一、引言

 

　　【壓縮機(jī)網(wǎng)】對于小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)而言，主要面對的是DIY（Do It Yourself）家用市場，這其中又有一部分是僅限于室內(nèi)使用的。因此，市場對于此類小型空壓機(jī)，就有了以下幾個主要性能參數(shù)的要求：1）溫升低，2）噪音小，3）振動小。

 

　　其中第一條溫升低，是從節(jié)能環(huán)保的角度，對小型空壓機(jī)提出了要求，要求該類電動工具要盡量少做發(fā)熱的功（無用功），減少浪費(fèi)能源，減輕不必要的排放，降低對環(huán)境的影響。第二條噪音小，只是從環(huán)保的角度，對小型空壓機(jī)提出了要求，要求該類電動工具要在工作做功的同時，降低噪音污染，為操作者營造一個舒適愉悅的環(huán)境。第三條振動小，則主要是要求小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)自身，要有較好的機(jī)械平衡，通俗說也就是要有良好運(yùn)行平穩(wěn)性。

 

　　隨著當(dāng)今國際市場競爭的日趨激烈，隨著世界各國節(jié)能、環(huán)保意識的逐步提高，對于小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)以上三個性能的要求也變得尤為突出和急迫。

 

　　二、結(jié)合“機(jī)械平衡”進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)

 

　　機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)時，構(gòu)件所產(chǎn)生的不平衡慣性力將在運(yùn)動幅中引起附加的動壓力。這不僅會增大運(yùn)動幅中的摩擦和構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力，降低機(jī)械效率和使用壽命，而且由于這些慣性力一般都是周期性變化的，所以也必將會引起機(jī)械及其基礎(chǔ)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。如其頻率接近于機(jī)械的固有頻率，不僅會影響到機(jī)械本身還會使附近的工作機(jī)械及廠房、建筑等受到影響甚至破壞?？紤]到以上“不良振動”導(dǎo)致的影響，我們在機(jī)械設(shè)計(jì)的初期就要結(jié)合機(jī)械平衡進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。機(jī)械平衡的目的就是設(shè)法將構(gòu)件的不平衡慣性力加以平衡，從而減小其不良影響。

 

　　下面我們通過實(shí)際案例，為大家說明一下，在設(shè)計(jì)小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)時，通過考慮哪些問題，可以提高小型空壓機(jī)的機(jī)械平衡性能。
 

　　1、同等缸徑下，缸數(shù)越多越好

 

　　小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)的運(yùn)功原理和汽車發(fā)動機(jī)的運(yùn)動原理基本一樣，都是通過曲柄的圓周運(yùn)動來帶動連桿和活塞組件進(jìn)行直線運(yùn)動（如圖1所示）。大家都知道，一般的汽車發(fā)動機(jī)多采用4缸或6缸發(fā)動機(jī)，檔次更高一點(diǎn)的汽車更有用8缸或12缸的。為什么廠家不用1缸或者2缸的呢？這樣又省錢，又省事。經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)踐證明，同等缸徑下，缸數(shù)越多，排量越大，機(jī)器的動力性就越好，運(yùn)行也越平穩(wěn)。對于小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)而言，這個道理也是同樣適用的。
 

 

　　2、同等排量下，多采用大缸徑小行程

 

　　無論是對于汽車還是對于小型空壓機(jī)，排氣量都是直接決定產(chǎn)品性能的首要參數(shù)。在保證同等排氣量的參數(shù)下，氣缸的直徑要盡可能的做大，但是氣缸的行程要盡可能的做小，電機(jī)也要盡量選用多極、低速的配置。
 

 

　　現(xiàn)在我們根據(jù)以上公式，舉例如下：

 

　　假設(shè)我們將氣缸的直徑ｄ增大到2ｄ，在保證排氣量不變的條件下，我們可同時將氣缸的行程減小到ｅ，曲軸的轉(zhuǎn)速降低到ｎ/2。與此同時，由于我們將氣缸的行程和曲軸的轉(zhuǎn)速都減小了一半，整機(jī)的噪音值和振動量也會相應(yīng)的降低，降低幅度一般在1-2個質(zhì)量級上。

 

　　當(dāng)我們的產(chǎn)品和別人的產(chǎn)品到同一個市場上去銷售時，在同等排氣量的前提下，我們的機(jī)器聲音聽起來更加柔和，運(yùn)行起來更加平穩(wěn)。你說用戶會買哪一個？

 

　　三、實(shí)際案例中問題的解決、研究

 

　　結(jié)合以上設(shè)計(jì)理念，去年筆者設(shè)計(jì)了一臺24L的小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)。在設(shè)計(jì)過程中，整機(jī)的各個組成部件以及整個機(jī)械機(jī)構(gòu)都經(jīng)過了3D仿真、模擬、分析以及運(yùn)算。但是，由于零件的材質(zhì)不均、鑄造缺陷、制造誤差、安裝誤差等因素，導(dǎo)致最終做出來的整機(jī)還是有這樣那樣的問題，特別是振動問題。大家也都清楚3D的那些分析、運(yùn)算只是純理論上的，實(shí)際做出來難免會與理論“模型”有一定的差異。

