一种新型空气传动执行器指示装置技术研究

郝健

摘 要：该文对一种新型空气传动执行机构指示装置结构进行技术研究，分析角行程仪表部件、上壳体组件、下壳体组件、腔内元件的结构设计特点。分析其关键零件制造过程中，注塑成形技术和金属压铸过程技术的特点。研究一款相应的装置结构，并建立有限元分析模型，论证其结构的合理性，有利于工程技术人员进行进一步地研究与开发。

关键词：仪表；机械；开关；空气传动执行器

中图分类号：TH85+1 文献标志码：A

0 引言

空气传动执行器使用广泛，它可以有效防止电气火花外露所引起的破坏装置现象。该文研究的空气传动执行器指示装置主要是用来进行流体控制，许多非易燃易爆的能源领域的流体控制设备会配上这个产品，与常规的空气传动执行器指示装置不同，该装置零件多，结构相对复杂。目前国内具有相应资质的生产厂家不多，主要以进口为主。该文研究了一款韩国YTC品牌空气传动执行器指示装置，分析制造过程中，注塑成形和金属压铸过程特点。研究一款壳体结构，并建立其有限元分析模型，论证其结构的合理性，有利于国内自动化流体控制工程设计人员进一步研究。

1 角行程显示仪表部件

仪是指供测量、绘图、实验用的器具；表是指计量某种量的器具。仪表是指各种测定仪。仪表可以表征需要测定的某种量。在工业自动化控制中，仪表具有非常重要的作用。该文所研究的指示部件主要是为了让控制室或者现场操作人员能够直接地看到开关的显示状态，可以改装为信号反馈元件。这部分通常采用透明的塑料作上端盖；而指示部分通常采用有颜色的塑料材质，红色的CLOSE字样表示关位，绿色的OPEN字样表示开位；在主要部件之间，设计的黑色遮罩，遮挡暂不需要显示的部位。

透明塑料上端盖盖住整个指示零件，并且与金属壳体构成一个密封空间，阻挡灰尘进入指示部位污染零件。这个密封空间同时还要阻挡空气中的水分等其他物质进入，一方面防止导电物质与粉尘进入该传动装置中，另一方面预防腐蚀性物质进入传动轴部位腐蚀金属部件。从装配成的产品来看，密封件似乎是对称的、非常规形状的非金属零件，然而当拆卸下产品后发现这个密封元件其实就是普通的“O”型圈，而密封槽由非常规的沟槽组成。

在进行电气设备设计时，要考虑防止其使用过程中由于静电电荷引起的燃烧危险。因此，设计透明塑料上端盖时，还要注意导电性能参数，电阻参数值应按照认证标准执行表面绝缘电阻，这种材料比较常见可以联系塑料方面的厂商获得。注塑成形过程中，收缩率要予以考虑，防止尺寸偏离过大，这方面一般会有相应的标准，而在设计过程中，需要考虑指示零件与传动轴以及透明端盖顶针部位的间隙配合。

2 壳体设计

空气传动执行器壳体是指示装置的主要承载部件，它们一方面为电气元件提供了足够的安装空间，另一方面又保护这些电气元件免受腐蚀物质与导电物质的侵蚀。在壳体结构设计方面，要进行“滴水流线”方面的设计，即当水等液体滴在空气传动执行器指示装置上面的时候，液体能够自然流淌下去，不会长时间积聚在表面，腐蚀或者浸泡空气传动执行器指示装置壳体。这里的壳体涉及上下壳体组件，而所承受压力是参照防爆认证机构，根据空气传动执行器指示装置容积不超过3 L，测定参考压力并提出的要求来进行拟定。

2.1 上壳体组件

上壳体组件通常也是由2个零件在压铸过程中镶嵌而成，这种巧妙的制造工艺，在节约成本的同时也加强了组件的可靠性。一般镶嵌件为铜制零件，铜制零件耐磨损能力强。上壳体还要与指示部件进行接触装配，关键的部位就是密封部位，要引起足够的重视。

2.2 下壳体组件

下壳体组件通常也是由2个零件在压铸过程中镶嵌而成。一般镶嵌件也是铜制零件，铜制零件耐磨损能力强。下壳体还要与支架进行接触装配，因此要保留一定的装配空间。壳体基本上是由压铸工艺制造而成的，要保留一定的拔模角，否则脱模困难，容易造成外观缺陷，从而影响壳体美观和强度，不利于机械加工的进行。

