气动钉枪减振手柄材料选择及有限元分析

周瑞丽

（台州职业技术学院机电工程学院， 浙江台州318000）

摘要： 气动钉枪手柄的振动会给操作者健康带来极大危害。目前， 国产气动钉枪在减振设计方面的研究十分有限。本文针对此问题， 以气动钉枪为研究对象， 以有限元软件ANSYS Workbench 为计算平台， 对气动钉枪减振手柄采用不同皮套材料时的整枪振动加速度进行分析， 为气动钉枪减振手柄的材料选择提供理论依据。

关键词： 气动钉枪， 材料， 振动， 加速度， 有限元法

中图分类号： TP29 文献标识码： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2009.06.046

引言

气动钉枪属于气动冲击式工具的一种， 它是利用空气压缩气体作为动力， 使用省力、效率较高[1]。但气动钉枪使用时产生的振动伤害操作者身体健康， 因此， 在充分发挥其效能的前提下， 应对其进行减振设计， 降低其振动水平。气动工具一般是在手柄位置包一层减振材料， 气动钉枪也用此方法减振。为保证其结构紧凑， 重量轻的特点， 粘接在手柄处的减振材料的厚度要在一定范围内， 以免手柄过粗。要在有限的厚度内达到好的减振效果， 选择合适的橡胶材料就变得尤为重要了。

1 减振用橡胶材料

减振手柄处的皮套多采用橡胶材料。橡胶材料的特点是既有高弹态又有高黏态、良好的减振、隔音和缓冲性能[2~4]。气动钉枪减振手柄皮套一般选用丁腈橡胶，因为在诸多减振橡胶材料中， 它具有较大的损耗因子。所谓损耗因子是表示橡胶的滞后和内摩擦特性的参量，损耗因子越大， 减振效果越明显。

本文根据所选用的橡胶材料性能特点及试验条件，选用双参数Mooney-Rivlin 模型， 作为减振手柄皮套的材料模型[5]。由于三种材料在具体的配方设计中有所不同， 材料性能也有差异。因此在材料性能定义中， 分别对三种橡胶材料进行单轴拉伸试验， 获得材料的应力应变数据如图1~3 所示。

从图中可以看出， 同样应变下三种材料的拉伸应力逐渐增大， 也即橡胶材料逐渐“ 变硬” ， 材料1 最“软”， 材料3 最“硬”。根据以上拉伸数据， 通过拟合获得最终的材料性能参数。同时， 由于本文的分析针对整枪振动加速度进行， 因而求解中可忽略各次要零件之间的材料性能差异， 保持总质量一致及各零件质量分布与设计状态一致既可。

2 整枪振动分析中几何模型的简化

本文运用Pro/E 软件建立整枪几何模型， 再通过ANSYS Workbench 的Simulation 模块的链接功能，将几何模型导入[6]。气动钉枪主要由六个组件构成， 包括上铝盖组件、枪体组件、枪夹组件、进气盖组件、开关组件、保险组件。为简化分析过程， 提高分析效率， 在有限元分析时需要对各组件进行相应简化。对于与振动分析关系最为密切的枪体组件， 其中手柄、皮套等尽量保持原设计状态； 对于枪体组件的其它零件， 则简化枪体表面的细节特征， 依据质量分布等效原则进行简化； 上铝盖、枪夹组件、进气盖组件因其在分析中对加速度分布将产生明显影响， 所以对这三个组件作适当简化， 保持质量分布等效； 开关组件是在开关组件的相应位置建立质量单元； 通过有一定厚度的圆环模拟手对手柄、皮套的抓握作用。

3 整枪振动加速度的有限元求解分析中整枪有限元模型如图4 所示。为便于和ASM提出的振动测试标准进行比较， 本文采用Ansys Workbench提供的柔体动力学分析方法进行振动加速度分析。以皮套材料为主要变量参数， 讨论皮套材料不同时， 手柄处的振动加速度大小， 以此计算结果分析不同皮套材料对整枪振动， 特别是对手柄振动的影响。根据气动钉枪的实际工作状态， 施加如下边界条件。①枪夹组件底部伸出处施加冲击力边界条件， 试验测得冲击力最大值为500N， 持续作用时间约为0.01s； ②手的表面施加远场位移边界条件， 将手肘位置的位移约束为零， 不限制该位置的转动； ③枪体组件、上铝盖组件、进气盖组件、枪夹组件之间的实际装配状态为牢固装配， 设置为绑定接触。皮套和手柄之间以及皮套和手之间则可能随着冲击力的发生而出现相对滑动或转动， 因而可将这些零部件之间设置为摩擦接触， 摩擦系数按实际接触摩擦条件进行定义。

4 结果分析

采用柔体动力学方法对整枪装配模型进行求解的过程中， 通过多个子步的设置， 模拟冲击力作用于枪夹末端， 皮套厚度取常量1.0mm， 计算在手柄位置引起的振动加速度大小。表1 显示了三种皮套材料下， 整枪振动加速度均方根值分布。

由表1 可以看出， 皮套材料的变化对传递到操作者手上的振动加速度大小会产生影响。三种材料中， 最“软” 的1 号材料， 手柄相应抓握位置的振动加速度最小； 最“硬” 的3 号材料， 手柄相应抓握位置的振动加速度最大。也即手柄上的同一位置处， 随着橡胶材料逐渐变“硬”， 传递到手上的振动加速度逐渐增大， 操作者感受到的振动触感也越加明显。

5 结论

本文用有限元方法对气动钉枪进行了整枪振动加速度分析。结果表明， 不同皮套材料下， 手柄传递到操作者手上的振动加速度约为4000~6000mm/s2， 这与资料查得的3940 mm/s2 相比偏高， 但处于合理范围内， 具有设计参考价值。根据分析结果可得出结论： 皮套所用材料对手柄传递到手上的振动加速度有所影响， 皮套所用的橡胶材料越“硬”， 手柄传递到手上的振动加速度越大，操作者感受到的振动触感也越加明显。实际使用中， 在材料加工状态允许的条件下， 应该尽量选择较“软” 的橡胶材料作为减振手柄的皮套材料。由表1 可以看出， 皮套材料的变化对传递到操作者手上的振动加速度大小会产生影响。三种材料中， 最“软” 的1 号材料， 手柄相应抓握位置的振动加速度最小； 最“硬” 的3 号材料， 手柄相应抓握位置的振动加速度最大。也即手柄上的同一位置处， 随着橡胶材料逐渐变“硬”， 传递到手上的振动加速度逐渐增大， 操作者感受到的振动触感也越加明显。