高压气钉枪用的二级压缩机设计及研究

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设计研究文章编号：1008—973X(2013)05—0023—05高压气钉枪用的二级压缩机设计及研究肖 丽，。钟美鹏’，计才元 ，陈 芳’(1．嘉兴学院 机电分院，浙江 嘉兴 314001；2．嘉兴 日亿机械有限公司，浙江 嘉兴 314015)摘 要：对高压气钉枪用二级压缩机的结构型式、级数选择 、压比分配和驱动方式进行了研究，并分析 了3种不同布置二级压缩机的阻力矩。按稳态等压比方法设计二级压缩机，并对其参数确定。

关键词：高压气钉枪；压缩机；阻力矩；参数中图分类号：TH45 文献标志码：AStudy and Design of Stage H Compressor Used in Pneumatic Nail GunXIA0 li ，ZHONG Mei—peng ，jI Cai-yuan。，CHEN fang。

(1．Colege of Mechanical and electrical Engineering，Jiaxing College，Jiaxing 3 14001，China；2．Jiaxing Riyi Machinery Corporation，Jiaxing314015，China)Abstract：This paper studied the structure，stage selection，pressure distribution ratio and driven mode，and analyzed the resistancemoment of stage II compressor with three diferent types of arangement．The stage II compressor was designed with equal pressureratio method under steady condition and the design parameter was confirmed.

Key words：pneumatic nail gun；compressor；resistance moment；parameter1 引言目前，我国大部分的气钉枪用压缩机排气压力为 0．8 MPa，少部分为 1．0 MPa，均属于低压直联空压机 [1。由于动力源较弱，也就是气源的压力不够高，大部分微型气动工具，如气钉枪之类，只能设计成 比较笨重的模样 ，致使操作者的劳动强度很大。

很自然地，人们要求改善这些气动工具，要求它们更加轻巧、灵便 ，最直接 、也是最简便的方法，就是提高气源的供气压力[2]，高压气钉枪用二级压缩机就是在这种背景条件下产生的。尽管排气压力的要求大大提高了，相应的电机功率必须增加，但其方便实用的要求不变，即体积和重量不能增加，由此会带来发热、气阀寿命、振动、噪声、密封和安全等一系列问题 。因此必须对二级压缩机的结构型式、热力学、动力学和控制等方面进行研究。

收稿日期 ：2013—03—01■ 2013年05期(总第 241期)2 二级压缩机设计需求分析二级压缩机是为高压气动工具提供动力源的，包括电机、压缩气缸、储气罐等部件。相对而言，高压气动工具比较轻巧，可以在多种场合使用，因此，作为动力源的二级压缩机携带方便也就成了最基本的要求之一，根据大部分人的随身携带能力可以初步将二级压缩机的整机重量定在l8 2O kg。

高压气动工具的工作压力一般是 2．0 MPa左右，考虑到二级压缩机的便携式要求 ，储气罐的容积不可能很大，同时又要确保有足够的储气量，要求二级压缩机的排气压力尽可能大，但排气压力太大，会导致二级压缩机的压 比过大，从而带来一系列相关问题，同时储气罐的壁厚也会增加，进而增加二级压缩机的整机重量，综合考虑以上因素，将二级压缩机的最大排气压力定为3．0 MPa。

二级压缩机的设计排气量是根据高压气动工具所需的气量来确定的，我们研发的这款二级压缩机主要用于高压气动枪，要求二级压缩机在排 塑 ?～气压力 2．0 MPa时的排气量达到 85 L／min。

尽管高压气动工具有诸多优点，其发展势头非常迅猛，但目前低压气动工具依然在普遍使用，国内外情况都如此，鉴于这种现状 ，要求二级压缩机既可以用于高压气动工具 ，也能用于低压气动工具。

要保证二级压缩机整机重量轻，势必增加二级压缩机的转速 ，因此压缩机的动力稳定性设计显得尤为重要，设计得不好，不仅二级压缩机的转速波动大，零部件的振动和磨损加剧，效率低 ，而且还很容易出现整机跳动的情况 ，致使二级压缩机无法正常运行。

二级压缩机由于压比大 ，又要受到体积和重量的限制，由此带来了发热 、振动、噪声 、密封、安全以及因电网不稳而引起的电机烧机等一系列问题。为了使二级压缩机高效稳定地工作，有必要对其进行深入的研究 ，探讨新的设计方法 ，推动二级压缩机从粗放式设计进入到精确式设计。

