登錄  |  注冊
english
河北华利机械配件有限公司

高壓鍋不松動手把的研究與設計

2013/7/5 13:25:15

 

粟本強1,張平1,蘭洪強2

( 1西南石油大學機電工程學院,四川成都610500; 2西南石油大學教育部重點實驗室,四川成都610500)

摘要: 目前高壓鍋手把與連接塊之間沒有導向定位結構,僅靠旋緊螺釘産生的力來得到固定,且在傾斜鍋體時僅靠摩擦力傳遞扭矩,這種結構容易産生松動在對傳統高壓鍋手把的工作原理及缺點進行大量分析研究後,研制了一種新型高壓鍋不松動手把,通過齧合力代替摩擦力,以增大扭矩,並對其進行綜合性能實驗,實驗結果表明,該新型手把是一種不易松動壽命長適用性強的高壓鍋手把

關鍵詞: 手把; 高壓鍋; 扭矩; 摩擦力

中圖分類號: TH16 文獻標識碼: A 文章編號: 1007 4414( 2012) 03 0115 03Research and development on a kind of no sliding pressure cooker hand shankSu Ben qiang1Zhang Ping1Lan Hong qiang2( 1 Mechanical and electrical engineering institute Southwest petroleum universityChengdu Sichuan 610500China;2 Ministry of education key laboratory of oil and natural gas equipmentSouthwest petroleumuniversityChengdu Sichuan 610500China)Abstract: For the pressure cookerthere is no guidance and fixing structure between the handlebar and the interlink And it isfixed only depend on the forces by tightening the screws When the pot is tiltedthe torque is transmited just by friction It iseasy to get loosened Therefore a new kind of handles of pressure cooker is designed after a large number of analysis and researchon handles of the traditional pressure cooker It can augment torque by meshing force instead of friction After the comprehensiveperformance testthe new pressure cooker handle is proved to be stableapplicable and longevousKey words: hand shank; pressure cooker; torque; friction

1 引言

高壓鍋是现代家庭的必备炊具之一由于高壓鍋具有独特的高温高压功能,从而大大缩短了时间,同时节约了能源1用户在使用高壓鍋的过程中,通过上手把和下手把的配合使用实现锅体的旋转开合在绝大多数家用高壓鍋中,锅体与下手把之间均通过如圖1 所示的連接塊連接

連接塊的凸台平面( 如圖1) 與手把內凹面産生的摩擦力; 手把與鍋體表面産生的摩擦力,由靜定原理可知,這兩種力只能存在一種高壓鍋使用一段时间后,手把出现松动,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緢D眲p小,傳遞傾倒鍋內物體所需反扭矩的能力也減小2 3

2 传统高壓鍋手把失效原理分析

在高壓鍋使用过程中,螺钉提供的预紧力对预防高壓鍋手把松动起着至关重要的作用,因而首先分析螺钉在常温和高温下工作的区别常溫下,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裏的邊有間隙; 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钉的热膨胀系数大于連接塊的热膨胀系数,螺钉的紧边与連接塊内螺纹向外的边会贴的更紧,同时螺钉的松边与連接塊内螺纹向里的边之间的间隙更小,甚至接触,这种情况下,螺钉在高温下会拧得更紧; 如果螺钉的热膨胀系数小于連接塊的热膨胀系数,螺钉的紧边与連接塊内螺纹向外的边之间的压力会变小,但松边与連接塊内螺纹向里的边之间的接触压力会增大,这种情况会使螺钉在高温下变松在由高溫到低溫的過程中,無論是螺釘連接塊,还是手把都不可能回到原始的状态,因而,第一种情况下,螺钉的预紧力会小于高温下的预紧力,第二种情况下,螺钉的预紧力会小于原始常温下的预紧力無論是哪種情況,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) 时传递的扭矩,甚至会致使螺钉外螺纹与連接塊上的内螺纹之间产生松动如果此時正壓力産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;如果正壓力産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後,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结构的缺陷而导致手把松动,使得高壓鍋除了存在内压高的安全隐患外,还存在下手把脱离連接塊鍋體傾翻燙傷用戶的安全隱患综上所述,传统高壓鍋手把结构存在以下不足

( 1) 下手把与連接塊之间仅靠旋紧螺钉产生的力来得到固定其連接塊上内螺纹与螺钉外螺纹由于温度变化,材料热膨胀系数不同而产生间隙,从而引起松动

( 2) 下手把与連接塊之间没有导向定位结构

( 3) 下手把凹槽与連接塊凸台之间的配合有间隙,在倾斜锅体倾倒物体时,仅靠锅体与手把之间产生的摩擦力来传递扭矩是不够的,手把的旋转又使得螺钉快速松动,这是手把松动的主要原因

3 手把結構的改進設計

为了克服传统高壓鍋手把以上不足,同时满足不同条件下( 民用醫用軍用) 使用的高壓鍋,现在通过改变力的作用原理,在传统高壓鍋手把结构的基础上进行改进设计,以啮合力来替代摩擦力,从而达到增大传递扭矩的目的在此设计的基础上,为了适应实际生活中存在的各种大小的高壓鍋,做出了小大三种型号的新型高壓鍋連接塊的设计

