基于ALGOR的三维有限元两段式手柄的设计

施晓蓉

(湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101)

参 考 文 献



基于ALGOR的三维有限元两段式手柄的设计

施晓蓉

(湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101)

为解决智能断路器一体式储能机构手柄开始时转动角度小、手柄旋转压缩弹簧的扭矩小、储能操作者手部产生痛觉的问题，设计了一种两段式手柄.采用三维有限元法对手柄抓握部位进行仿真分析，直观地反映手柄的结构强度.结果表明，两段式手柄具有结构简单，安全可靠的优点.

手柄；断路器；两段式设计；有限元；施力测试

0 引 言

目前的智能断路器普遍采用储能式电动操作机构, 以预储能的方式推动断路器快速合闸.在调试和运行过程中无法电动储能时，需要进行手动储能.本文针对原有一体式手柄存在的储能刚开始时手柄转动角度小、旋转压缩弹簧扭矩较小的问题，设计了一种新型两段式手柄.从结构、工艺、装配、公差配合等方面进行设计说明，并利用人体工学对手柄尾部进行结构改进，改善了手柄操作者的手感.

作者对手柄结构强度进行有限元分析，并对不同结构手柄的施加力进行受力对比测试，验证两段式手柄的可行性及优越性.

1 手柄结构设计

1.1 手柄结构及工作原理

两段式储能手柄结构如图1、图2所示，包括旋转盘、把手、复位拉簧等.旋转盘上有旋转销安装孔，旋转盘和把手通过旋转销连接，把手能够以旋转销为旋转轴绕旋转盘旋转，旋转的角度为0°～30°.在旋转盘外圆周壁上开有槽孔，槽孔在厚度方向为盲孔.复位拉簧置于把手下端，侧壁槽孔对应位置开有安装固定槽.旋转盘外圆周壁槽孔底部开有通孔，通孔用来固定拉簧销.复位拉簧的一端固定在拉簧销上，另一端固定在把手拉簧销上，安装固定槽底部对应把手上开有通孔，通孔上固定把手拉簧销.储能操作开始时，把手向下压动以克服复位拉簧的弹性变形，它相对于旋转销和旋转盘转动了一个角度，达到平衡.把手外端相对于旋转盘中心外移，操作力臂加长，达到了省力和改善手感的效果.储能操作完成后，把手力撤销，复位拉簧促使把手复位.

图1 两段式手柄分解图

(1-旋转盘 2、4 -轴 3、9-拉簧 5-把手 6-挡圈 7-掣子8、15-螺钉 10-板 11-扭簧 12、13-轴销 14-套)

旋转盘和把手通过旋转销连接.手柄工作时，旋转盘以把手绕旋转销为轴心旋转一个角度，达到平衡后，把手与水平面之间的角度变小，增加了旋转力臂的长度.在压缩弹簧储能所用的力矩不变时，人手施加给把手的力就会大大减小，减小幅度在一半以上，改善了操作者的手感.整个储能过程受力均匀，劳动强度减轻.

图2 两段式手柄装配图

1.2 面向制造的设计

考虑产品功能、可靠性和外观等，设计时遵循简化、统一、协调、优化、系列化、通用化的原则进行面向制造(Design for Manufacturing，简称DMA)的设计.

1.2.1 注塑工艺的设计

把手和旋转盘的制造工艺都采用注塑成型.对于金属嵌件，在冬季一般都需要预热处理.设计不当将引起注塑不良，比如：加强筋过厚、布局不均，导致翘曲变形、弯曲、凹陷等；制定壁厚过渡不均匀，会产生银纹、气泡、针孔.为了避免样品制造中出现手柄折断现象，严格把控注塑工序并对产品进行优化设计,如图3、图4所示.本手柄在设计时所有壁厚、加强筋布局保持均匀，增强制品的强度和刚性，节约材料用量，减轻重量，降低成本，也能克服制品因壁厚不一造成应力不均而使制品歪扭变形.手柄的材料选用有严格要求，通过对不同材料的性能对比，本设计采用PA系列聚酰胺塑料.

注塑聚酰胺塑料时，要求如下：①成型时有结晶产生，成型收缩较大，应严格控制模温；②热稳定性较差，热降解倾向严重，应避免温度过高或在高温下长时间停留；③吸水率较大，加工前必须干燥(100～120 ℃)：成型后，制品需进行调湿处理(在水、熔化石蜡、矿物油或聚乙二醇中进行，温度高于使用温度10～20 ℃，如PA11——120～140 ℃、30～60 min)；④加工过程中易产生内应力，应进行退火处理(缓慢升温到规定温度如160～190 ℃，停15 min左右后缓慢冷却即可).

