳手使用過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，并分析效率的提高程度。

由于該套筒扳手是基于更換套筒的過(guò)程而設(shè)計(jì)的新型扳手，以扳手的一個(gè)使用過(guò)程為一個(gè)單元，即套筒扳手的安裝套筒，拆卸套筒，安裝新套筒為一個(gè)使用循環(huán)過(guò)程進(jìn)行MOD 分析。

現(xiàn)進(jìn)行如下假設(shè)。

（1）對(duì)于普通的多頭更換的套筒扳手，所有的套筒均已被合理地按照順序放置，在替換套筒時(shí)不會(huì)花費(fèi)時(shí)間尋找。

（2）套筒的擺放在身體腰部處，不需要彎腰拾取套筒，減少?gòu)澭壤速M(fèi)的時(shí)間。

普通多頭更換的套筒扳手的MOD 分析過(guò)程，見(jiàn)表1。

表1 普通多頭更換的套筒扳手的MOD 分析

多頭一體式套筒扳手的MOD 分析過(guò)程，見(jiàn)表2。

表2 多頭一體式套筒扳手的MOD 分析

由于MOD 法具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，運(yùn)用此方法對(duì)工具的使用過(guò)程進(jìn)行分析，其成本較低，同時(shí)可以體現(xiàn)新產(chǎn)品效率的提高程度。經(jīng)MOD 分析可知，多頭一體式套筒扳手比普通扳手的效率提高25%，工人操作效果得到顯著提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

該套筒扳手立足于工業(yè)生產(chǎn)，針對(duì)工人作業(yè)時(shí)攜帶多把套筒扳手的問(wèn)題展開(kāi)研究，為減輕工人的攜帶負(fù)擔(dān)，提高工作效率而設(shè)計(jì)。該套筒扳手實(shí)現(xiàn)了手柄的轉(zhuǎn)換和套筒頭的承載，減少了工人替換工具的時(shí)間，減輕其身體負(fù)荷，調(diào)動(dòng)工人生產(chǎn)的積極性。同時(shí)，生產(chǎn)工具的改進(jìn)和創(chuàng)新，也在促進(jìn)著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。