粟本強(qiáng)1，張平1，蘭洪強(qiáng)2

( 1． 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500; 2． 西南石油大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500)

摘要: 目前高壓鍋手把與連接塊之間沒(méi)有導(dǎo)向定位結(jié)構(gòu)，僅靠旋緊螺釘產(chǎn)生的力來(lái)得到固定，且在傾斜鍋體時(shí)僅靠摩擦力傳遞扭矩，這種結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生松動(dòng)。在對(duì)傳統(tǒng)高壓鍋手把的工作原理及缺點(diǎn)進(jìn)行大量分析研究后，研制了一種新型高壓鍋不松動(dòng)手把，通過(guò)嚙合力代替摩擦力，以增大扭矩，并對(duì)其進(jìn)行綜合性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型手把是一種不易松動(dòng)、壽命長(zhǎng)、適用性強(qiáng)的高壓鍋手把。

關(guān)鍵詞: 手把; 高壓鍋; 扭矩; 摩擦力

中圖分類(lèi)號(hào): TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1007 － 4414( 2012) 03 － 0115 － 03Research and development on a kind of no sliding pressure cooker hand shankSu Ben － qiang1，Zhang Ping1，Lan Hong － qiang2( 1． Mechanical and electrical engineering institute ，Southwest petroleum university，Chengdu Sichuan 610500，China;2． Ministry of education key laboratory of oil and natural gas equipment，Southwest petroleumuniversity，Chengdu Sichuan 610500，China)Abstract: For the pressure cooker，there is no guidance and fixing structure between the handlebar and the interlink． And it isfixed only depend on the forces by tightening the screws． When the pot is tilted，the torque is transmited just by friction． It iseasy to get loosened． Therefore a new kind of handles of pressure cooker is designed after a large number of analysis and researchon handles of the traditional pressure cooker． It can augment torque by meshing force instead of friction． After the comprehensiveperformance test，the new pressure cooker handle is proved to be stable，applicable and longevous．Key words: hand shank; pressure cooker; torque; friction

1 引言

高壓鍋是現(xiàn)代家庭的必備炊具之一。由于高壓鍋具有獨(dú)特的高溫高壓功能，從而大大縮短了時(shí)間，同時(shí)節(jié)約了能源［1］。用戶(hù)在使用高壓鍋的過(guò)程中，通過(guò)上手把和下手把的配合使用實(shí)現(xiàn)鍋體的旋轉(zhuǎn)開(kāi)合。在絕大多數(shù)家用高壓鍋中，鍋體與下手把之間均通過(guò)如圖1 所示的連接塊連接。

①連接塊的凸臺(tái)平面( 如圖1) 與手把內(nèi)凹面產(chǎn)生的摩擦力; ②手把與鍋體表面產(chǎn)生的摩擦力，由靜定原理可知，這兩種力只能存在一種。高壓鍋使用一段時(shí)間后，手把出現(xiàn)松動(dòng)，如圖2 所示，鍋體與手把之間出現(xiàn)間隙，兩者之間的摩擦力也就急劇減小，傳遞傾倒鍋內(nèi)物體所需反扭矩的能力也減小［2 － 3］。

2 傳統(tǒng)高壓鍋手把失效原理分析

在高壓鍋使用過(guò)程中，螺釘提供的預(yù)緊力對(duì)預(yù)防高壓鍋手把松動(dòng)起著至關(guān)重要的作用，因而首先分析螺釘在常溫和高溫下工作的區(qū)別。常溫下，由于存在預(yù)緊力，螺釘?shù)木o邊始終緊貼連接塊內(nèi)螺紋向外的邊，而松邊與連接塊內(nèi)螺紋向里的邊有間隙; 高溫下，由于螺釘、連接塊、手把的材質(zhì)不同，其熱膨脹系數(shù)也不相同。如果螺釘?shù)臒崤蛎浵禂?shù)大于連接塊的熱膨脹系數(shù)，螺釘?shù)木o邊與連接塊內(nèi)螺紋向外的邊會(huì)貼的更緊，同時(shí)螺釘?shù)乃蛇吪c連接塊內(nèi)螺紋向里的邊之間的間隙更小，甚至接觸，這種情況下，螺釘在高溫下會(huì)擰得更緊; 如果螺釘?shù)臒崤蛎浵禂?shù)小于連接塊的熱膨脹系數(shù)，螺釘?shù)木o邊與連接塊內(nèi)螺紋向外的邊之間的壓力會(huì)變小，但松邊與連接塊內(nèi)螺紋向里的邊之間的接觸壓力會(huì)增大，這種情況會(huì)使螺釘在高溫下變松。在由高溫到低溫的過(guò)程中，無(wú)論是螺釘、連接塊，還是手把都不可能回到原始的狀態(tài)，因而，第一種情況下，螺釘?shù)念A(yù)緊力會(huì)小于高溫下的預(yù)緊力，第二種情況下，螺釘?shù)念A(yù)緊力會(huì)小于原始常溫下的預(yù)緊力。無(wú)論是哪種情況，螺釘在使用過(guò)程中都會(huì)變松。