3 二级压缩机的结构设计二级压缩机包括低压级部分 、高压级部分 、永磁直流无刷 电机组成 ，结构简 图如 图 1所示 ，图 1(a)为二级压缩机的主视图，图 1(b)为二级压缩机 A—A剖视图。低压级部分包括低压缸盖l、低压气阀4、低压缸体 3、与低压气阀 2低压端偏心轮6和低压连杆 5；低压端偏心轮旋转带动低压连杆摆动 ，这样将轴的旋转运动转变为活塞的直线运动。高压级部分包括高压缸盖 12、高压气阀 l 1、高压缸体 9、高压端偏心轮 7和高压连杆 8，高压连杆 8摆动带动高压端活塞 l0上下移动。永磁直流无刷电机包括电机本体 14与控制系统部分 ，控制系统部分包括控制板 13和信号线15。永磁直流无刷电机轴与二级压缩机轴同轴，永磁直流无刷电机驱动高压端偏心轮与低压端偏心轮作回转运动，通过偏心轮带动连杆作往复摆动，连杆又推动活塞进行往复运动来对气体做功。

低压级部分产生的低压气体经级间铜管 I8进入高压级部分，高压级部分产生高压气体经过铜管 19进人储罐 20。

气缸直径、偏 t7轮的偏心距和连杆长度等参数24i 瓣影响压比分配与二级压缩机的效率。此外由于二级压缩机采用二级压缩，结构型式对二级压缩机振动与噪声有重要影响。本节就驱动电机及其转速的选择、级数选择、和结构型式选择进行分析。

LbJ图 1 二级压缩机结构3．1 驱动电机及其转速的选择电动机选择主要考虑电机的效率、价格、重量等问题 ，在当前全世界能源短缺的情况下 ，电机效率是需要考虑的最重要因素之一。

为节约能源，各国都非常重视高效节能电机的开发和应用 踟。1991年英国执行了一项 1200万英磅的研究计划 ，旨在开发一种高效电动机 ，其效率较一般电动机提高 3％。1992年，美国能源政策法规定：从 1997年 10月24日后只生产高效电动机，大部分一般效率电动机将不再生产，采取的技术措施是用好材料 (低损耗的硅钢片、铜线、轴承和风扇)、多用材料 (20％～30％)和提高加工精度来发展高效异步电动机 ，由此成本增加 20％～40％，由电力公司给予一定的经济补助，每生产lkW电机补助 12～16美元，每年约补助 6~8亿美2013年05期(总第241期)■设计研究元，但全部改为高效电机后，亿美元。

每年节省电费达 170 3．2 级数的选择电动机的形式是多种多样的，常用的有鼠笼式异步电动机、绕线式电动机 、直流电机 、同步电机等 [41。这些都是电励磁电机 ，需要在电机绕组内通以电流来产生磁场，又需要不断供给能量以维持电流流动。通常这类电机价格比较便宜，但效率低，重量和体积都较大。

另一大类电机是永磁电动机，由于永磁材料的固有特性 ，它经过预先磁化 (充磁)以后 ，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场，既简化了结构 ，又可节约能量。与传统电励磁电机相 比，永磁电机 ，特别是稀土永磁电机具有结构简单 ，运行可靠 ；体积小，重量轻 ；损耗小 ，效率高，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空、航天、国防、工农业生产和 日常生活的各个领域。

永磁电动机中的无刷直流电动机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不设置起动绕组，结构更简单 ，重量更轻 ，具有优异的调速性能，又实现了无刷化，其电机本体的反 电势 (即激磁电势或空载电势)设计成梯形波 ，而逆变器输出方波电压或方波电流并且与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生有效电磁转矩。

在这种情况下 ，转子位置传感器只需要提供转子的若干个关键位置的离散信号就可以了 【 。方波电机结构简单、控制方便 、成本较低 。由于其固有的特点，反馈装置简单、功率密度高、输出转矩大 ，使电机和逆变器各 自的潜力得到充分的发挥。因此在航空 、航天 、数控机床 、机器人、电动汽车等方面都获得了广泛应用。从效率、重量和价格等方面来看，无刷直流电动机也是非常适用于二级压缩机 ，因此 ，我们决定选用无刷直流电动机作为二级压缩机的驱动电机。

