郝健

摘 要：該文對(duì)一種新型空氣傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)指示裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)研究，分析角行程儀表部件、上殼體組件、下殼體組件、腔內(nèi)元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。分析其關(guān)鍵零件制造過(guò)程中，注塑成形技術(shù)和金屬壓鑄過(guò)程技術(shù)的特點(diǎn)。研究一款相應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)，并建立有限元分析模型，論證其結(jié)構(gòu)的合理性，有利于工程技術(shù)人員進(jìn)行進(jìn)一步地研究與開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：儀表；機(jī)械；開(kāi)關(guān)；空氣傳動(dòng)執(zhí)行器

中圖分類(lèi)號(hào)：TH85+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

空氣傳動(dòng)執(zhí)行器使用廣泛，它可以有效防止電氣火花外露所引起的破壞裝置現(xiàn)象。該文研究的空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置主要是用來(lái)進(jìn)行流體控制，許多非易燃易爆的能源領(lǐng)域的流體控制設(shè)備會(huì)配上這個(gè)產(chǎn)品，與常規(guī)的空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置不同，該裝置零件多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)具有相應(yīng)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家不多，主要以進(jìn)口為主。該文研究了一款韓國(guó)YTC品牌空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置，分析制造過(guò)程中，注塑成形和金屬壓鑄過(guò)程特點(diǎn)。研究一款殼體結(jié)構(gòu)，并建立其有限元分析模型，論證其結(jié)構(gòu)的合理性，有利于國(guó)內(nèi)自動(dòng)化流體控制工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步研究。

1 角行程顯示儀表部件

儀是指供測(cè)量、繪圖、實(shí)驗(yàn)用的器具；表是指計(jì)量某種量的器具。儀表是指各種測(cè)定儀。儀表可以表征需要測(cè)定的某種量。在工業(yè)自動(dòng)化控制中，儀表具有非常重要的作用。該文所研究的指示部件主要是為了讓控制室或者現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠直接地看到開(kāi)關(guān)的顯示狀態(tài)，可以改裝為信號(hào)反饋元件。這部分通常采用透明的塑料作上端蓋；而指示部分通常采用有顏色的塑料材質(zhì)，紅色的CLOSE字樣表示關(guān)位，綠色的OPEN字樣表示開(kāi)位；在主要部件之間，設(shè)計(jì)的黑色遮罩，遮擋暫不需要顯示的部位。

透明塑料上端蓋蓋住整個(gè)指示零件，并且與金屬殼體構(gòu)成一個(gè)密封空間，阻擋灰塵進(jìn)入指示部位污染零件。這個(gè)密封空間同時(shí)還要阻擋空氣中的水分等其他物質(zhì)進(jìn)入，一方面防止導(dǎo)電物質(zhì)與粉塵進(jìn)入該傳動(dòng)裝置中，另一方面預(yù)防腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入傳動(dòng)軸部位腐蝕金屬部件。從裝配成的產(chǎn)品來(lái)看，密封件似乎是對(duì)稱(chēng)的、非常規(guī)形狀的非金屬零件，然而當(dāng)拆卸下產(chǎn)品后發(fā)現(xiàn)這個(gè)密封元件其實(shí)就是普通的“O”型圈，而密封槽由非常規(guī)的溝槽組成。

在進(jìn)行電氣設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮防止其使用過(guò)程中由于靜電電荷引起的燃燒危險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)透明塑料上端蓋時(shí)，還要注意導(dǎo)電性能參數(shù)，電阻參數(shù)值應(yīng)按照認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行表面絕緣電阻，這種材料比較常見(jiàn)可以聯(lián)系塑料方面的廠商獲得。注塑成形過(guò)程中，收縮率要予以考慮，防止尺寸偏離過(guò)大，這方面一般會(huì)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮指示零件與傳動(dòng)軸以及透明端蓋頂針部位的間隙配合。

2 殼體設(shè)計(jì)

空氣傳動(dòng)執(zhí)行器殼體是指示裝置的主要承載部件，它們一方面為電氣元件提供了足夠的安裝空間，另一方面又保護(hù)這些電氣元件免受腐蝕物質(zhì)與導(dǎo)電物質(zhì)的侵蝕。在殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要進(jìn)行“滴水流線(xiàn)”方面的設(shè)計(jì)，即當(dāng)水等液體滴在空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置上面的時(shí)候，液體能夠自然流淌下去，不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間積聚在表面，腐蝕或者浸泡空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置殼體。這里的殼體涉及上下殼體組件，而所承受壓力是參照防爆認(rèn)證機(jī)構(gòu)，根據(jù)空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置容積不超過(guò)3 L，測(cè)定參考?jí)毫Σ⑻岢龅囊髞?lái)進(jìn)行擬定。

