一、引言
【壓縮機網(wǎng)】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(chǎng)，這其中又有一部分是僅限于室內使用的。因此，市場(chǎng)對于此類(lèi)小型空壓機，就有了以下幾個(gè)主要性能參數的要求：1）溫升低，2）噪音小，3）振動(dòng)小。
其中第一條溫升低，是從節能環(huán)保的角度，對小型空壓機提出了要求，要求該類(lèi)電動(dòng)工具要盡量少做發(fā)熱的功（無(wú)用功），減少浪費能源，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，對小型空壓機提出了要求，要求該類(lèi)電動(dòng)工具要在工作做功的同時(shí)，降低噪音污染，為操作者營(yíng)造一個(gè)舒適愉悅的環(huán)境。第三條振動(dòng)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(shuō)也就是要有良好運行平穩性。
隨著(zhù)當今國際市場(chǎng)競爭的日趨激烈，隨著(zhù)世界各國節能、環(huán)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(gè)性能的要求也變得尤為突出和急迫。
二、結合“機械平衡”進(jìn)行產(chǎn)品設計
機械在運轉時(shí)，構件所產(chǎn)生的不平衡慣性力將在運動(dòng)幅中引起附加的動(dòng)壓力。這不僅會(huì )增大運動(dòng)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(huì )引起機械及其基礎產(chǎn)生強迫振動(dòng)。如其頻率接近于機械的固有頻率，不僅會(huì )影響到機械本身還會(huì )使附近的工作機械及廠(chǎng)房、建筑等受到影響甚至破壞?？紤]到以上“不良振動(dòng)”導致的影響，我們在機械設計的初期就要結合機械平衡進(jìn)行產(chǎn)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(guò)實(shí)際案例，為大家說(shuō)明一下，在設計小型直連往復活塞式空壓機時(shí)，通過(guò)考慮哪些問(wèn)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(chē)發(fā)動(dòng)機的運動(dòng)原理基本一樣，都是通過(guò)曲柄的圓周運動(dòng)來(lái)帶動(dòng)連桿和活塞組件進(jìn)行直線(xiàn)運動(dòng)（如圖1所示）。大家都知道，一般的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機多采用4缸或6缸發(fā)動(dòng)機，檔次更高一點(diǎn)的汽車(chē)更有用8缸或12缸的。為什么廠(chǎng)家不用1缸或者2缸的呢？這樣又省錢(qián)，又省事。經(jīng)過(guò)無(wú)數次的實(shí)踐證明，同等缸徑下，缸數越多，排量越大，機器的動(dòng)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(gè)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(wú)論是對于汽車(chē)還是對于小型空壓機，排氣量都是直接決定產(chǎn)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(shí)將氣缸的行程減小到ｅ，曲軸的轉速降低到ｎ/2。與此同時(shí)，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(dòng)量也會(huì )相應的降低，降低幅度一般在1-2個(gè)質(zhì)量級上。
當我們的產(chǎn)品和別人的產(chǎn)品到同一個(gè)市場(chǎng)上去銷(xiāo)售時(shí)，在同等排氣量的前提下，我們的機器聲音聽(tīng)起來(lái)更加柔和，運行起來(lái)更加平穩。你說(shuō)用戶(hù)會(huì )買(mǎi)哪一個(gè)？
三、實(shí)際案例中問(wèn)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(guò)程中，整機的各個(gè)組成部件以及整個(gè)機械機構都經(jīng)過(guò)了3D仿真、模擬、分析以及運算。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，導致最終做出來(lái)的整機還是有這樣那樣的問(wèn)題，特別是振動(dòng)問(wèn)題。大家也都清楚3D的那些分析、運算只是純理論上的，實(shí)際做出來(lái)難免會(huì )與理論“模型”有一定的差異。
這臺小型空壓機起初振動(dòng)：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(gè)輪子為支點(diǎn)進(jìn)行圓周偏擺。通過(guò)以下幾處的改進(jìn)，整機的機械平衡性就變好了。
1、控制電機的動(dòng)平衡
電機是產(chǎn)生動(dòng)力源的部件，它在為曲柄連桿機構提供能源的同時(shí)，自身也在一邊高速運轉著(zhù)，一邊產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，例如發(fā)熱和不良振動(dòng)。所以，電機自身的平衡是很重要的。解決電機轉子的動(dòng)平衡問(wèn)題可以借助專(zhuān)用的動(dòng)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(zhì)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(lèi)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(shí)際加工制作出來(lái)的曲軸一般都會(huì )比理論的3D質(zhì)量偏重。一方面是由于供應商實(shí)際采用的材料純度不夠，帶有一定比例的其他雜質(zhì)；另一方面是供應商的慣性動(dòng)作，他們希望用料越多越好。所以，這種情況下我們原來(lái)所設置的偏重部分，一般都不能滿(mǎn)足實(shí)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(lái)重新實(shí)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(gè)等質(zhì)量的配重碼，直至振動(dòng)滿(mǎn)足要求。均碼的質(zhì)量一般為5g或者10g，也可根據曲軸的質(zhì)量來(lái)定。