由于采用无刷直流电机驱动 ，电机转速波动的控制显得尤为重要，转速波动大，不仅导致噪声和振动偏大，而且会大幅降低电机的效率，严重时，甚至会产生电机失速现象。压缩机转速的控制主要涉及到二级压缩机的负载力矩分析，而这又与二级压缩机气缸的布置形式有关，具体研究将在下面展开分析。

■2013年o5期(总第241期)在选择压缩机的级数时 ，一般应遵循下列原则：使压缩机消耗的功最小，排气温度应在使用条件许可的范围内、机器重量轻、造价低。要使机器具有较高的热效率，则级数多比较好；但级数增多 ，结构更加复杂 ，造价大大上升。根据《活塞式压缩机设计》表 1—3推荐，本款二级压缩机应选用 3～4级压缩。但由于本款二级压缩机要求是便携式的，若采用3—4级压缩，重量、造价都会上升，综合考虑后，选用二级压缩。

二级压缩机由于受到体积和重量的限制，采用二级压缩。在通常情况下，3．0 MPa的排气压力应该采用三级压缩，事实上，现有的部分排气压力为 1．0 MPa的二级压缩机 ，已经采用了二级压缩。级数对二级压缩机的效率和排气温度等有重要影响。二级压缩机选择级数的一般原则是 ：节省功率，结构简单、质量轻、成本低及维修方便，有时主要是满足工艺上的特殊要求，例如排气温度不要超过允许值或某级间压力符合中间抽气压力的要求等。由于受到体积和重量的限制 ，二级压缩机采用二级压缩而不采用三级压缩。高压 比会使二级压缩机效率降低，排气温度增加，活塞所承受的力加大，气体的泄漏也相应增加，为解决和改善这些问题，需要对二级压缩机的整个热力过程进行详尽的分析计算。

3．3 结构型式的选择二级压缩机本体选用往复活塞压缩机，该类压缩机适用压力范围广，高中低压均可，效率高，更重要的是排气量范围广，在小排气量下也能保持较高效率。这些特点正好适用于本款二级压缩机，因为本款二级压缩机的排气压力是连续变化的，排气量在不同排气压力和不同转速下也是不一 样的。

高压气钉枪用的二级压缩机布置形式有对动式、角度式和对置式等。对动式二级压缩机负载力矩公式可以写成(OL)：‰ (0【)+ (仅) (1)式中 ‰ ——低压缸阻力矩％厂 为高压缸阻力矩对置式二级压缩机的负载力矩形式为：设计研究MT(0【)=‰ (0／．)+‰ (仅+180。) (2)式的相对列活塞作同方向运动，一个气缸吸气时，另一个气缸在压缩或排气 ，两列气缸的负载力矩错开叠加形式为 (3)，3种不同布置方式二级压缩机负载力矩的计算结果见图3。

坼 ( )=‰ (Or．)+‰ (a+90。) (3)从图 2可以看出， 型和对置式二级压缩机阻力矩较小。虽然对动式二级压缩机一阶、二阶往复惯性力可以完全平衡 ，但是对动式阻力矩波动比对置式与 L型大很多，而且二级压缩机用直流无刷电机驱动，直流无刷 电机对阻力矩的波动较敏感，因此不选用对动式 。所以综合两方面的原因，选择￡型作为二级压缩机的机型。

冒●己R 圈图 2 3种不 同布置方式 二级压缩机 阻力矩考虑到压缩机要求是便携式的，体积要小 ，重量要轻，不方便用油来润滑各个零部件，因此选用无油润滑压缩机 ，这样活塞环需采用 自润滑材料制作，且比较容易磨损 。轴和连杆、连杆与活塞之间采用密封的脂润滑轴承，以减小摩擦和发热。由于压缩机排量较小，可采用单作用气缸，这样可省略活塞杆，使结构更加紧凑，且无需填料密封。

4 热力学参数设计4．1 热力循环直流无刷电机驱动的二级压缩机依靠直流无刷电机带动偏心轮连杆机构驱动活塞在密闭的气缸内作周期性往复运动 ，从而改变气缸容积的大小来挤压气体，并借助气阀的自动启闭，周期性吸人和排出气体，实现气体的压缩和输送。

一 台压缩机的工作状况常常通过它的工作循环来判断。工作循环是活塞在气缸内往复运动一26 瓣黧次，气体经一系列状态变化又恢复到原始状态，其问所经全部历程的总和。普通压缩机级的热力循环如图 3所示。图中 。为气缸的余隙容积， s为行程容积，p 和p 分别为该级的吸气和排气压力。活塞在气缸中的瞬态位置可由曲柄转角 确定。