1.2.2 电镀层的设计

标准规定，ACB产品必须通过盐雾试验等严酷环境的试验，手柄上的金属零件以铁为基体就必须耐受盐雾的腐蚀[4].锌镀层对于钢(或铜)为阳极性镀层，能起到电化学防护的作用.在一般大气和工业大气条件下具有较高的防护性能，在矿物油中，能可靠地防止零件腐蚀；锌镀层铬酸盐处理后能够提高镀覆层的防护能力.锌镀层的工作温度不应超过250 ℃，否则引起锌脆，在低于-70 ℃或高于70 ℃的水中，锌镀层防护性能明显降低；锌镀层在承受弯曲、延展和拧合时，不易脱落，但其弹性、耐压及海洋性气候下耐腐蚀性比镀镉层差；在封闭空气不流通的条件下，非金属材料的挥发物(如酚、醛、氨气等)能腐蚀锌镀层，促使其迅速产生“白霜”，但相对湿度低时，“白霜”产生的速度较缓慢.刚镀好的锌镀层可以熔焊和锡焊，铬酸盐处理后不易焊接.

对手柄上的掣子、板、轴、销、弹簧(热处理)进行电镀时，必须按GB/T 9799-Fe/Zn6 c2C相关加工和检测要求处理.

1.3 面向装配的设计

为使产品具有良好的可装配性，确保装配工序简单、装配效率高、装配质量高、装配不良率低和装配成本低，采用面向装配的设计(Design for Assembly，简称DFA).

1.3.1 金字塔式装配方式

最理想的装配方式是金字塔式装备方式，一个大而且稳定的零件充当产品基座放置于工作台上，然后依次自下而上装配较小的零件，最后装配最小的零件.同时，基座零件能够对后续的零件定位和导向.按此装配方式优化设计后的手柄如图5所示.

图5 金字塔式装配

装配人员在装配过程中，先固定旋转盘，把掣子套入轴销，同时使掣子的尖嘴贴着中间的轴销，让开口挡圈贴着掣子，借用尖嘴钳将其卡在轴销的槽内.这样的设计可确保装配工序简单，装配效率高、质量高.

1.3.2 先定位后固定

对需要通过辅助工具来固定的零件，如果能在固定之前先定位后固定且零件自动对齐到正确位置，不仅可减少了操作人员手工对齐零件的工序，而且也可方便零件的固定，大幅度提高装配效率.如图6所示，在零件的装配过程中增加定位特征设计，可使零件准确地装配.设计时需要对定位特征相关的尺寸公差进行严格管控，而对其它尺寸公差要求宽松一些.

图6 先定位后固定装配

1.3.3 为辅助工具或设备提供装配空间

由于把手柄装配到机构的轴上时扭簧是被旋转盘遮盖的，这就需要在扭簧的端部处设计一个缺口，尖嘴钳能够通过缺口夹住扭簧的头部，使其卡在机构板的轴销槽内保持受力状态.如图7所示的设计使装配简化，提高装配效率.

图7 旋转盘内部的缺口

1.3.4 装配中的人机工程学

为避免在装配过程中发生装配人员因视线被阻挡而凭感觉确定位置的现象，设计时使拉簧的拉钩大部分外露(见图8)，既便于装配人员观察也便于将挂钩搭在螺钉槽内.此设计可大大提高装配效率.

图8 拉簧拉伸前的位置状态

1.4 尺寸、公差标注及公差分析

使用SolidWorks三维画图软件对手柄进行优化设计，优化后的手柄为最简化的结构，由旋转盘、把手、板、掣子和弹簧等零部件组成.各零件由3D视图转化为可加工的工程图[5][6]，如图9所示.

图9 掣子的工程图(前视)

尺寸链长度原始计算如图10所示.

图10 原始设计

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

计算X的名义值：

DX=DA+DB+DC+DD=DE

=54.00-12.00-13.00-16.00-12.50

=0.50 mm

(1)

计算X的公差：

TX=TA+TB+TC+TD+TE

=0.20+0.10+0.10+0.15+0.10

=0.65 mm (极值法)

(2)

X=0.5±0.65 mm

(3)

=0.3 mm(均方根法)

(4)

X=0.5±0.3 mm

(5)

尺寸链长度优化设计计算如图11所示.

