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河北華利機械配件有限公司

高壓鍋不松動手把的研究與設計

2013/5/11 9:46:55
1 引言

        高壓鍋是現代家庭的必備炊具之一。由于高壓鍋具有獨特的高溫高壓功能,從而大大縮短了時間,同時節約了能源[1]。用戶在使用高壓鍋的過程中,通過上手把和下手把的配合使用實現鍋體的旋轉開合。在絕大多數家用高壓鍋中,鍋體與下手把之間均通過如圖1 所示的連接塊連接。

        ①連接塊的凸臺平面與手把內凹面產生的摩擦力;

        ②手把與鍋體表面產生的摩擦力,由靜定原理可知,這兩種力只能存在一種。高壓鍋使用一段時間后,手把出現松動,如圖2 所示,鍋體與手把之間出現間隙,兩者之間的摩擦力也就急劇減小,傳遞傾倒鍋內物體所需反扭矩的能力也減小。

2 傳統高壓鍋手把失效原理分析

        在高壓鍋使用過程中,螺釘提供的預緊力對預防高壓鍋手把松動起著至關重要的作用,因而首先分析螺釘在常溫和高溫下工作的區別。常溫下,由于存在預緊力,螺釘的緊邊始終緊貼連接塊內螺紋向外的邊,而松邊與連接塊內螺紋向里的邊有間隙; 高溫下,由于螺釘、連接塊、手把的材質不同,其熱膨脹系數也不相同。如果螺釘的熱膨脹系數大于連接塊的熱膨脹系數,螺釘的緊邊與連接塊內螺紋向外的邊會貼的更緊,同時螺釘的松邊與連接塊內螺紋向里的邊之間的間隙更小,甚至接觸,這種情況下,螺釘在高溫下會擰得更緊; 如果螺釘的熱膨脹系數小于連接塊的熱膨脹系數,螺釘的緊邊與連接塊內螺紋向外的邊之間的壓力會變小,但松邊與連接塊內螺紋向里的邊之間的接觸壓力會增大,這種情況會使螺釘在高溫下變松。在由高溫到低溫的過程中,無論是螺釘、連接塊,還是手把都不可能回到原始的狀態,因而,第一種情況下,螺釘的預緊力會小于高溫下的預緊力,第二種情況下,螺釘的預緊力會小于原始常溫下的預緊力。無論是哪種情況,螺釘在使用過程中都會變松。

         在使用過程中,螺釘正壓力的大小直接影響鍋體自身重量及鍋體傾斜( 將要倒出鍋內物體) 時傳遞的扭矩,甚至會致使螺釘外螺紋與連接塊上的內螺紋之間產生松動。如果此時正壓力產生的摩擦力矩大于倒出鍋內物體所需的扭矩,則手把處于不松動狀態;如果正力產生的摩擦力矩小于倒出鍋內物體所需的扭矩,則手把會松動。手把松動后,若沒有用工具及時將螺釘擰緊,就會導致螺紋間長期松動而使螺紋失效。下手把甚至會沿螺紋中心旋轉,給使用者帶來很大不便。高壓鍋手把結構的缺陷而導致手把松動,使得高壓鍋除了存在內壓高的安全隱患外,還存在下手把脫離連接塊、鍋體傾翻燙傷用戶的安全隱患。綜上所述,傳統高壓鍋手把結構存在以下不足。
 

         ( 1) 下手把與連接塊之間僅靠旋緊螺釘產生的力來得到固定。其連接塊上內螺紋與螺釘外螺紋由于溫度變化,材料熱膨脹系數不同而產生間隙,從而引起松動。
 

        ( 2) 下手把與連接塊之間沒有導向定位結構。

        ( 3) 下手把凹槽與連接塊凸臺之間的配合有間隙,在傾斜鍋體傾倒物體時,僅靠鍋體與手把之間產生的摩擦力來傳遞扭矩是不夠的,手把的旋轉又使得螺釘快速松動,這是手把松動的主要原因。

3 手把結構的改進設計

        為了克服傳統高壓鍋手把以上不足,同時滿足不同條件下( 民用、醫用、軍用) 使用的高壓鍋,現在通過改變力的作用原理,在傳統高壓鍋手把結構的基礎上進行改進設計,以嚙合力來替代摩擦力,從而達到增大傳遞扭矩的目的。在此設計的基礎上,為了適應實際生活中存在的各種大小的高壓鍋,做出了小、中、大三種型號的新型高壓鍋連接塊的設計。

3. 1 小型高壓鍋手把結構

         為了適應小型高壓鍋手把寬度小的特點,在盡可能小的寬度尺寸中傳遞盡可能大的反扭矩,做出了如圖3 的適用于小型高壓鍋的新型手把設計[4]。在原有設計思想不變的基礎上,以傳統連接塊為基礎,將其凸臺向兩側縱向延長,使得連接塊自身呈現出“十”字形結構,在凸臺伸出部分的四個側面上對稱地設計了一定錐度( 15° ~ 20°) 的斜面。此連接塊尺寸較小,可用于普通家庭較小尺寸的高壓鍋。其結構如圖3( a) 所示,成品模型如圖3( b) 所示。由圖3( a) 可看出,凸臺兩端伸出部分有錐度,若手把內部也設計為與之對應的帶錐度的凹槽,則它就可以很容易地與連接塊對準。一旦用于安裝則會自動卡緊,使得其力的性質不再是摩擦力,而是嚙合力( 類似于齒輪) ,從而增大力矩,達到防松的目的。

3. 2 中型高壓鍋手把結構

        在原有設計思想的基礎上,以傳統連接塊為基礎,將帶有錐度( 15° ~ 20°) 的斜面直接做在傳統連接塊的兩端,手把對應兩端做成帶相同錐度的凹槽。其結構如圖4( a) 所示,成品模型如圖4( b) 所示。由圖4( a) 可以看出,新型手把結構不改變傳統高壓鍋手把的外觀形狀與尺寸,只需設計與新型連接塊相適應的手把內部結構,從而在不改變高壓鍋手把原有外觀的條件下,使用該連接塊與手把的配合就可以達到高壓鍋體與手把不松動的目的。該結構在與手把連接時主要的力為它與手把的嚙合力,同時也有螺釘的預緊力。該結構具有簡單、實用、易加工、安裝方便等特點,適用于普通家庭較大尺寸的高壓鍋。

5 結論

       從以上的分析對比可看出,傳統高壓鍋手把在使用過程中,僅靠摩擦力傳遞扭矩是不夠的,隨著使用時間的延長,其所能傳遞的扭矩急劇減小,甚至一段時間后,只能靠更換手把,才能繼續使用。新型高壓鍋手把結構完全改變了以摩擦力傳遞扭矩的方式,通過嚙合力傳遞扭矩,其傳遞的扭矩較摩擦力有所增大,尤其是在使用一段時間過后,新型高壓鍋手把傳遞扭矩的能力遠超過傳統手把。隨著使用時間的延長,手把傳遞扭矩的能力下降幅度不大,使用壽命也較傳統手把大大增加。該新型手把是一種不易松動、傳遞扭矩大、壽命長、適用性強的高壓鍋手把,可以在一定程度上推廣應用。

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