31 小型高壓鍋手把结构

为了适应小型高壓鍋手把宽度小的特点,在尽可能小的宽度尺寸中传递尽可能大的反扭矩,做出了如圖3 的适用于小型高壓鍋的新型手把设计4在原有设计思想不变的基础上,以传统連接塊为基础,将其凸台向两侧纵向延长,使得連接塊自身呈现出字形結構,在凸台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较小,可用于普通家庭较小尺寸的高壓鍋其结构如圖3( a) 所示,成品模型如圖3( b) 所示由圖3( a) 可看出,凸台两端伸出部分有锥度,若手把内部也设计为与之对应的带锥度的凹槽,则它就可以很容易地与連接塊对准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,而是齧合力( 類似于齒輪) ,從而增大力矩,達到防松的目的

32 中型高壓鍋手把结构__

在原有设计思想的基础上,以传统連接塊为基础,将带有锥度( 15° ~ 20°) 的斜面直接做在传统連接塊的两端,手把对应两端做成带相同锥度的凹槽其结构如圖4( a) 所示,成品模型如圖4( b) 所示由圖4( a) 可以看出,新型手把结构不改变传统高壓鍋手把的外观形状与尺寸,只需设计与新型連接塊相适应的手把内部结构,从而在不改变高壓鍋手把原有外观的条件下,使用该連接塊与手把的配合就可以达到高壓鍋体与手把不松动的目的該結構在與手把連接時主要的力爲它與手把的齧合力,同時也有螺釘的預緊力該結構具有簡單實用易加工安装方便等特点,适用于普通家庭较大尺寸的高壓鍋

33 大型高壓鍋手把结构

在传统連接塊的凸台上添加一对对称的凹槽,凹槽以一定的锥度延伸到連接塊的上表面其结构如圖5( a) 所示,成品模型如圖5( b) 所示5 大型高壓鍋新型手把结构圖和成品模型圖由圖5( a) 可以看出凹槽有锥度,若手把的内部也设计为与之对应的带锥度的凸叉,则它就可以很容易地与連接塊对准,用于安装之后会自动卡紧,使得其力的性质不再是摩擦力,而是啮合力,从而使力矩增大,达到防松的目的此連接塊尺寸稍大,适用于醫用消毒部队做饭用的大尺寸高壓鍋

4 兩種結構的力學分析

通过上面的结构设计可以看出,这三种结构采用的原理相同,均在原連接塊的基础上增加了斜面,改变了手把所传递力矩的性质,不是原来的摩擦力矩,而是手把和連接塊斜面的啮合力与螺钉中心的距离产生的力矩来传递锅体倾倒时需要的扭矩爲便于分析,現在選第二種手把結構和傳統手把結構作對比,分析如下

41 傳統手把結構性能分析

由圖1 和圖2 可知,圖2 情况产生的摩擦力矩大于圖1 产生的摩擦力矩,因而选择圖2 進行下一步分析即可在不倾倒物体的情况下,其手把受力如圖6和圖7( 假設手把指向鍋體中心方向爲軸向,垂直于該方向爲徑向,下同) 在傾倒物體時,整個手把所傳遞的扭矩爲:

T = Σf·FN·ri

根據三點穩定原理,取其中提供扭矩最大的三點爲參照,可得:

Tmax3f·F0 a2 + b2 ( 1)

查閱資料得到手把與鍋體之間摩擦系數f = 0 03 0 30通过实验分析知,随着高壓鍋使用时间t 的延長,手把與鍋體之間出現松動,正壓力FN逐漸減小,其傳遞的扭矩T 变化如圖8 所示

42 新型手把結構性能分析

该结构通过手把与連接塊的啮合力传递倾倒物体所需要的扭矩在不倾倒物体的情况下,其手把受力如圖9 和圖10 所示在傾倒物體時,整個手把所傳遞的扭矩:

T = 2Fy × r

Fy = F0 /( 4·tanα)

0.  68F0 Fy 0 93F0

由式( 1) ( 2) 的對比可以看出,在最初階段,新型手把結構所能傳遞的扭矩約爲傳統手把的1 1 5由于新型高壓鍋手把传递的扭矩T 与摩擦系数无关,随着高壓鍋使用时间t 的延長,即使手把與鍋體之間出現松動,預緊力F0減小,其傳遞的扭矩T 也不会受太大影响,其变化关系如圖11 所示

5 結論

从以上的分析和圖12 对比可看出,传统高壓鍋手把在使用过程中,仅靠摩擦力传递扭矩是不够的,随着使用时间的延长,其所能传递的扭矩急剧减小,甚至一段时间后,只能靠更换手把,才能继续使用新型高壓鍋手把结构完全改变了以摩擦力传递扭矩的方式,通过啮合力传递扭矩,其传递的扭矩较摩擦力有所增大,尤其是在使用一段时间过后,新型高壓鍋手把传递扭矩的能力远超过传统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

 

华利膠木手轮