2.1 上殼體組件

上殼體組件通常也是由2個(gè)零件在壓鑄過(guò)程中鑲嵌而成，這種巧妙的制造工藝，在節(jié)約成本的同時(shí)也加強(qiáng)了組件的可靠性。一般鑲嵌件為銅制零件，銅制零件耐磨損能力強(qiáng)。上殼體還要與指示部件進(jìn)行接觸裝配，關(guān)鍵的部位就是密封部位，要引起足夠的重視。

2.2 下殼體組件

下殼體組件通常也是由2個(gè)零件在壓鑄過(guò)程中鑲嵌而成。一般鑲嵌件也是銅制零件，銅制零件耐磨損能力強(qiáng)。下殼體還要與支架進(jìn)行接觸裝配，因此要保留一定的裝配空間。殼體基本上是由壓鑄工藝制造而成的，要保留一定的拔模角，否則脫模困難，容易造成外觀缺陷，從而影響殼體美觀和強(qiáng)度，不利于機(jī)械加工的進(jìn)行。

2.3 基于ANSYS的殼體結(jié)構(gòu)有限元分析

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的技術(shù)研究開(kāi)發(fā)方式，有限元技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)與數(shù)值分析技術(shù)，有效地降低了開(kāi)發(fā)人員的計(jì)算工作量，并且提高了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。對(duì)一些難以測(cè)定的區(qū)域，還能進(jìn)行一定的定性趨勢(shì)分析。有限單元法是有限元技術(shù)時(shí)常提及的理念，將目標(biāo)對(duì)象體或面或線(xiàn)，劃分成許多的單元進(jìn)行分析。常規(guī)的有限元分析步驟大體有材料模型庫(kù)設(shè)置、邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、幾何建模型、運(yùn)行、有限元后處理等步驟。其中在設(shè)置材料模型參數(shù)時(shí)，對(duì)于常規(guī)材料參數(shù)，若模型庫(kù)中已存在，則可以直接調(diào)用進(jìn)行估算；若模型庫(kù)中不存在這種材料模型參數(shù)，則需要實(shí)際測(cè)定或錄入相關(guān)參數(shù)值。邊界條件的設(shè)置，要接近實(shí)際應(yīng)用工況，還要考慮計(jì)算對(duì)象所需主要數(shù)值等。幾何建模方面，ANSYS自帶了一些建模命令選項(xiàng)，可以使用這些命令選項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的建模，有些建模需要借助其他建模工具，通過(guò)ANSYS中CAD導(dǎo)入工具與接口導(dǎo)入其中，進(jìn)行三維生成。若要進(jìn)行數(shù)字化建模，以便于有限元分析優(yōu)化技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)展，則需要在主流3D設(shè)計(jì)工具象ProE中設(shè)置導(dǎo)入數(shù)值相關(guān)命令選項(xiàng)。

該文通過(guò)有限元分析方法與軟件，結(jié)合防爆認(rèn)證規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，基于靜力學(xué)分析基本原理，對(duì)空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置殼體承壓件進(jìn)行力學(xué)分析。ANSYS是世界知名的有限元分析工具，它集成了多元領(lǐng)域的有限元分析軟件。它在靜力學(xué)分析領(lǐng)域，求解精度與結(jié)果都是相對(duì)較高，是優(yōu)秀的工程分析軟件。ANSYS在結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也比較廣泛，其界面集成了許多模塊。

2.3.1 殼體力學(xué)模擬前處理

幾何模型，可以通過(guò)ANSYS自帶的建模工具創(chuàng)建，也可以通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件繪制而成，然后導(dǎo)入ANSYS中，這里的殼體涉及上下殼體組件，而所承受壓力是參照防爆認(rèn)證機(jī)構(gòu)，根據(jù)空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置容積不超過(guò)3 L，測(cè)定參考?jí)毫Σ⑻岢龅囊筮M(jìn)行擬定的，并且要考慮材質(zhì)工程數(shù)值分析與實(shí)際材料的安全系數(shù)問(wèn)題，這里設(shè)置為2 MPa。殼體結(jié)構(gòu)分析，其分析類(lèi)型應(yīng)屬靜力學(xué)分析，在設(shè)置網(wǎng)格方面可以選擇ANSYS中常規(guī)的四面體網(wǎng)格。承壓部位主要是鋁制部位，且鋁制部位強(qiáng)度不如銅制部位，結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化應(yīng)考慮最危險(xiǎn)的部位，逆向設(shè)計(jì)幾何草圖如圖1和圖2所示。

