一種新型空氣傳動執行器指示裝置技術研究

郝健

摘 要：該文對一種新型空氣傳動執行機構指示裝置結構進行技術研究，分析角行程儀表部件、上殼體組件、下殼體組件、腔內元件的結構設計特點。分析其關鍵零件制造過程中，注塑成形技術和金屬壓鑄過程技術的特點。研究一款相應的裝置結構，并建立有限元分析模型，論證其結構的合理性，有利于工程技術人員進行進一步地研究與開發。

關鍵詞：儀表；機械；開關；空氣傳動執行器

中圖分類號：TH85+1 文獻標志碼：A

0 引言

空氣傳動執行器使用廣泛，它可以有效防止電氣火花外露所引起的破壞裝置現象。該文研究的空氣傳動執行器指示裝置主要是用來進行流體控制，許多非易燃易爆的能源領域的流體控制設備會配上這個產品，與常規的空氣傳動執行器指示裝置不同，該裝置零件多，結構相對復雜。目前國內具有相應資質的生產廠家不多，主要以進口為主。該文研究了一款韓國YTC品牌空氣傳動執行器指示裝置，分析制造過程中，注塑成形和金屬壓鑄過程特點。研究一款殼體結構，并建立其有限元分析模型，論證其結構的合理性，有利于國內自動化流體控制工程設計人員進一步研究。

1 角行程顯示儀表部件

儀是指供測量、繪圖、實驗用的器具；表是指計量某種量的器具。儀表是指各種測定儀。儀表可以表征需要測定的某種量。在工業自動化控制中，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場操作人員能夠直接地看到開關的顯示狀態，可以改裝為信號反饋元件。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，紅色的CLOSE字樣表示關位，綠色的OPEN字樣表示開位；在主要部件之間，設計的黑色遮罩，遮擋暫不需要顯示的部位。

透明塑料上端蓋蓋住整個指示零件，并且與金屬殼體構成一個密封空間，阻擋灰塵進入指示部位污染零件。這個密封空間同時還要阻擋空氣中的水分等其他物質進入，一方面防止導電物質與粉塵進入該傳動裝置中，另一方面預防腐蝕性物質進入傳動軸部位腐蝕金屬部件。從裝配成的產品來看，密封件似乎是對稱的、非常規形狀的非金屬零件，然而當拆卸下產品后發現這個密封元件其實就是普通的“O”型圈，而密封槽由非常規的溝槽組成。

在進行電氣設備設計時，要考慮防止其使用過程中由于靜電電荷引起的燃燒危險。因此，設計透明塑料上端蓋時，還要注意導電性能參數，電阻參數值應按照認證標準執行表面絕緣電阻，這種材料比較常見可以聯系塑料方面的廠商獲得。注塑成形過程中，收縮率要予以考慮，防止尺寸偏離過大，這方面一般會有相應的標準，而在設計過程中，需要考慮指示零件與傳動軸以及透明端蓋頂針部位的間隙配合。

2 殼體設計

空氣傳動執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，另一方面又保護這些電氣元件免受腐蝕物質與導電物質的侵蝕。在殼體結構設計方面，要進行“滴水流線”方面的設計，即當水等液體滴在空氣傳動執行器指示裝置上面的時候，液體能夠自然流淌下去，不會長時間積聚在表面，腐蝕或者浸泡空氣傳動執行器指示裝置殼體。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證機構，根據空氣傳動執行器指示裝置容積不超過3 L，測定參考壓力并提出的要求來進行擬定。

2.1 上殼體組件

上殼體組件通常也是由2個零件在壓鑄過程中鑲嵌而成，這種巧妙的制造工藝，在節約成本的同時也加強了組件的可靠性。一般鑲嵌件為銅制零件，銅制零件耐磨損能力強。上殼體還要與指示部件進行接觸裝配，關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個零件在壓鑄過程中鑲嵌而成。一般鑲嵌件也是銅制零件，銅制零件耐磨損能力強。下殼體還要與支架進行接觸裝配，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度，不利于機械加工的進行。

2.3 基于ANSYS的殼體結構有限元分析

計算機技術的發展，為傳統工業領域帶來了新的技術研究開發方式，有限元技術結合計算機與數值分析技術，有效地降低了開發人員的計算工作量，并且提高了產品的開發效率，縮短了產品開發周期。對一些難以測定的區域，還能進行一定的定性趨勢分析。有限單元法是有限元技術時常提及的理念，將目標對象體或面或線，劃分成許多的單元進行分析。常規的有限元分析步驟大體有材料模型庫設置、邊界條件設置、網格劃分、幾何建模型、運行、有限元后處理等步驟。其中在設置材料模型參數時，對于常規材料參數，若模型庫中已存在，則可以直接調用進行估算；若模型庫中不存在這種材料模型參數，則需要實際測定或錄入相關參數值。邊界條件的設置，要接近實際應用工況，還要考慮計算對象所需主要數值等。幾何建模方面，ANSYS自帶了一些建模命令選項，可以使用這些命令選項進行簡單的建模，有些建模需要借助其他建模工具，通過ANSYS中CAD導入工具與接口導入其中，進行三維生成。若要進行數字化建模，以便于有限元分析優化技術進一步開展，則需要在主流3D設計工具象ProE中設置導入數值相關命令選項。

