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河北华利机械配件有限公司

氣動釘槍減振手柄優化設計及有限元分析

2013/7/19 15:13:50

 

周瑞麗    畢向秋

1. 浙江台州職業技術學院機電工程學院,台州3180002. 浙江台州市大江實業有限公司,台州317500

摘要:目前,氣動工具減振手柄的設計已經引起了廣泛的關注。本文就是以氣釘槍爲研究對象,通過對所設計的減振手柄進行水壓測試,以有限元軟件ANSYS Workbench 爲計算平台,對其進行整槍振動加速度分析,爲氣釘槍減振手柄優化設計提供理論依據。

關鍵詞:氣動釘槍結構優化設計有限元法

1 引言

氣釘槍在使用時,手柄處會産生沖擊力,沖擊力長時間作用,危害操作者身體健康。因此,對氣釘槍減振手柄的設計已經引起了廣泛關注。目前,國內主要采用在手柄處包一層橡膠材料的方法減振。但手柄處橡膠材料的厚度是有一定範圍的,太大會加粗手柄,太小減振效果又不明顯。因此,本文提出選擇合適的皮套- 手柄配合結構來進行減振,並對所設計的結構進行模擬研究,爲氣釘槍減振手柄的設計提供理論指導。

2 減振手柄優化設計方案

氣釘槍的手柄在設計時不僅要保證工作狀態的強度要求,即保持高壓氣體在其內部的暢通,而且還要考慮操作者抓握的舒適性;皮套則既要與手柄外表面緊密配合,同時還要保證抓握舒適,能起到一定的減振作用。由此可見,在優化設計時,手柄和皮套的外觀尺寸不能變動過大,同時,必須對改進後的手柄進行強度校核,以滿足工作狀態要求。

根據以上分析,在無法增加皮套整體厚度的情況下,可以考慮手柄表面設計不同數量的槽,同時皮套內表面設置相應數量的曲面台階,以保證牢固配合,手柄與皮套其他部位的尺寸則與原始設計一致,就是通過增加皮套局部厚度,來增強減振效果。如圖1-3 所示。

3 槍體高水壓測試有限元分析

3.1 模型建立

對于修改後的皮套- 手柄結構,首先需要驗證手柄有效厚度能否滿足工作強度要求,再對修改後的結構進行整槍振動加速度分析。驗證工作強度的方法是進行高水壓測試。高水壓測試主要針對氣釘槍殼體(槍體、上鋁蓋、進氣蓋)進行,要求設計出的氣釘槍殼體能通過下列測試:施加5 倍于最大工作氣壓的水壓並保壓3 分鍾期間,氣釘槍殼體不能出現破裂和漏水現象。本文只是對槍體手柄進行了改型設計,所以只對槍體特別是手柄部位進行高水壓測試的有限元仿真,校核槍體結構是否滿足高水壓測試要求。

高水壓測試的有限元分析采用靜力學分析方法,幾何模型如圖1~3,槍體材料爲壓鑄鋁合金ZL104,給槍體內部所有承受高水壓的表面施加4.2MPa 的壓力邊界條件,槍體外部與其它試驗用輔助夾具配合處,施加位移約束邊界條件。三種設計方案的槍體有限元模型如圖4~6 所示。

3.2 分析結果

枪体高水压测试的有限元分析結果如表1 所示,應變結果如圖10-12 所示。根據結果,可知最大應力和最大應變均出現在槍體的開關安裝孔拐角附近,且手柄上槽的存在對手柄其他位置的應力應變分布存在影響。其中方案三整槍應力值最大,爲65.984MPa,這一數值低于槍體所用材料的屈服強度。三種方案的槍體最大應變均介于0.0009~0.001mm/mm 之間,槍體整體應變量較小,在高水壓測試中可保證密封性要求,不會出現漏水現象。又因高水壓測試過程爲近似靜態過程,因此三種設計方案的槍體強度均能滿足高水壓測試要求。

4 整槍振動加速度的有限元求解

采用柔體動力學方法對三種設計方案的整槍振動加速度進行瞬態求解。三種設計方案的求解設置一致。在求解過程中,通過多個子步的設置,模擬沖擊力作用于槍夾末端,在手柄位置引起的振動加速度大小。分別對三種結構方案的整槍模型進行了振動加速度及加速度均方根值計算。氣釘槍手柄振動主要是通過食指中部傳到人體,因此對三種減振方案在食指中部同一位置的振動加速度進行了對比,見表2

5 結論

通过对三种设计方案的整枪振动加速度计算结果进行分析,得出結論:随着槽结构的增加,手柄传递到手上的振动加速度明显减小,增加皮套局部厚度进行减振的方案是有效的。另一方面,槽结构只增加了皮套下表面方向的局部厚度,对手的抓握舒适度不产生影响。由此可见,在保证枪体强度的前提下,可以通过采用增加槽结构的方法来增强减振效果。

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