粟本強1，張平1，蘭洪強2

( 1． 西南石油大學機電工程學院，四川成都610500; 2． 西南石油大學教育部重點實驗室，四川成都610500)

摘要: 目前高壓鍋手把與連接塊之間沒有導向定位結構，僅靠旋緊螺釘產生的力來得到固定，且在傾斜鍋體時僅靠摩擦力傳遞扭矩，這種結構容易產生松動。在對傳統(tǒng)高壓鍋手把的工作原理及缺點進行大量分析研究后，研制了一種新型高壓鍋不松動手把，通過嚙合力代替摩擦力，以增大扭矩，并對其進行綜合性能實驗，實驗結果表明，該新型手把是一種不易松動、壽命長、適用性強的高壓鍋手把。

關鍵詞: 手把; 高壓鍋; 扭矩; 摩擦力

中圖分類號: TH16 文獻標識碼: A 文章編號: 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

高壓鍋是現代家庭的必備炊具之一。由于高壓鍋具有獨特的高溫高壓功能，從而大大縮短了時間，同時節(jié)約了能源［1］。用戶在使用高壓鍋的過程中，通過上手把和下手把的配合使用實現鍋體的旋轉開合。在絕大多數家用高壓鍋中，鍋體與下手把之間均通過如圖1 所示的連接塊連接。

①連接塊的凸臺平面( 如圖1) 與手把內凹面產生的摩擦力; ②手把與鍋體表面產生的摩擦力，由靜定原理可知，這兩種力只能存在一種。高壓鍋使用一段時間后，手把出現松動，如圖2 所示，鍋體與手把之間出現間隙，兩者之間的摩擦力也就急劇減小，傳遞傾倒鍋內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

在高壓鍋使用過程中，螺釘提供的預緊力對預防高壓鍋手把松動起著至關重要的作用，因而首先分析螺釘在常溫和高溫下工作的區(qū)別。常溫下，由于存在預緊力，螺釘的緊邊始終緊貼連接塊內螺紋向外的邊，而松邊與連接塊內螺紋向里的邊有間隙; 高溫下，由于螺釘、連接塊、手把的材質不同，其熱膨脹系數也不相同。如果螺釘的熱膨脹系數大于連接塊的熱膨脹系數，螺釘的緊邊與連接塊內螺紋向外的邊會貼的更緊，同時螺釘的松邊與連接塊內螺紋向里的邊之間的間隙更小，甚至接觸，這種情況下，螺釘在高溫下會擰得更緊; 如果螺釘的熱膨脹系數小于連接塊的熱膨脹系數，螺釘的緊邊與連接塊內螺紋向外的邊之間的壓力會變小，但松邊與連接塊內螺紋向里的邊之間的接觸壓力會增大，這種情況會使螺釘在高溫下變松。在由高溫到低溫的過程中，無論是螺釘、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，螺釘的預緊力會小于高溫下的預緊力，第二種情況下，螺釘的預緊力會小于原始常溫下的預緊力。無論是哪種情況，螺釘在使用過程中都會變松。

在使用過程中，螺釘正壓力的大小直接影響鍋體自身重量及鍋體傾斜( 將要倒出鍋內物體) 時傳遞的扭矩，甚至會致使螺釘外螺紋與連接塊上的內螺紋之間產生松動。如果此時正壓力產生的摩擦力矩大于倒出鍋內物體所需的扭矩，則手把處于不松動狀態(tài);如果正壓力產生的摩擦力矩小于倒出鍋內物體所需的扭矩，則手把會松動。手把松動后，若沒有用工具及時將螺釘擰緊，就會導致螺紋間長期松動而使螺紋失效。下手把甚至會沿螺紋中心旋轉，給使用者帶來很大不便。高壓鍋手把結構的缺陷而導致手把松動，使得高壓鍋除了存在內壓高的安全隱患外，還存在下手把脫離連接塊、鍋體傾翻燙傷用戶的安全隱患。綜上所述，傳統(tǒng)高壓鍋手把結構存在以下不足。

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

( 2) 下手把與連接塊之間沒有導向定位結構。

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

3 手把結構的改進設計

為了克服傳統(tǒng)高壓鍋手把以上不足，同時滿足不同條件下( 民用、醫(yī)用、軍用) 使用的高壓鍋，現在通過改變力的作用原理，在傳統(tǒng)高壓鍋手把結構的基礎上進行改進設計，以嚙合力來替代摩擦力，從而達到增大傳遞扭矩的目的。在此設計的基礎上，為了適應實際生活中存在的各種大小的高壓鍋，做出了小、中、大三種型號的新型高壓鍋連接塊的設計。