在使用過(guò)程中，螺釘正壓力的大小直接影響鍋體自身重量及鍋體傾斜( 將要倒出鍋內(nèi)物體) 時(shí)傳遞的扭矩，甚至?xí)率孤葆斖饴菁y與連接塊上的內(nèi)螺紋之間產(chǎn)生松動(dòng)。如果此時(shí)正壓力產(chǎn)生的摩擦力矩大于倒出鍋內(nèi)物體所需的扭矩，則手把處于不松動(dòng)狀態(tài);如果正壓力產(chǎn)生的摩擦力矩小于倒出鍋內(nèi)物體所需的扭矩，則手把會(huì)松動(dòng)。手把松動(dòng)后，若沒(méi)有用工具及時(shí)將螺釘擰緊，就會(huì)導(dǎo)致螺紋間長(zhǎng)期松動(dòng)而使螺紋失效。下手把甚至?xí)芈菁y中心旋轉(zhuǎn)，給使用者帶來(lái)很大不便。高壓鍋手把結(jié)構(gòu)的缺陷而導(dǎo)致手把松動(dòng)，使得高壓鍋除了存在內(nèi)壓高的安全隱患外，還存在下手把脫離連接塊、鍋體傾翻燙傷用戶(hù)的安全隱患。綜上所述，傳統(tǒng)高壓鍋手把結(jié)構(gòu)存在以下不足。

( 1) 下手把與連接塊之間僅靠旋緊螺釘產(chǎn)生的力來(lái)得到固定。其連接塊上內(nèi)螺紋與螺釘外螺紋由于溫度變化，材料熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生間隙，從而引起松動(dòng)。

( 2) 下手把與連接塊之間沒(méi)有導(dǎo)向定位結(jié)構(gòu)。

( 3) 下手把凹槽與連接塊凸臺(tái)之間的配合有間隙，在傾斜鍋體傾倒物體時(shí)，僅靠鍋體與手把之間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞扭矩是不夠的，手把的旋轉(zhuǎn)又使得螺釘快速松動(dòng)，這是手把松動(dòng)的主要原因。

3 手把結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了克服傳統(tǒng)高壓鍋手把以上不足，同時(shí)滿足不同條件下( 民用、醫(yī)用、軍用) 使用的高壓鍋，現(xiàn)在通過(guò)改變力的作用原理，在傳統(tǒng)高壓鍋手把結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以嚙合力來(lái)替代摩擦力，從而達(dá)到增大傳遞扭矩的目的。在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)實(shí)際生活中存在的各種大小的高壓鍋，做出了小、中、大三種型號(hào)的新型高壓鍋連接塊的設(shè)計(jì)。

3． 1 小型高壓鍋手把結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)小型高壓鍋手把寬度小的特點(diǎn)，在盡可能小的寬度尺寸中傳遞盡可能大的反扭矩，做出了如圖3 的適用于小型高壓鍋的新型手把設(shè)計(jì)［4］。在原有設(shè)計(jì)思想不變的基礎(chǔ)上，以傳統(tǒng)連接塊為基礎(chǔ)，將其凸臺(tái)向兩側(cè)縱向延長(zhǎng)，使得連接塊自身呈現(xiàn)出“十”字形結(jié)構(gòu)，在凸臺(tái)伸出部分的四個(gè)側(cè)面上對(duì)稱(chēng)地設(shè)計(jì)了一定錐度( 15° ～ 20°) 的斜面。此連接塊尺寸較小，可用于普通家庭較小尺寸的高壓鍋。其結(jié)構(gòu)如圖3( a) 所示，成品模型如圖3( b) 所示。由圖3( a) 可看出，凸臺(tái)兩端伸出部分有錐度，若手把內(nèi)部也設(shè)計(jì)為與之對(duì)應(yīng)的帶錐度的凹槽，則它就可以很容易地與連接塊對(duì)準(zhǔn)。一旦用于安裝則會(huì)自動(dòng)卡緊，使得其力的性質(zhì)不再是摩擦力，而是嚙合力( 類(lèi)似于齒輪) ，從而增大力矩，達(dá)到防松的目的。

3． 2 中型高壓鍋手把結(jié)構(gòu)__

在原有設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，以傳統(tǒng)連接塊為基礎(chǔ)，將帶有錐度( 15° ～ 20°) 的斜面直接做在傳統(tǒng)連接塊的兩端，手把對(duì)應(yīng)兩端做成帶相同錐度的凹槽。其結(jié)構(gòu)如圖4( a) 所示，成品模型如圖4( b) 所示。由圖4( a) 可以看出，新型手把結(jié)構(gòu)不改變傳統(tǒng)高壓鍋手把的外觀形狀與尺寸，只需設(shè)計(jì)與新型連接塊相適應(yīng)的手把內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而在不改變高壓鍋手把原有外觀的條件下，使用該連接塊與手把的配合就可以達(dá)到高壓鍋體與手把不松動(dòng)的目的。該結(jié)構(gòu)在與手把連接時(shí)主要的力為它與手把的嚙合力，同時(shí)也有螺釘?shù)念A(yù)緊力。該結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、易加工、安裝方便等特點(diǎn)，適用于普通家庭較大尺寸的高壓鍋。

