【壓縮機網】一、引言

 

　　對于小型直連往復活塞式空壓機而言，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使用的。因此，市場對于此類小型空壓機，就有了以下幾個主要性能參數的要求：1）溫升低，2）噪音小，3）振動小。

 

　　其中第一條溫升低，是從節能環保的角度，對小型空壓機提出了要求，要求該類電動工具要盡量少做發熱的功（無用功），減少浪費能源，減輕不必要的排放，降低對環境的影響。第二條噪音小，只是從環保的角度，對小型空壓機提出了要求，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境。第三條振動小，則主要是要求小型直連往復活塞式空壓機自身，要有較好的機械平衡，通俗說也就是要有良好運行平穩性。

 

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

 

　　二、結合“機械平衡”進行產品設計

 

　　機械在運轉時，構件所產生的不平衡慣性力將在運動幅中引起附加的動壓力。這不僅會增大運動幅中的摩擦和構件中的內應力，降低機械效率和使用壽命，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械及其基礎產生強迫振動。如其頻率接近于機械的固有頻率，不僅會影響到機械本身還會使附近的工作機械及廠房、建筑等受到影響甚至破壞。考慮到以上“不良振動”導致的影響，我們在機械設計的初期就要結合機械平衡進行產品的設計。機械平衡的目的就是設法將構件的不平衡慣性力加以平衡，從而減小其不良影響。

 

　　下面我們通過實際案例，為大家說明一下，在設計小型直連往復活塞式空壓機時，通過考慮哪些問題，可以提高小型空壓機的機械平衡性能。
 

　　1、同等缸徑下，缸數越多越好

 

　　小型直連往復活塞式空壓機的運功原理和汽車發動機的運動原理基本一樣，都是通過曲柄的圓周運動來帶動連桿和活塞組件進行直線運動（如圖1所示）。大家都知道，一般的汽車發動機多采用4缸或6缸發動機，檔次更高一點的汽車更有用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。經過無數次的實踐證明，同等缸徑下，缸數越多，排量越大，機器的動力性就越好，運行也越平穩。對于小型直連往復活塞式空壓機而言，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，排氣量都是直接決定產品性能的首要參數。在保證同等排氣量的參數下，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，電機也要盡量選用多極、低速的配置。
 

 

　　現在我們根據以上公式，舉例如下：

 

　　假設我們將氣缸的直徑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速都減小了一半，整機的噪音值和振動量也會相應的降低，降低幅度一般在1-2個質量級上。

 

　　當我們的產品和別人的產品到同一個市場上去銷售時，在同等排氣量的前提下，我們的機器聲音聽起來更加柔和，運行起來更加平穩。你說用戶會買哪一個？

 

　　三、實際案例中問題的解決、研究

 

　　結合以上設計理念，去年筆者設計了一臺24L的小型直連往復活塞式空壓機。在設計過程中，整機的各個組成部件以及整個機械機構都經過了3D仿真、模擬、分析以及運算。但是，由于零件的材質不均、鑄造缺陷、制造誤差、安裝誤差等因素，導致最終做出來的整機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、運算只是純理論上的，實際做出來難免會與理論“模型”有一定的差異。

 

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

 

　　1、控制電機的動平衡

 

　　電機是產生動力源的部件，它在為曲柄連桿機構提供能源的同時，自身也在一邊高速運轉著，一邊產生一些副產物，例如發熱和不良振動。所以，電機自身的平衡是很重要的。解決電機轉子的動平衡問題可以借助專用的動平衡儀進行檢測、校正。我們只需選好精度等級，并按照以下的公式計算出轉子允許的剩余不平衡量即可：

 

　　e——允許不平衡度

　　M——轉子質量

　　r——轉子半徑

　　n——轉速

　　m——允許殘余不平衡量

 

　　對于小型工具設備類的電機轉子，一般選擇精度等級G=6.3。

 

　　2、調整曲軸的偏心配重

 

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

 

　　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量的配重碼，直至振動滿足要求。均碼的質量一般為5g或者10g，也可根據曲軸的質量來定。

 

　　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量越接近于零件大于3D質量的數值越好。

 

　　3、盡量加大與振動源之間的距離

 

　　其實這個問題在空壓機設計的初期，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（較為準確），所以即便設計的時候注意過空壓機腳墊和輪子的排布位置，但是因為輪子和腳墊都有橡塑減震部件，所以實際做出產品依然還會有一些不足。

 

　　現在以筆者設計的那臺小型直連往復活塞式空壓機為例，為大家說明一下一旦出現這種問題應該如何調整。圖2是根據整機的大體布局抽象出來的受力簡化圖。

 

 

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

 

　　1）將振動源O點向內側移動，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點的力臂，另一方面使B點真正參與受力，分擔去一部分的振動慣性力。使A點的受力變小，振動平穩性變好。

 

　　2）將輪架B點向外移動，如ｃ圖所示。這個方案對于那種空間結構受限的整機布局來說，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點的受力變小，振動平穩性變好。

 

　　四、結語

 

　　振動問題不像大家想象的那么可怕，只要我們從設計初期就做好嚴謹、細致的鋪墊工作。然后，在產品做出來之后，通過試驗做恰當的調整就可以了。

 

　　參考文獻

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　　[2]陳瑞華.小功率電機的動平衡校正[J]. 電器新技術,1985,02:26-31.

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　　[7][日]井町勇 編著,尹傳家,黃懷德 譯.機械振動學[M].科學出版社, 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