一种F型扳手的创新设计及应用性评价

王春林 王春雨

摘要：F型扳手是阀门启闭的常用工具之一，在操作过程中，存在操作不连续、手部动作程序多等问题，影响操作安全和工作效率.本文运用创新设计方法对F型扳手提出了改进方案，提高该工具的操作性，减少操作流程，具有较好的使用价值.

关键词：F型扳手;创新设计;应用性评价

中图分类号：TH122;TU69  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）04-0087-05

1 设计背景

电力生产的运行、调整等工作过程中，经常用到F型扳手操作.传统的F型扳手为由一根纵向主杆体及固定连接于主杆体上部的两根横向的扳头杆体构成的“F”形结构件，主杆体的下部设置有手柄.使用时，手握手柄，将扳头插入手动阀门的手轮内，推动手柄实现开关阀门.然而，作业人员操作传统F型扳手开关阀门的过程中，需要不断变换角度推动手柄，在推动一段距离后，还需要松开手，变换握持手柄的方向，再次握紧手柄继续操作，整个操作过程较为不便，作业效率较低，松手变换握持手柄方向的间歇手柄有时会掉落，带来安全隐患.同时在阀门全开全关位置，由于操作手柄较长、操作力矩较大如果操作不当，容易损坏阀门密封件.

由于F型扳手的应用广泛，使用频率高，提高F型扳手的使用效率、降低安全隐患对生产实际工作具有重大意义[1].

2 设计思路

2.1 基本设计过程

按照创新设计的过程进行总体的技术方案改造设计[2]：从既有的F型扳手的结构特征进行总结，根据现场使用人员的动作过程分解，分析出技术动作的基本特征和总体过程，再把影响工作的动作过程进行总结，提出可行的工具改造方案或操作过程优化方案[3]，选定方案后，进行方案目标解决的分析和使用感受的主观评价，最后得出该设计的综合评价和设计结论[4].如图1所示.

3 F型扳手的设计方案及技术说明

3.1 根据F型扳手的动作过程分析，形成工具使用效率的问题有：

①动作连续性不高，一次发力动作以后，需要重新调整，可能还需要换手，存在工具跌落的隐患;

②使用及发力动作空间受限制，某些位置操作困难，如图2.

③阀门和扳手配合不便，加上阀门的操作力矩较大，阀门开关行程较长，造成阀门开关时间长;

④某些管道温度较高，操作时间与操作人员的体力呈反比，对大尺寸的阀门操作影响更多.

3.2 F-C扳手结构

为了克服现有技术存在的不足，提供一种操作更加方便、作业效率较高、安全性更高的F-C型扳手.通过以下技术措施进行工具改造：

F-C型扳手，沿用了传统F型扳手的主体结构，设计上在传统F扳手的把手处加以改良：将传统把手设置成为可变换操作型多用途把手并在把手尾部设置挂环，为防止操作中扳手滑落，扳手手柄处设计了防滑花纹[5].

在工器具的日常存放、以及常用较短行程操作中可变换操作手柄与原扳手手柄成一条直线，且通过螺纹连接、销钉固定，使其隐藏在传统手柄中.此时可以进行简单、短行程的阀门操作.

当操作阀门行程较长时，操作人员将可变操作手柄旋出并通过销钉固定使把手呈“C”字型.传统把手变为“摇把”方便操作人员进行长行程阀门操作.同时由于把手主体方向上长度可变，方便了狹小空间的阀门操作.

该形式扳手与传统扳手操作注意事项相同，注意以下几点：

①首先应该与门轮卡牢，防止脱开.

②操作人应两脚分开且脚底站稳，两腿合理支撑，防止摔倒.

③操作人应两手握紧手柄，并且合理、均匀用力，防止用猛力或暴力.

④阀门扳手的手柄应与门轮在同一水平面，使得阀门扳手的力合理的用在门轮上，防止用力过大而损坏门轮.

3.3 技术特征及操作使用特点

F扳手和C-F扳手的操作位置如图6所示.F扳手的1次动作位置由A起始，至B结束，阀门转一周大约需要5～6次操作，每次操作包含卡盘→发力→提扳手→回到A位置（可能需要调整位置），发力方式以竖直向下的分量为主，在发力过程中对阀门转动有一部分是不沿垂直力臂的方向，可能存在发力损失，而非阀门转动做功的力对阀门的使用安全可能会产生影响，且包含由B→A的空回行程;CF扳手的操作动作，是由A→A的圆周运动，发力主要分量是以阀门的切线方向为主，是最有效的力矩发力方式，且发力行程为圆周，保持了发力的连续性，无多余动作[6].

3.3.1 保障安全.

在操作人员使用F型扳手进行阀门开关操作中，由于阀门行程较长转动扳手一圈并不能完成操作.此时需要不断变换F型扳手的方向，有时需要换手等操作，在操作过程中扳手掉落容易造成损坏设备、砸伤工作人员等问题.

而CF扳手的可变把手的设计就避免了该问题的产生，操作人员可以将把手变化成C型之后利用杠杆原理快速安全的进行操作.

3.3.2 操作效率较高

在操作过程中，换手、不断变换方向等操作影响了操作的效率，在使用C-F型扳手后，可以将效率提升30%以上，极大程度的降低了操作人员的操作时间，有效提升了生产工艺流程的相关环节操作效率[7].