3． 1 小型高壓鍋手把結構

為了適應小型高壓鍋手把寬度小的特點，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計［4］。在原有設計思想不變的基礎上，以傳統(tǒng)連接塊為基礎，將其凸臺向兩側縱向延長，使得連接塊自身呈現出“十”字形結構，在凸臺伸出部分的四個側面上對稱地設計了一定錐度( 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。其結構如圖3( a) 所示，成品模型如圖3( b) 所示。由圖3( a) 可看出，凸臺兩端伸出部分有錐度，若手把內部也設計為與之對應的帶錐度的凹槽，則它就可以很容易地與連接塊對準。一旦用于安裝則會自動卡緊，使得其力的性質不再是摩擦力，而是嚙合力( 類似于齒輪) ，從而增大力矩，達到防松的目的。

3． 2 中型高壓鍋手把結構__

在原有設計思想的基礎上，以傳統(tǒng)連接塊為基礎，將帶有錐度( 15° ～ 20°) 的斜面直接做在傳統(tǒng)連接塊的兩端，手把對應兩端做成帶相同錐度的凹槽。其結構如圖4( a) 所示，成品模型如圖4( b) 所示。由圖4( a) 可以看出，新型手把結構不改變傳統(tǒng)高壓鍋手把的外觀形狀與尺寸，只需設計與新型連接塊相適應的手把內部結構，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到高壓鍋體與手把不松動的目的。該結構在與手把連接時主要的力為它與手把的嚙合力，同時也有螺釘的預緊力。該結構具有簡單、實用、易加工、安裝方便等特點，適用于普通家庭較大尺寸的高壓鍋。

3． 3 大型高壓鍋手把結構

在傳統(tǒng)連接塊的凸臺上添加一對對稱的凹槽，凹槽以一定的錐度延伸到連接塊的上表面。其結構如圖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構圖和成品模型圖由圖5( a) 可以看出凹槽有錐度，若手把的內部也設計為與之對應的帶錐度的凸叉，則它就可以很容易地與連接塊對準，用于安裝之后會自動卡緊，使得其力的性質不再是摩擦力，而是嚙合力，從而使力矩增大，達到防松的目的。此連接塊尺寸稍大，適用于醫(yī)用消毒、部隊做飯用的大尺寸高壓鍋。

4 兩種結構的力學分析

通過上面的結構設計可以看出，這三種結構采用的原理相同，均在原連接塊的基礎上增加了斜面，改變了手把所傳遞力矩的性質，不是原來的摩擦力矩，而是手把和連接塊斜面的嚙合力與螺釘中心的距離產生的力矩來傳遞鍋體傾倒時需要的扭矩。為便于分析，現在選第二種手把結構和傳統(tǒng)手把結構作對比，分析如下。

4． 1 傳統(tǒng)手把結構性能分析

由圖1 和圖2 可知，圖2 情況產生的摩擦力矩大于圖1 產生的摩擦力矩，因而選擇圖2 進行下一步分析即可。在不傾倒物體的情況下，其手把受力如圖6和圖7( 假設手把指向鍋體中心方向為軸向，垂直于該方向為徑向，下同) 。在傾倒物體時，整個手把所傳遞的扭矩為:

T = Σf·FN·ri

根據三點穩(wěn)定原理，取其中提供扭矩最大的三點為參照，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f = 0． 03～ 0． 30。通過實驗分析知，隨著高壓鍋使用時間t 的延長，手把與鍋體之間出現松動，正壓力FN逐漸減小，其傳遞的扭矩T 變化如圖8 所示。

4． 2 新型手把結構性能分析

該結構通過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，整個手把所傳遞的扭矩:

T = 2Fy × r

Fy = F0 /( 4·tanα)

0．  68F0 ＜ Fy ＜ 0． 93F0

由式( 1) 、( 2) 的對比可以看出，在最初階段，新型手把結構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 與摩擦系數無關，隨著高壓鍋使用時間t 的延長，即使手把與鍋體之間出現松動，預緊力F0減小，其傳遞的扭矩T 也不會受太大影響，其變化關系如圖11 所示。

5 結論

從以上的分析和圖12 對比可看出，傳統(tǒng)高壓鍋手把在使用過程中，僅靠摩擦力傳遞扭矩是不夠的，隨著使用時間的延長，其所能傳遞的扭矩急劇減小，甚至一段時間后，只能靠更換手把，才能繼續(xù)使用。新型高壓鍋手把結構完全改變了以摩擦力傳遞扭矩的方式，通過嚙合力傳遞扭矩，其傳遞的扭矩較摩擦力有所增大，尤其是在使用一段時間過后，新型高壓鍋手把傳遞扭矩的能力遠超過傳統(tǒng)手把。隨著使用時間的延長，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、傳遞扭矩大、壽命長、適用性強的高壓