图 3 压缩机的热力循环=r(1-eosa)+Z(1一V'l-A2sin2a) (4)图 3中 4—1为进气过程，气体 比容不变 ，1—2为压缩过程，2—3为等压排气过程，3—4表示排气终了和吸气初始时缸内气体压力的瞬时变化关系。

活塞的瞬态位置确定后 ，就可以计算气缸内的瞬时压力了。图 3中的压缩线 l一2为多变过程 ，其过程方程为， 、
m { j．p (5)式中 s——活塞的行程pi——进气压力Xi——活塞的位移 ，so=Vo／s当气缸内压力达到排气压力P ，开始排气 ，气缸内压力基本保持不变。当活塞达到行程终点开始往回运动时 ，气缸内压力变化如图 3中的膨胀线 3—4所示，膨胀过程状态方程为， 1m pi=l j．Pa (6)式中 pr 排气压力气缸内压力膨胀到低于吸气压力P 时，开始吸气 ，吸气压力基本保持不变。

4．2 高、低压缸的行程和气缸直径理论分析表明，两级压缩机 ，当其两级的压力比相等时可获得最小指示功率，即最省功。实际确定最佳压力比分配时，还需考虑泄漏、余隙2013年O5期(总第 241期)I设计研究影响、回冷不完善或高压缸进排气温度等因素。

为了和优化后的结果对 比，首先介绍优化前常规设计及确定参数方法。根据已知二级压缩机的进气参数、排气量及排气压力等条件求取各级的气体参数、各级气缸行程容积及主要尺寸，这种计算 即为设计性热力学计算 ，对本二级压缩机按稳态等压比方法设计如下 【6】：(1)二级压缩机采用两级压缩 ，高低压缸采用 L型布置。高压缸最终排气压力 3．0 MPa，排气量 8O L／min，设计计算时按高低压等压比分配；(2)按等压 比确定各级压力比分配 ，低压缸压比为 81，高压缸压比为82，8l=￡2；(3)计算与确定各级的容积系数、压力系数、温度系数和泄漏系数等；容积系数：先计算高低压端膨胀过程的等端点指数m为m=1+0．5(，c一1) (7)式中 ，c——空气绝热指数低压端容积系数A 。为A 1=1一a1一 (8，一1) (8)式中 al——高压缸相对余隙容积高压端容积系数A记为Av2=1一az- (￡，一1) (9)式中 a厂 高压缸相对余隙容积(4)计算各级行程容积与缸径等参数低压缸行程容积为VApldn
‘卷 l0)式中 ——排气量An——低压端温度系数A。——低压端压力系数A 。——低压端泄漏系数n——转速高压缸行程容积为Vd。麓 1)式中 A1厂 高压端温度系数A ——为高压端压力系数A。 ——为高压端泄漏系数确定低压气缸直径为一2013年o5期(总第241期)胙 (12)式中 s ——低压缸活塞行程确定高压气缸直径为：r —一 D，=、／ (13)V 'fS2式中 s ——高压缸活塞行程。

二级压缩机采用两级压缩，高低压缸采用 L型布置。高压缸最终排气压力 3．0 MPa，排气量80 L／min，设计计算时按高低压等压比分配。根据压缩机手册 ，可以确定各系数如下 ：低压端压力系数A =0．95，高压端压力系数Ap2=O．95。低压端温度系数An=0．92，高压端温度系数A亿=0．88。低压端泄漏系数A 。=O．93，高压端泄漏系数A =0．91。

计算出二级压缩机参数结果为：低压活塞行程s1=22 mm，低压缸行程s2=11 mm，D1=67．3 mm，D2=38．6 mm，在二级压缩机中，sl／21。和sz／2l2取值范围为0．1~0．25，因此S。／21 和sz／2l2取值为 0．1。可以算得低压端连杆长度z 为 1 10 mm，高压端连杆长度Z2为 55 mm。

5 结语为了更好地给高压气钉枪提供气源，本文设计了二级压缩机。首先对高压气钉枪用二级压缩机的设计需求进行了分析，并对结构型式、级数选择、压比分配和驱动方式进行了研究，按稳态等压比方法设计二级压缩机，并对其活塞的行程 、连杆的长度和气缸直径进行确定。

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