图 11 优化设计

A=54.00±0.20，C=25.00±0.15，D=28.50±0.15

DX=0.5 mm,TX=0.5 mm(极值法)

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，在产品的初级阶段，明确定义产品装配关系中的关键尺寸，通过减少关键尺寸的尺寸链数量等优化设计，满足产品设计的外观、功能、质量和可靠性等要求.

2 手柄结构强度有限元分析

手柄在进行静力分析时，利用ALGOR软件有限元分析法将手柄划分成有限单元[7].如图12所示.

图12 手柄的网络模型

在手柄的装配体导入ALGOR软件中后，由于分析的目的是把手是否会在使用过程发生折断，因此为避免其他零件在分析时产生干扰，只需保留旋转盘和把手.由于设计时考虑到一体式手柄最大力为250 N左右，选择施力表面为把手的曲面处，设置施加力的大小为240 N；选择PA66塑料；对旋转盘的中心孔的内表面进行全约束；旋转盘与把手的接口表面进行表面接触约束.

图13 位移分析结果

从位移分析图13结果中发现手柄发生弹性变形，端部发生最大位移量为2.4 mm.从应力分析结果(如图14和图15所示)可以看出最大应力为328.4 N/mm2.PA66塑料的弹性模量为150 GPa，泊松比为0.33，屈服强度为50 N/mm2，没有达到材料的屈服点.综上可知，可以采用PA66塑料制作手柄外壳.

图14 应力分析结果 图15手柄上最大应力的位置

3 施加力测试

3.1 改进前后的储能对比测试

两种结构的手柄在实际储能过程(转动6次手柄)中的施力数据对比如表1所示.由施力差可知，两段式结构的手柄实际省力约9.3%～18.6%.

表1 两种结构的手柄施力数据对比

由实际测试和操作对比图16可知，两段式手柄在储能操作时手感明显较好，具体数据如下：

图16 一体式手柄(左)和两段式手柄(右)

(1)在储能开始时，一体式手柄端部距离其旋转中心108 mm；两段式手柄端部距离其旋转中心145 mm.由于储能弹簧的压缩形变量(储能手柄扭矩)一定，由扭矩=力×力臂可知：后者力臂较长，储能时省力.

(2)一体式的手柄由于其与面罩之间的间距较小约29 mm，旋转角度为20°，在储能开始时手柄端部正抵手心，手心处所受的极限压强大，且其边缘都为直壁面设计，手心处的手感不好；两段式手柄修正后，手柄与面罩间距增大到65.5 mm，旋转角度增大到40°.

(3)一体式手柄储能时有效抓握面积约为0.0006378 m2, 经计算储能开始时手掌所承受最大压强为：P1=245÷0.0006378 (N/m2)≈0.384 MPa；两段式手柄储能时有效抓握面积约为0.0012355 m2,经计算储能开始时手所承受的最大压强为：P2=217÷0.0012355(N/m2)≈0.176 MPa.

3.2 测试数据分析

测试数据是利用实际储能测试得到.两段式结构手柄的测试数据分析结论如下：

(1)两段式的手柄储能开始时，其端部相对于旋转中心的力臂加长，比较省力.

(2)两段式的手柄储能时手掌所受的压强较小，且边缘过渡为圆弧面设计，手感较好.

4 结束语

这种储能手柄采用两段式结构，手柄在使用过程中只需使锁扣来回摆动即可实现锁定状态和解锁状态的转换，不仅使用起来非常方便，而且还增加了操作的舒适度.该锁定及解锁机构具有结构简单，安全性、可靠性高的优点.

参 考 文 献

[1] 刘来英.注塑成型工艺[M].北京:机械工业出版社，2005.

[2] 李培根.机械基础[M].北京:机械工业出版社，2006.

[3] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社，2011.

[4] GB/T 9799—1997.金属覆盖层钢铁上的锌电镀层[S].1997.

[5] GB 1800-1804—79.一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差[S].GB18000～1804-79.

[6] GB/T 1184-1996.形状和位置公差 未标注公差值[S].

[7] 杨德伟,李俊源,等.基于ABAQUS的三维有限元抓握手模型的建立与研究[J].机械设计与制造工程,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

施晓蓉(1972-), 女，副教授，研究方向：智能电器及电气测控技术.

TM561

B

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