2.3 基于ANSYS的壳体结构有限元分析

计算机技术的发展，为传统工业领域带来了新的技术研究开发方式，有限元技术结合计算机与数值分析技术，有效地降低了开发人员的计算工作量，并且提高了产品的开发效率，缩短了产品开发周期。对一些难以测定的区域，还能进行一定的定性趋势分析。有限单元法是有限元技术时常提及的理念，将目标对象体或面或线，划分成许多的单元进行分析。常规的有限元分析步骤大体有材料模型库设置、边界条件设置、网格划分、几何建模型、运行、有限元后处理等步骤。其中在设置材料模型参数时，对于常规材料参数，若模型库中已存在，则可以直接调用进行估算；若模型库中不存在這种材料模型参数，则需要实际测定或录入相关参数值。边界条件的设置，要接近实际应用工况，还要考虑计算对象所需主要数值等。几何建模方面，ANSYS自带了一些建模命令选项，可以使用这些命令选项进行简单的建模，有些建模需要借助其他建模工具，通过ANSYS中CAD导入工具与接口导入其中，进行三维生成。若要进行数字化建模，以便于有限元分析优化技术进一步开展，则需要在主流3D设计工具象ProE中设置导入数值相关命令选项。

该文通过有限元分析方法与软件，结合防爆认证规范标准，基于静力学分析基本原理，对空气传动执行器指示装置壳体承压件进行力学分析。ANSYS是世界知名的有限元分析工具，它集成了多元领域的有限元分析软件。它在静力学分析领域，求解精度与结果都是相对较高，是优秀的工程分析软件。ANSYS在结构力学领域的应用也比较广泛，其界面集成了许多模块。

2.3.1 壳体力学模拟前处理

几何模型，可以通过ANSYS自带的建模工具创建，也可以通过三维设计软件绘制而成，然后导入ANSYS中，这里的壳体涉及上下壳体组件，而所承受压力是参照防爆认证机构，根据空气传动执行器指示装置容积不超过3 L，测定参考压力并提出的要求进行拟定的，并且要考虑材质工程数值分析与实际材料的安全系数问题，这里设置为2 MPa。壳体结构分析，其分析类型应属静力学分析，在设置网格方面可以选择ANSYS中常规的四面体网格。承压部位主要是铝制部位，且铝制部位强度不如铜制部位，结构模型简化应考虑最危险的部位，逆向设计几何草图如图1和图2所示。

压铸铝制材质的屈服强度：170 MPa，要输入弹性模量值70 GPa，抗拉强度 230 MPa，泊松比值0.33，网格采用系统默认的静力学网格划分方法。边界条件的设置，约束上下壳体端面的位移和固定螺栓孔，应尽可能接近实际的承压实验工况，以确保较高的分析精度。边界条件设置多种多样，相应的分析结果也会有所不同。上壳体的网格数量划分为130 976，节点划分为219 076，选择光顺的网格与节点生成方式。下壳体的网格数量划分为117 247，节点划分为197 761。

2.3.2 壳体力学模拟后处理与分析

后处理选项比较多，选择相应的输出选项，计算机将会计算相应的结果。静力学结构应力分析，通常选择等效应力作为主要参考应力。从空气传动执行器指示装置上壳体承压分析云图中可以看出，等效应力的最大值在壳体内腔加强筋与顶端凸台交界处，而最小等效应力在上壳体的平坦的侧端面处，如图3所示。

从空气传动执行器指示装置下壳体承压分析云图4中可以看出，等效应力最大值在壳体内腔表面与接地凸台交界处，而最小等效应力在下壳体的平坦的侧端面处。去除尖锐的结合面或者增厚加强，避免应力集中，从而减少这些应力。然而根据现有的压铸条件与铝件压铸装备，厚度过大会出现内部不致密，经济成本过大等问题。所以寻找合适的结构十分重要。

对铝类的材质有限元分析的许用应力系数取0.62，因屈服应力为170 MPa，这里许用应力则为0.62×170 MPa等于105.4 MPa。上面的等效应力云图所显示的应力均小于该许用应力，因此该结构设计符合要求。

3 电气元件结构布局

腔内的电气元件设计方法不仅要参照电气自动化设计标准外，还要参照电气防爆方面的标准，2个方面的标准相结合，再加以现场的实际应用经验。电气控制设计应满足电气功能的需求。空气传动执行器指示装置的功能主要是反馈流体控制阀位信号。内置机械式限位开关、连接器、线束、卡圈及弹簧等元件，利用有限的空间布置这些电气元件，控制爬电间隙，各电气元件安装位置都要按照标准布置，还要考虑接地元件的设计布置，空气传动执行器指示装置内腔与外表面都要预留接地元件。接地元件可以防止电荷的急剧产生不利的影响。除了上述问题外，相关型式实验也要引起足夠重视，相关标准中列有，因此这里就不一一多余阐述了。

4 结语

目前国内具有相应资质的生产厂家不多，主要是以进口为主。该文从整体结构思路出发，对一种空气传动执行器指示装置各个组成部分进行了分析，阐述了角行程仪表部件、上壳体组件、下壳体组件、腔内元件的设计特点，分析制造过程中注塑成形和金属压铸过程的特点；研究了一种空气传动执行器指示装置结构，利用CAE技术论证该结构的合理性，为进一步研究提供了一定的理论支撑。

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