【壓縮機網(wǎng)】一、引言

       在空壓機中，連桿的作用是將曲軸所受的電動機的旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運動的部件。一般連桿由連桿體、連桿小頭、連桿大頭等零件組成，連桿小頭用來安裝活塞銷，以連接活塞，連桿的大頭與曲軸直接連接。

 

　　市場常見的連桿材質(zhì)為：鑄鐵、鑄鋁、鑄鋼、鍛打銅等。其中以鑄鐵和鑄鋁的最為常見，其中又以鑄鋁的應(yīng)用最為廣泛。主要是因為，鑄鋁的連桿一般采用的是鋁壓鑄工藝進行的成型，批量制作生產(chǎn)時，零件的形狀和尺寸的一致性較好且筋板等形狀較易實現(xiàn)；其次，鋁制材料的密度較小，整體的零件質(zhì)量偏輕，但剛性不減，一般采用的材質(zhì)有YL102、ZL106、ZL108等；最后，鑄鋁連桿的零件成本比較有優(yōu)勢。
 

　　二、連桿的分類

 

　　常見空壓機曲軸連桿機構(gòu)的分布方式有以下三種：1）單列式有的也叫做“I”式或者“1”字式。2）V型排布，這種在大型的皮帶式空壓機上比較常見，它還有一個延伸版本是“W”型排布，看字識意，就是有3套缸頭部位。3）對置式排布，這種由于結(jié)構(gòu)的限制一般多為無油機，它也有一個延伸版本是“星型”排布。

 

　　在小型直連往復(fù)活塞式空壓機中，常用為第一種單列式排布。下面我們就針對單列式排布方式，給大家詳細分解一下。首先單列式的曲軸連桿機構(gòu)又分為了下面的三種情況：1）中心曲柄連桿機構(gòu)，2）偏心曲柄連桿機構(gòu)，3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)。其中又以第二種偏心曲柄連桿機構(gòu)較為常用，主要原因為偏心式曲柄連桿機構(gòu)可以提供活塞更大的行程，在單次的壓縮過程中可以做更多的功，獲得更多的壓縮氣體。那么我們就以偏心曲柄連桿機構(gòu)的連桿作為例子，一起來探討一下連桿組件的優(yōu)化設(shè)計。
 

 

　　三、連桿的常見故障及原因分析

 

　　在探討連桿的優(yōu)化設(shè)計之前，我們先來看一下，連桿在實際工作過程中都有哪些故障。不過連桿的任何故障，轉(zhuǎn)化到最終空壓機身上，終極的破壞形式就是斷裂。所以我們下面就來分析一下空壓機連桿斷裂的原因：
 

 

　　通過以上表格中幾個原因的分析，我們不難看出，空壓機存在的每個環(huán)節(jié)都對連桿起到一定的影響，而且是可以致使空壓機喪失功能的影響。人為裝配和后期使用兩個環(huán)節(jié)，通過人為管控，風險系數(shù)可以降低到可控范圍。但是如果問題發(fā)生在設(shè)計端，那么就像胎里帶的毛病一樣，是無法直接根治的。

 

　　四、連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

 

　　我們要重視設(shè)計端工作的有效性，多進行三維的模擬以及受力計算，在進行開模具生產(chǎn)前，做好理論論證工作。但是，一般最好的設(shè)計不一定是最優(yōu)的設(shè)計，因為設(shè)計師設(shè)計的是整個產(chǎn)品不是某個零件，同時還會有成本等因素的約束。

 

　　1. 連桿的大機構(gòu)方向

 

　　下面兩款是直連往復(fù)活塞式無油機的兩種連接傳動方式，一種是搖擺式的（即活塞和連桿之間采用的是固定連接），如圖表4右視圖所示； 另一種是活塞式的（即活塞和連桿之間采用的是銷式連接），如圖表4左視圖所示，也就是我們上面提到的偏心曲柄連桿機構(gòu)。
 

 

　　單純從性能和壽命角度來考慮，活塞式的連接方式具有較為突出的優(yōu)勢?；钊瓦B桿之間采用的是銷式連接，在活塞組件做往復(fù)運動的過程中，活塞組件與氣缸之間可以一直保持是豎直同軸的。但是，可以不用強行要求連桿和曲軸以及活塞之間的三者同軸，因為中間活塞銷可以彌補這個過程的累計偏差。

 

　　同時，這種配合方式又可以有效減小運動過程中活塞環(huán)和氣缸壁之間的泄漏，可以有效降低活塞環(huán)和氣缸壁之間的磨損，可以間接有效的提高整機的比功率，充分提高了整機的性能和壽命；反之，最大缺點就是成本偏高一些。所以，這個結(jié)構(gòu)是個最優(yōu)的，但不是最好的。

 

　　另一個搖擺式的，雖然活塞環(huán)和氣缸壁之間的磨損較大，泄漏較大，整機的比功率較低，整機的性能和壽命一般，但是它最大的優(yōu)點就是成本低廉。所以，這個結(jié)構(gòu)不是最優(yōu)的，卻是最好的。既然確定了最好的機構(gòu)方向，那我們就放大它的優(yōu)點，減小它的缺點，進行深層次設(shè)計的優(yōu)化。

 

　　2. 連桿的細節(jié)設(shè)計

 

　　1）桿身通常做成“工”字或“H”字形斷面，以求在滿足強度和剛度要求的前提下減少質(zhì)量。若將連桿的端面加工得太厚，雖然能提高連桿的強度和剛度，但相應(yīng)會增加連桿的制造成本；若將端面加工得太薄，雖然能降低成本，但連桿很難達到剛度和強度要求，從而影響空壓機的使用壽命。

 

　　2）在連桿的薄弱位置增加加強筋用以提高局部位置的強度，且對于連桿的整體結(jié)構(gòu)影響又較為輕微。

 

　　3）較少尖銳拐角，多用圓弧R角，減小應(yīng)力集中。
 

　　以上三點的優(yōu)化方案，都對整個連桿的機構(gòu)布局以及成本組成影響特別小，但是卻能在較大程度上彌補連桿的不足，提高它的整體性能和壽命。

 

　　五、結(jié)語

 

　　連桿作為空壓機設(shè)備的一個核心連接部件，我們應(yīng)到非常重視，做好它在設(shè)計階段的充分理論論證計算，模擬受力分析，甚至拓撲優(yōu)化等工作，確保從設(shè)計端產(chǎn)出的連桿狀態(tài)是良好的，從而延伸到可以有效提高空壓機的整體壽命。
 

　　參考文獻

 

　　[1]成大先.機械設(shè)計手冊[M].化學工業(yè)出版社.2007

　　[2]于惠力.機械零部件設(shè)計禁忌[M].機械工業(yè)出版社.2006

　　[3]陸寧.機械原理[M].機械工業(yè)出版社.1997

　　[4]JB/T 8934-1999.直聯(lián)便攜式往復(fù)活塞空壓機[S].1999

 

　　作者簡介

　　吳廣忠（1980--），男，漢族，山東省青島市人，大學本科（工學學士），畢業(yè)于青島科技大學，中級工程師，研究方向：空氣壓縮機。

 

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