壓鑄鋁制材質(zhì)的屈服強(qiáng)度：170 MPa，要輸入彈性模量值70 GPa，抗拉強(qiáng)度 230 MPa，泊松比值0.33，網(wǎng)格采用系統(tǒng)默認(rèn)的靜力學(xué)網(wǎng)格劃分方法。邊界條件的設(shè)置，約束上下殼體端面的位移和固定螺栓孔，應(yīng)盡可能接近實(shí)際的承壓實(shí)驗(yàn)工況，以確保較高的分析精度。邊界條件設(shè)置多種多樣，相應(yīng)的分析結(jié)果也會(huì)有所不同。上殼體的網(wǎng)格數(shù)量劃分為130 976，節(jié)點(diǎn)劃分為219 076，選擇光順的網(wǎng)格與節(jié)點(diǎn)生成方式。下殼體的網(wǎng)格數(shù)量劃分為117 247，節(jié)點(diǎn)劃分為197 761。

2.3.2 殼體力學(xué)模擬后處理與分析

后處理選項(xiàng)比較多，選擇相應(yīng)的輸出選項(xiàng)，計(jì)算機(jī)將會(huì)計(jì)算相應(yīng)的結(jié)果。靜力學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，通常選擇等效應(yīng)力作為主要參考應(yīng)力。從空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置上殼體承壓分析云圖中可以看出，等效應(yīng)力的最大值在殼體內(nèi)腔加強(qiáng)筋與頂端凸臺(tái)交界處，而最小等效應(yīng)力在上殼體的平坦的側(cè)端面處，如圖3所示。

從空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置下殼體承壓分析云圖4中可以看出，等效應(yīng)力最大值在殼體內(nèi)腔表面與接地凸臺(tái)交界處，而最小等效應(yīng)力在下殼體的平坦的側(cè)端面處。去除尖銳的結(jié)合面或者增厚加強(qiáng)，避免應(yīng)力集中，從而減少這些應(yīng)力。然而根據(jù)現(xiàn)有的壓鑄條件與鋁件壓鑄裝備，厚度過(guò)大會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部不致密，經(jīng)濟(jì)成本過(guò)大等問(wèn)題。所以尋找合適的結(jié)構(gòu)十分重要。

對(duì)鋁類(lèi)的材質(zhì)有限元分析的許用應(yīng)力系數(shù)取0.62，因屈服應(yīng)力為170 MPa，這里許用應(yīng)力則為0.62×170 MPa等于105.4 MPa。上面的等效應(yīng)力云圖所顯示的應(yīng)力均小于該許用應(yīng)力，因此該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

3 電氣元件結(jié)構(gòu)布局

腔內(nèi)的電氣元件設(shè)計(jì)方法不僅要參照電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外，還要參照電氣防爆方面的標(biāo)準(zhǔn)，2個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，再加以現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。電氣控制設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足電氣功能的需求。空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置的功能主要是反饋流體控制閥位信號(hào)。內(nèi)置機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)、連接器、線(xiàn)束、卡圈及彈簧等元件，利用有限的空間布置這些電氣元件，控制爬電間隙，各電氣元件安裝位置都要按照標(biāo)準(zhǔn)布置，還要考慮接地元件的設(shè)計(jì)布置，空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置內(nèi)腔與外表面都要預(yù)留接地元件。接地元件可以防止電荷的急劇產(chǎn)生不利的影響。除了上述問(wèn)題外，相關(guān)型式實(shí)驗(yàn)也要引起足夠重視，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中列有，因此這里就不一一多余闡述了。

4 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)具有相應(yīng)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家不多，主要是以進(jìn)口為主。該文從整體結(jié)構(gòu)思路出發(fā)，對(duì)一種空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置各個(gè)組成部分進(jìn)行了分析，闡述了角行程儀表部件、上殼體組件、下殼體組件、腔內(nèi)元件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析制造過(guò)程中注塑成形和金屬壓鑄過(guò)程的特點(diǎn)；研究了一種空氣傳動(dòng)執(zhí)行器指示裝置結(jié)構(gòu)，利用CAE技術(shù)論證該結(jié)構(gòu)的合理性，為進(jìn)一步研究提供了一定的理論支撐。

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