該文通過有限元分析方法與軟件，結合防爆認證規范標準，基于靜力學分析基本原理，對空氣傳動執行器指示裝置殼體承壓件進行力學分析。ANSYS是世界知名的有限元分析工具，它集成了多元領域的有限元分析軟件。它在靜力學分析領域，求解精度與結果都是相對較高，是優秀的工程分析軟件。ANSYS在結構力學領域的應用也比較廣泛，其界面集成了許多模塊。

2.3.1 殼體力學模擬前處理

幾何模型，可以通過ANSYS自帶的建模工具創建，也可以通過三維設計軟件繪制而成，然后導入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證機構，根據空氣傳動執行器指示裝置容積不超過3 L，測定參考壓力并提出的要求進行擬定的，并且要考慮材質工程數值分析與實際材料的安全系數問題，這里設置為2 MPa。殼體結構分析，其分析類型應屬靜力學分析，在設置網格方面可以選擇ANSYS中常規的四面體網格。承壓部位主要是鋁制部位，且鋁制部位強度不如銅制部位，結構模型簡化應考慮最危險的部位，逆向設計幾何草圖如圖1和圖2所示。

壓鑄鋁制材質的屈服強度：170 MPa，要輸入彈性模量值70 GPa，抗拉強度 230 MPa，泊松比值0.33，網格采用系統默認的靜力學網格劃分方法。邊界條件的設置，約束上下殼體端面的位移和固定螺栓孔，應盡可能接近實際的承壓實驗工況，以確保較高的分析精度。邊界條件設置多種多樣，相應的分析結果也會有所不同。上殼體的網格數量劃分為130 976，節點劃分為219 076，選擇光順的網格與節點生成方式。下殼體的網格數量劃分為117 247，節點劃分為197 761。

2.3.2 殼體力學模擬后處理與分析

后處理選項比較多，選擇相應的輸出選項，計算機將會計算相應的結果。靜力學結構應力分析，通常選擇等效應力作為主要參考應力。從空氣傳動執行器指示裝置上殼體承壓分析云圖中可以看出，等效應力的最大值在殼體內腔加強筋與頂端凸臺交界處，而最小等效應力在上殼體的平坦的側端面處，如圖3所示。

從空氣傳動執行器指示裝置下殼體承壓分析云圖4中可以看出，等效應力最大值在殼體內腔表面與接地凸臺交界處，而最小等效應力在下殼體的平坦的側端面處。去除尖銳的結合面或者增厚加強，避免應力集中，從而減少這些應力。然而根據現有的壓鑄條件與鋁件壓鑄裝備，厚度過大會出現內部不致密，經濟成本過大等問題。所以尋找合適的結構十分重要。

對鋁類的材質有限元分析的許用應力系數取0.62，因屈服應力為170 MPa，這里許用應力則為0.62×170 MPa等于105.4 MPa。上面的等效應力云圖所顯示的應力均小于該許用應力，因此該結構設計符合要求。

3 電氣元件結構布局

腔內的電氣元件設計方法不僅要參照電氣自動化設計標準外，還要參照電氣防爆方面的標準，2個方面的標準相結合，再加以現場的實際應用經驗。電氣控制設計應滿足電氣功能的需求。空氣傳動執行器指示裝置的功能主要是反饋流體控制閥位信號。內置機械式限位開關、連接器、線束、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準布置，還要考慮接地元件的設計布置，空氣傳動執行器指示裝置內腔與外表面都要預留接地元件。接地元件可以防止電荷的急劇產生不利的影響。除了上述問題外，相關型式實驗也要引起足夠重視，相關標準中列有，因此這里就不一一多余闡述了。

4 結語

目前國內具有相應資質的生產廠家不多，主要是以進口為主。該文從整體結構思路出發，對一種空氣傳動執行器指示裝置各個組成部分進行了分析，闡述了角行程儀表部件、上殼體組件、下殼體組件、腔內元件的設計特點，分析制造過程中注塑成形和金屬壓鑄過程的特點；研究了一種空氣傳動執行器指示裝置結構，利用CAE技術論證該結構的合理性，為進一步研究提供了一定的理論支撐。

參考文獻

[1]何慰祖.工程設計人員談電氣防爆標準[J].石油化工自動化，2002（1）：7-10，14.

[2]王文平，池成忠.塑料成型工藝與模具設計[M].北京：北京大學出版社，2005.

[3]駱枏生，許琳.金屬壓鑄工藝與模具設計[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]張益方，諸全興，候慧人，等.金屬切削手冊[M].上海：上海科學技術出版社，2011.

[5]中國國家標準化委員會.GB3836.1—2010， 設備通用要求[S].北京：中國標準出版社，2011.

[6]中國國家標準化委員會.GB3836.2—2010， 由隔爆外殼d保護的設備[S].北京：中國標準出版社，2011.

[7]中國國家標準化委員會.GB/T 15115—2009， 壓鑄鋁合金[S].北京：中國標準出版社，2009.

[8]蘇孜誠.壓鑄鋁制品結構的設計與優化[D].蘇州：蘇州大學，2012.