2）也可以采用“去除附重”的辦法，將零件整體均勻、對稱(chēng)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)量的數值越好。
3、盡量加大與振動(dòng)源之間的距離
其實(shí)這個(gè)問(wèn)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(shí)候注意過(guò)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(shí)際做出產(chǎn)品依然還會(huì )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(shuō)明一下一旦出現這種問(wèn)題應該如何調整。圖2是根據整機的大體布局抽象出來(lái)的受力簡(jiǎn)化圖。
初始設計完成出來(lái)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(dòng)源點(diǎn)重合，這個(gè)時(shí)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(lái)說(shuō)，只需要給A點(diǎn)施加較小的“振動(dòng)慣性力”就可以使腳架發(fā)生較大的振動(dòng)，甚至移動(dòng)。對于這種問(wèn)題可采用以下兩種方案進(jìn)行解決：
1）將振動(dòng)源O點(diǎn)向內側移動(dòng)，如ｂ圖所示。這個(gè)方案是解決這種問(wèn)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，分擔去一部分的振動(dòng)慣性力。使A點(diǎn)的受力變小，振動(dòng)平穩性變好。
2）將輪架B點(diǎn)向外移動(dòng)，如ｃ圖所示。這個(gè)方案對于那種空間結構受限的整機布局來(lái)說(shuō)，解決振動(dòng)問(wèn)題是首方案。這個(gè)方案只是分解了原振動(dòng)慣性力，間接使A點(diǎn)的受力變小，振動(dòng)平穩性變好。
四、結語(yǔ)
振動(dòng)問(wèn)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(chǎn)品做出來(lái)之后，通過(guò)試驗做恰當的調整就可以了。
參考文獻
[1]顧乾坤.電機轉子動(dòng)平衡測試系統[J]. 微電機,1996(01)
[2]陳瑞華.小功率電機的動(dòng)平衡校正[J]. 電器新技術(shù),1985,02:26-31.
[3]胡國平.電機轉子動(dòng)平衡數控去重技術(shù)的研究與實(shí)現[D].浙江大學(xué),2004.
[4]馬東.活塞式壓縮機機構平衡的研究[D].大連理工大學(xué),2006.
[5]周洪圃.設計曲拐傳動(dòng)時(shí)曲拐偏心距的計算方法[J].組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù),1989(11)
[6]姬桂英,李鳳麟.曲拐傳動(dòng)振動(dòng)問(wèn)題分析及解決方法[J].機械研究與應用,1996(03)
[7][日]井町勇 編著(zhù),尹傳家,黃懷德 譯.機械振動(dòng)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
【壓縮機網(wǎng)】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(chǎng)，這其中又有一部分是僅限于室內使用的。因此，市場(chǎng)對于此類(lèi)小型空壓機，就有了以下幾個(gè)主要性能參數的要求：1）溫升低，2）噪音小，3）振動(dòng)小。
其中第一條溫升低，是從節能環(huán)保的角度，對小型空壓機提出了要求，要求該類(lèi)電動(dòng)工具要盡量少做發(fā)熱的功（無(wú)用功），減少浪費能源，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，對小型空壓機提出了要求，要求該類(lèi)電動(dòng)工具要在工作做功的同時(shí)，降低噪音污染，為操作者營(yíng)造一個(gè)舒適愉悅的環(huán)境。第三條振動(dòng)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(shuō)也就是要有良好運行平穩性。
隨著(zhù)當今國際市場(chǎng)競爭的日趨激烈，隨著(zhù)世界各國節能、環(huán)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(gè)性能的要求也變得尤為突出和急迫。
二、結合“機械平衡”進(jìn)行產(chǎn)品設計