 

　　這臺小型空壓機(jī)起初振動：1）手不能靜止放置在機(jī)器的任何部位上；2）整機(jī)以其中一個輪子為支點(diǎn)進(jìn)行圓周偏擺。通過以下幾處的改進(jìn)，整機(jī)的機(jī)械平衡性就變好了。

 

　　1、控制電機(jī)的動平衡

 

　　電機(jī)是產(chǎn)生動力源的部件，它在為曲柄連桿機(jī)構(gòu)提供能源的同時，自身也在一邊高速運(yùn)轉(zhuǎn)著，一邊產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，例如發(fā)熱和不良振動。所以，電機(jī)自身的平衡是很重要的。解決電機(jī)轉(zhuǎn)子的動平衡問題可以借助專用的動平衡儀進(jìn)行檢測、校正。我們只需選好精度等級，并按照以下的公式計(jì)算出轉(zhuǎn)子允許的剩余不平衡量即可：

 

　　e——允許不平衡度

　　M——轉(zhuǎn)子質(zhì)量

　　r——轉(zhuǎn)子半徑

　　n——轉(zhuǎn)速

　　m——允許殘余不平衡量

 

　　對于小型工具設(shè)備類的電機(jī)轉(zhuǎn)子，一般選擇精度等級G=6.3。

 

　　2、調(diào)整曲軸的偏心配重

 

　　實(shí)際加工制作出來的曲軸一般都會比理論的3D質(zhì)量偏重。一方面是由于供應(yīng)商實(shí)際采用的材料純度不夠，帶有一定比例的其他雜質(zhì)；另一方面是供應(yīng)商的慣性動作，他們希望用料越多越好。所以，這種情況下我們原來所設(shè)置的偏重部分，一般都不能滿足實(shí)際零件機(jī)械平衡的需要，我們就需要再相應(yīng)的調(diào)整一下配重，來重新實(shí)現(xiàn)平衡。

 

　　1）可以采用“均碼配重”的方式，逐次往曲軸的偏重部分增加一個等質(zhì)量的配重碼，直至振動滿足要求。均碼的質(zhì)量一般為5g或者10g，也可根據(jù)曲軸的質(zhì)量來定。

 

　　2）也可以采用“去除附重”的辦法，將零件整體均勻、對稱的去除材料。被去除的這部分材料的質(zhì)量越接近于零件大于3D質(zhì)量的數(shù)值越好。

 

　　3、盡量加大與振動源之間的距離

 

　　其實(shí)這個問題在空壓機(jī)設(shè)計(jì)的初期，也可以做一些鋪墊工作。由于3D的模擬分析主要是針對一些剛性的部件（較為準(zhǔn)確），所以即便設(shè)計(jì)的時候注意過空壓機(jī)腳墊和輪子的排布位置，但是因?yàn)檩喿雍湍_墊都有橡塑減震部件，所以實(shí)際做出產(chǎn)品依然還會有一些不足。

 

　　現(xiàn)在以筆者設(shè)計(jì)的那臺小型直連往復(fù)活塞式空壓機(jī)為例，為大家說明一下一旦出現(xiàn)這種問題應(yīng)該如何調(diào)整。圖2是根據(jù)整機(jī)的大體布局抽象出來的受力簡化圖。

 

 

　　初始設(shè)計(jì)完成出來的產(chǎn)品大概是如ａ圖所示的狀態(tài)，輪架點(diǎn)的位置基本和振動源點(diǎn)重合，這個時候A點(diǎn)與O點(diǎn)的距離最大。大家都知道杠桿原理：力臂越大，所需要的力就越小。對ａ圖所示的狀態(tài)來說，只需要給A點(diǎn)施加較小的“振動慣性力”就可以使腳架發(fā)生較大的振動，甚至移動。對于這種問題可采用以下兩種方案進(jìn)行解決：

 

　　1）將振動源O點(diǎn)向內(nèi)側(cè)移動，如ｂ圖所示。這個方案是解決這種問題的最佳方案，一方面減小了A點(diǎn)的力臂，另一方面使B點(diǎn)真正參與受力，分擔(dān)去一部分的振動慣性力。使A點(diǎn)的受力變小，振動平穩(wěn)性變好。

 

　　2）將輪架B點(diǎn)向外移動，如ｃ圖所示。這個方案對于那種空間結(jié)構(gòu)受限的整機(jī)布局來說，解決振動問題是首方案。這個方案只是分解了原振動慣性力，間接使A點(diǎn)的受力變小，振動平穩(wěn)性變好。

 

　　四、結(jié)語

 

　　振動問題不像大家想象的那么可怕，只要我們從設(shè)計(jì)初期就做好嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的鋪墊工作。然后，在產(chǎn)品做出來之后，通過試驗(yàn)做恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整就可以了。

 

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　　[7][日]井町勇 編著,尹傳家,黃懷德 譯.機(jī)械振動學(xué)[M].科學(xué)出版社, 1979

 

　　作者介紹

　　吳廣忠（1980—），男，山東青島人，工程師，研究方向：空壓機(jī)