3． 3 大型高壓鍋手把結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)連接塊的凸臺(tái)上添加一對(duì)對(duì)稱(chēng)的凹槽，凹槽以一定的錐度延伸到連接塊的上表面。其結(jié)構(gòu)如圖5( a) 所示，成品模型如圖5( b) 所示。圖5 大型高壓鍋新型手把結(jié)構(gòu)圖和成品模型圖由圖5( a) 可以看出凹槽有錐度，若手把的內(nèi)部也設(shè)計(jì)為與之對(duì)應(yīng)的帶錐度的凸叉，則它就可以很容易地與連接塊對(duì)準(zhǔn)，用于安裝之后會(huì)自動(dòng)卡緊，使得其力的性質(zhì)不再是摩擦力，而是嚙合力，從而使力矩增大，達(dá)到防松的目的。此連接塊尺寸稍大，適用于醫(yī)用消毒、部隊(duì)做飯用的大尺寸高壓鍋。

4 兩種結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

通過(guò)上面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出，這三種結(jié)構(gòu)采用的原理相同，均在原連接塊的基礎(chǔ)上增加了斜面，改變了手把所傳遞力矩的性質(zhì)，不是原來(lái)的摩擦力矩，而是手把和連接塊斜面的嚙合力與螺釘中心的距離產(chǎn)生的力矩來(lái)傳遞鍋體傾倒時(shí)需要的扭矩。為便于分析，現(xiàn)在選第二種手把結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)手把結(jié)構(gòu)作對(duì)比，分析如下。

4． 1 傳統(tǒng)手把結(jié)構(gòu)性能分析

由圖1 和圖2 可知，圖2 情況產(chǎn)生的摩擦力矩大于圖1 產(chǎn)生的摩擦力矩，因而選擇圖2 進(jìn)行下一步分析即可。在不傾倒物體的情況下，其手把受力如圖6和圖7( 假設(shè)手把指向鍋體中心方向?yàn)檩S向，垂直于該方向?yàn)閺较?，下?span lang="EN-US">) 。在傾倒物體時(shí)，整個(gè)手把所傳遞的扭矩為:

T = Σf·FN·ri

根據(jù)三點(diǎn)穩(wěn)定原理，取其中提供扭矩最大的三點(diǎn)為參照，可得:

Tmax≈3f·F0 槡a2 + b2 ( 1)

查閱資料得到手把與鍋體之間摩擦系數(shù)f = 0． 03～ 0． 30。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析知，隨著高壓鍋使用時(shí)間t 的延長(zhǎng)，手把與鍋體之間出現(xiàn)松動(dòng)，正壓力FN逐漸減小，其傳遞的扭矩T 變化如圖8 所示。

4． 2 新型手把結(jié)構(gòu)性能分析

該結(jié)構(gòu)通過(guò)手把與連接塊的嚙合力傳遞傾倒物體所需要的扭矩。在不傾倒物體的情況下，其手把受力如圖9 和圖10 所示。在傾倒物體時(shí)，整個(gè)手把所傳遞的扭矩:

T = 2Fy × r

Fy = F0 /( 4·tanα)

0．  68F0 ＜ Fy ＜ 0． 93F0

由式( 1) 、( 2) 的對(duì)比可以看出，在最初階段，新型手把結(jié)構(gòu)所能傳遞的扭矩約為傳統(tǒng)手把的1 ～ 1． 5倍。由于新型高壓鍋手把傳遞的扭矩T 與摩擦系數(shù)無(wú)關(guān)，隨著高壓鍋使用時(shí)間t 的延長(zhǎng)，即使手把與鍋體之間出現(xiàn)松動(dòng)，預(yù)緊力F0減小，其傳遞的扭矩T 也不會(huì)受太大影響，其變化關(guān)系如圖11 所示。

5 結(jié)論

從以上的分析和圖12 對(duì)比可看出，傳統(tǒng)高壓鍋手把在使用過(guò)程中，僅靠摩擦力傳遞扭矩是不夠的，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其所能傳遞的扭矩急劇減小，甚至一段時(shí)間后，只能靠更換手把，才能繼續(xù)使用。新型高壓鍋手把結(jié)構(gòu)完全改變了以摩擦力傳遞扭矩的方式，通過(guò)嚙合力傳遞扭矩，其傳遞的扭矩較摩擦力有所增大，尤其是在使用一段時(shí)間過(guò)后，新型高壓鍋手把傳遞扭矩的能力遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)手把。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，手把傳遞扭矩的能力下降幅度不大，使用壽命也較傳統(tǒng)手把大大增加。該新型手把是一種不易松動(dòng)、傳遞扭矩大、壽命長(zhǎng)、適用性強(qiáng)的高壓