同时，把手设计为中空结构，有效降低了F扳手的重量，使操作人员携带更方便，操作省力.受力分析如下：

按照力矩的关系，建立平衡方程，要达到转动阀门的目的，作用在扳手上的力矩M的值应该是相等的，即对于F扳手和C-F扳手：存在MF=MC-F.对与F扳手，发力的方向以垂直向下的方向为主要作用力方向，则存在垂直扳手方向上的力的分量F转，以此来转动阀门;在沿扳手杆件方向的分量F转，转化为与阀门转动轴的摩擦力，阻碍阀门启闭动作.扳手抬起角度为？琢，扳手长度为L.当阀门转动轴的摩擦系数取为？滋时，假定C-F扳手的发力方向是沿阀门的切线方向，建立F扳手和C-F扳手在矩相等条件下的方程：

由公式1化简，可得省力多少的数学模型，如公式2：

？滋的值根据铸铁—钢的条件下进行取值，当？琢取30°时，分别考虑是否存在润滑的条件下，得到如下计算结果：

由此可量化分析出，仅在阀门转动过程中，至少能省力27%.而且，手把的设计也能更好的调节过程中的转动速度和发力方向，有利于节省操作人员的体力.此外，原F型扳手还需要装拆操作，每转一圈，还需提升做功的量约为：

3.3.3 使用灵活

在操作人员操作过程中，以往的F型扳手把长度相对固定，而操作人员为了省力，通常都采取相对较长把手的F扳手.但是由于阀门安装位置有所不同，固定长度把手的F扳手并不能完全适应安装位置多变的操作环境，有时操作人愿意把操作要携带多种型号尺寸的扳手.而CF型扳手的出现解决了这一问题，可变的把手让操作把手的长度灵活多变，适应多种操作环境[8].

3.3.4 存放方便

CF扳手设计挂环一个，Cf扳手既可以挂在工具架上又可以平放于工具箱中，便于文明生产.

4 使用效果分析

4.1 时间成本分析

为验证对比F-C扳手与传统扳手对操作人员的影响，笔者选取一线员工5人，进行不同阀门开关时间的统计分析，每种阀门记取10次开关操作时间的平均值，分别统计了个人平均节约时间的比例、5人平均的时间节约比例，结果如表2.

从表中可以看出，个人平均的操作时间节约40～47%，尤其对年纪较高的工人，操作时间节约效果更好.对不同阀门类型的时间节约程度来看，阀门越大，节约时间越多，最高的阀门节约时间可达45%.笔者分析，这是由于本设计节省了换手的时间、减少了静摩擦产生的力矩，工作效率得到极大提升.

4.2 加权计分法的实用性评价

为进一步分析评价改进后的F扳手设计，本文选用价值体系评价方法中的加权评分体系对方案进行了实用性评价.评价指标中，评价自身特点选取功能目标、设计复杂程度、可操作性、可靠性、新颖性等5个指标;评价先进性选取便携性、安全性、经济性、工作效率等4个指标;定性描述分值为0～5分;由企业QC小组综合拟定权重;选取企业一线员工进行打分.发放调查问卷50份，全部收回后，取每项打分的平均值作为综合得分.再根据权重进行加权平均计算，得出总评价分5分以内的量化指标来对方案进行总体评价[9].统计分析结果如下表：

评价分值满分5分，本设计方案的得分为4.57分，运用价值体系的评价标准论证了方案的合理性.

5 小结

該方案的应用效果检验十分明显，以火力发电机组的启停操作为例，缩短操作时间不低于40%，同时减轻了操作人员的体力不低于27%，加快了工作效率，减少阀门开关动作引起的管内流体损失，同时可减少安全隐患的发生机率.由于操作力矩的灵活变化，更便于操作，更有利于阀门设备的保护.本设计具有结构合理、操作方便、作业效率高、安全性高的优点，具有较好的实用价值.

本文设计已获得国家实用新型专利，专利号为：ZL201621154236.1.该创新成果被评选为中国能源化工地质工会全国委员会2017年创新成果一等奖.

参考文献：

〔1〕朱艳，王金全，龚霞，等.采油工多功能工具的研制及应用[J].中国石油和化工标准与质量，2017（11）：147-148.

〔2〕荣进，蒋威，陈晓平.创新设计方法在扳手设计中的应用研究[J].宁波工程学院学报，2011，23（02）：91-96.

〔3〕贺敏超，陆尚平，梁小流，黄鑫，黄永彬.新型活动扳手的设计与应用[J].工具技术，2014，48（02）：57-60.

〔4〕王振玉，李沐峰，史中强，滕大力.滑动式活口扳手的设计与制作[J].机械设计与制造，2015（08）：221-223+228.

〔5〕苏沛群，黄溧震.新型多功能扳手设计[J].工具技术，2013，47（06）：42-45.

〔6〕孟军，曹玲，董斌.多功能F型扳手的研制与应用[J].中国化工贸易，2015（9）：79-79.

〔7〕石庆丰.一种随调多用扳手的设计[J].机械工程师，2012（08）：136-137.

〔8〕贺敏超，梁小流，陆尚平，黄永彬.新型活动扳手的设计[J].企业科技与发展，2013（24）：23-25.

〔9〕王春林，王春雨.青山水库大坝地基地震液化等级判别[J].赤峰学院学报（自然科学版），2013（06）：62-64.