气动钉枪减振手柄优化设计及有限元分析

周瑞丽    毕向秋

（1. 浙江台州职业技术学院机电工程学院，台州318000；2. 浙江台州市大江实业有限公司，台州317500）

摘要：目前，气动工具减振手柄的设计已经引起了广泛的关注。本文就是以气钉枪为研究对象，通过对所设计的减振手柄进行水压测试，以有限元软件ANSYS Workbench 为计算平台，对其进行整枪振动加速度分析，为气钉枪减振手柄优化设计提供理论依据。

关键词：气动钉枪结构优化设计有限元法

1 引言

气钉枪在使用时，手柄处会产生冲击力，冲击力长时间作用，危害操作者身体健康。因此，对气钉枪减振手柄的设计已经引起了广泛关注。目前，国内主要采用在手柄处包一层橡胶材料的方法减振。但手柄处橡胶材料的厚度是有一定范围的，太大会加粗手柄，太小减振效果又不明显。因此，本文提出选择合适的皮套- 手柄配合结构来进行减振，并对所设计的结构进行模拟研究，为气钉枪减振手柄的设计提供理论指导。

2 减振手柄优化设计方案

气钉枪的手柄在设计时不仅要保证工作状态的强度要求，即保持高压气体在其内部的畅通，而且还要考虑操作者抓握的舒适性；皮套则既要与手柄外表面紧密配合，同时还要保证抓握舒适，能起到一定的减振作用。由此可见，在优化设计时，手柄和皮套的外观尺寸不能变动过大，同时，必须对改进后的手柄进行强度校核，以满足工作状态要求。

根据以上分析，在无法增加皮套整体厚度的情况下，可以考虑手柄表面设计不同数量的槽，同时皮套内表面设置相应数量的曲面台阶，以保证牢固配合，手柄与皮套其他部位的尺寸则与原始设计一致，就是通过增加皮套局部厚度，来增强减振效果。如图1-3 所示。

3 枪体高水压测试有限元分析

3.1 模型建立

对于修改后的皮套- 手柄结构，首先需要验证手柄有效厚度能否满足工作强度要求，再对修改后的结构进行整枪振动加速度分析。验证工作强度的方法是进行高水压测试。高水压测试主要针对气钉枪壳体（枪体、上铝盖、进气盖）进行，要求设计出的气钉枪壳体能通过下列测试：施加5 倍于最大工作气压的水压并保压3 分钟期间，气钉枪壳体不能出现破裂和漏水现象。本文只是对枪体手柄进行了改型设计，所以只对枪体特别是手柄部位进行高水压测试的有限元仿真，校核枪体结构是否满足高水压测试要求。

高水压测试的有限元分析采用静力学分析方法，几何模型如图1~3，枪体材料为压铸铝合金ZL104，给枪体内部所有承受高水压的表面施加4.2MPa 的压力边界条件，枪体外部与其它试验用辅助夹具配合处，施加位移约束边界条件。三种设计方案的枪体有限元模型如图4~6 所示。

3.2 分析结果

枪体高水压测试的有限元分析结果如表1 所示，应变结果如图10-12 所示。根据结果，可知最大应力和最大应变均出现在枪体的开关安装孔拐角附近，且手柄上槽的存在对手柄其他位置的应力应变分布存在影响。其中方案三整枪应力值最大，为65.984MPa，这一数值低于枪体所用材料的屈服强度。三种方案的枪体最大应变均介于0.0009~0.001mm/mm 之间，枪体整体应变量较小，在高水压测试中可保证密封性要求，不会出现漏水现象。又因高水压测试过程为近似静态过程，因此三种设计方案的枪体强度均能满足高水压测试要求。

4 整枪振动加速度的有限元求解

采用柔体动力学方法对三种设计方案的整枪振动加速度进行瞬态求解。三种设计方案的求解设置一致。在求解过程中，通过多个子步的设置，模拟冲击力作用于枪夹末端，在手柄位置引起的振动加速度大小。分别对三种结构方案的整枪模型进行了振动加速度及加速度均方根值计算。气钉枪手柄振动主要是通过食指中部传到人体，因此对三种减振方案在食指中部同一位置的振动加速度进行了对比，见表2。

5 结论

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，得出结论：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。