氣動釘槍減振手柄材料選擇及有限元分析

周瑞麗

（臺州職業技術學院機電工程學院， 浙江臺州318000）

摘要： 氣動釘槍手柄的振動會給操作者健康帶來極大危害。目前， 國產氣動釘槍在減振設計方面的研究十分有限。本文針對此問題， 以氣動釘槍為研究對象， 以有限元軟件ANSYS Workbench 為計算平臺， 對氣動釘槍減振手柄采用不同皮套材料時的整槍振動加速度進行分析， 為氣動釘槍減振手柄的材料選擇提供理論依據。

關鍵詞： 氣動釘槍， 材料， 振動， 加速度， 有限元法

中圖分類號： TP29 文獻標識碼： A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2009.06.046

引言

氣動釘槍屬于氣動沖擊式工具的一種， 它是利用空氣壓縮氣體作為動力， 使用省力、效率較高[1]。但氣動釘槍使用時產生的振動傷害操作者身體健康， 因此， 在充分發揮其效能的前提下， 應對其進行減振設計， 降低其振動水平。氣動工具一般是在手柄位置包一層減振材料， 氣動釘槍也用此方法減振。為保證其結構緊湊， 重量輕的特點， 粘接在手柄處的減振材料的厚度要在一定范圍內， 以免手柄過粗。要在有限的厚度內達到好的減振效果， 選擇合適的橡膠材料就變得尤為重要了。

1 減振用橡膠材料

減振手柄處的皮套多采用橡膠材料。橡膠材料的特點是既有高彈態又有高黏態、良好的減振、隔音和緩沖性能[2~4]。氣動釘槍減振手柄皮套一般選用丁腈橡膠，因為在諸多減振橡膠材料中， 它具有較大的損耗因子。所謂損耗因子是表示橡膠的滯后和內摩擦特性的參量，損耗因子越大， 減振效果越明顯。

本文根據所選用的橡膠材料性能特點及試驗條件，選用雙參數Mooney-Rivlin 模型， 作為減振手柄皮套的材料模型[5]。由于三種材料在具體的配方設計中有所不同， 材料性能也有差異。因此在材料性能定義中， 分別對三種橡膠材料進行單軸拉伸試驗， 獲得材料的應力應變數據如圖1~3 所示。

從圖中可以看出， 同樣應變下三種材料的拉伸應力逐漸增大， 也即橡膠材料逐漸“ 變硬” ， 材料1 最“軟”， 材料3 最“硬”。根據以上拉伸數據， 通過擬合獲得最終的材料性能參數。同時， 由于本文的分析針對整槍振動加速度進行， 因而求解中可忽略各次要零件之間的材料性能差異， 保持總質量一致及各零件質量分布與設計狀態一致既可。

2 整槍振動分析中幾何模型的簡化

本文運用Pro/E 軟件建立整槍幾何模型， 再通過ANSYS Workbench 的Simulation 模塊的鏈接功能，將幾何模型導入[6]。氣動釘槍主要由六個組件構成， 包括上鋁蓋組件、槍體組件、槍夾組件、進氣蓋組件、開關組件、保險組件。為簡化分析過程， 提高分析效率， 在有限元分析時需要對各組件進行相應簡化。對于與振動分析關系最為密切的槍體組件， 其中手柄、皮套等盡量保持原設計狀態； 對于槍體組件的其它零件， 則簡化槍體表面的細節特征， 依據質量分布等效原則進行簡化； 上鋁蓋、槍夾組件、進氣蓋組件因其在分析中對加速度分布將產生明顯影響， 所以對這三個組件作適當簡化， 保持質量分布等效； 開關組件是在開關組件的相應位置建立質量單元； 通過有一定厚度的圓環模擬手對手柄、皮套的抓握作用。

3 整槍振動加速度的有限元求解分析中整槍有限元模型如圖4 所示。為便于和ASM提出的振動測試標準進行比較， 本文采用Ansys Workbench提供的柔體動力學分析方法進行振動加速度分析。以皮套材料為主要變量參數， 討論皮套材料不同時， 手柄處的振動加速度大小， 以此計算結果分析不同皮套材料對整槍振動， 特別是對手柄振動的影響。根據氣動釘槍的實際工作狀態， 施加如下邊界條件。①槍夾組件底部伸出處施加沖擊力邊界條件， 試驗測得沖擊力最大值為500N， 持續作用時間約為0.01s； ②手的表面施加遠場位移邊界條件， 將手肘位置的位移約束為零， 不限制該位置的轉動； ③槍體組件、上鋁蓋組件、進氣蓋組件、槍夾組件之間的實際裝配狀態為牢固裝配， 設置為綁定接觸。皮套和手柄之間以及皮套和手之間則可能隨著沖擊力的發生而出現相對滑動或轉動， 因而可將這些零部件之間設置為摩擦接觸， 摩擦系數按實際接觸摩擦條件進行定義。

4 結果分析

采用柔體動力學方法對整槍裝配模型進行求解的過程中， 通過多個子步的設置， 模擬沖擊力作用于槍夾末端， 皮套厚度取常量1.0mm， 計算在手柄位置引起的振動加速度大小。表1 顯示了三種皮套材料下， 整槍振動加速度均方根值分布。

由表1 可以看出， 皮套材料的變化對傳遞到操作者手上的振動加速度大小會產生影響。三種材料中， 最“軟” 的1 號材料， 手柄相應抓握位置的振動加速度最??； 最“硬” 的3 號材料， 手柄相應抓握位置的振動加速度最大。也即手柄上的同一位置處， 隨著橡膠材料逐漸變“硬”， 傳遞到手上的振動加速度逐漸增大， 操作者感受到的振動觸感也越加明顯。

5 結論

本文用有限元方法對氣動釘槍進行了整槍振動加速度分析。結果表明， 不同皮套材料下， 手柄傳遞到操作者手上的振動加速度約為4000~6000mm/s2， 這與資料查得的3940 mm/s2 相比偏高， 但處于合理范圍內， 具有設計參考價值。根據分析結果可得出結論： 皮套所用材料對手柄傳遞到手上的振動加速度有所影響， 皮套所用的橡膠材料越“硬”， 手柄傳遞到手上的振動加速度越大，操作者感受到的振動觸感也越加明顯。實際使用中， 在材料加工狀態允許的條件下， 應該盡量選擇較“軟” 的橡膠材料作為減振手柄的皮套材料。由表1 可以看出， 皮套材料的變化對傳遞到操作者手上的振動加速度大小會產生影響。三種材料中， 最“軟” 的1 號材料， 手柄相應抓握位置的振動加速度最??； 最“硬” 的3 號材料， 手柄相應抓握位置的振動加速度最大。也即手柄上的同一位置處， 隨著橡膠材料逐漸變“硬”， 傳遞到手上的振動加速度逐漸增大， 操作者感受到的振動觸感也越加明顯。