機械在運轉時(shí)，構件所產(chǎn)生的不平衡慣性力將在運動(dòng)幅中引起附加的動(dòng)壓力。這不僅會(huì )增大運動(dòng)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(huì )引起機械及其基礎產(chǎn)生強迫振動(dòng)。如其頻率接近于機械的固有頻率，不僅會(huì )影響到機械本身還會(huì )使附近的工作機械及廠(chǎng)房、建筑等受到影響甚至破壞?？紤]到以上“不良振動(dòng)”導致的影響，我們在機械設計的初期就要結合機械平衡進(jìn)行產(chǎn)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(guò)實(shí)際案例，為大家說(shuō)明一下，在設計小型直連往復活塞式空壓機時(shí)，通過(guò)考慮哪些問(wèn)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(chē)發(fā)動(dòng)機的運動(dòng)原理基本一樣，都是通過(guò)曲柄的圓周運動(dòng)來(lái)帶動(dòng)連桿和活塞組件進(jìn)行直線(xiàn)運動(dòng)（如圖1所示）。大家都知道，一般的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機多采用4缸或6缸發(fā)動(dòng)機，檔次更高一點(diǎn)的汽車(chē)更有用8缸或12缸的。為什么廠(chǎng)家不用1缸或者2缸的呢？這樣又省錢(qián)，又省事。經(jīng)過(guò)無(wú)數次的實(shí)踐證明，同等缸徑下，缸數越多，排量越大，機器的動(dòng)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(gè)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(wú)論是對于汽車(chē)還是對于小型空壓機，排氣量都是直接決定產(chǎn)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(shí)將氣缸的行程減小到ｅ，曲軸的轉速降低到ｎ/2。與此同時(shí)，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(dòng)量也會(huì )相應的降低，降低幅度一般在1-2個(gè)質(zhì)量級上。
當我們的產(chǎn)品和別人的產(chǎn)品到同一個(gè)市場(chǎng)上去銷(xiāo)售時(shí)，在同等排氣量的前提下，我們的機器聲音聽(tīng)起來(lái)更加柔和，運行起來(lái)更加平穩。你說(shuō)用戶(hù)會(huì )買(mǎi)哪一個(gè)？
三、實(shí)際案例中問(wèn)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(guò)程中，整機的各個(gè)組成部件以及整個(gè)機械機構都經(jīng)過(guò)了3D仿真、模擬、分析以及運算。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，導致最終做出來(lái)的整機還是有這樣那樣的問(wèn)題，特別是振動(dòng)問(wèn)題。大家也都清楚3D的那些分析、運算只是純理論上的，實(shí)際做出來(lái)難免會(huì )與理論“模型”有一定的差異。
這臺小型空壓機起初振動(dòng)：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(gè)輪子為支點(diǎn)進(jìn)行圓周偏擺。通過(guò)以下幾處的改進(jìn)，整機的機械平衡性就變好了。
1、控制電機的動(dòng)平衡
電機是產(chǎn)生動(dòng)力源的部件，它在為曲柄連桿機構提供能源的同時(shí)，自身也在一邊高速運轉著(zhù)，一邊產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，例如發(fā)熱和不良振動(dòng)。所以，電機自身的平衡是很重要的。解決電機轉子的動(dòng)平衡問(wèn)題可以借助專(zhuān)用的動(dòng)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(zhì)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(lèi)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(shí)際加工制作出來(lái)的曲軸一般都會(huì )比理論的3D質(zhì)量偏重。一方面是由于供應商實(shí)際采用的材料純度不夠，帶有一定比例的其他雜質(zhì)；另一方面是供應商的慣性動(dòng)作，他們希望用料越多越好。所以，這種情況下我們原來(lái)所設置的偏重部分，一般都不能滿(mǎn)足實(shí)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(lái)重新實(shí)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(gè)等質(zhì)量的配重碼，直至振動(dòng)滿(mǎn)足要求。均碼的質(zhì)量一般為5g或者10g，也可根據曲軸的質(zhì)量來(lái)定。
2）也可以采用“去除附重”的辦法，將零件整體均勻、對稱(chēng)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)量的數值越好。
3、盡量加大與振動(dòng)源之間的距離
其實(shí)這個(gè)問(wèn)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(shí)候注意過(guò)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(shí)際做出產(chǎn)品依然還會(huì )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(shuō)明一下一旦出現這種問(wèn)題應該如何調整。圖2是根據整機的大體布局抽象出來(lái)的受力簡(jiǎn)化圖。
初始設計完成出來(lái)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(dòng)源點(diǎn)重合，這個(gè)時(shí)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(lái)說(shuō)，只需要給A點(diǎn)施加較小的“振動(dòng)慣性力”就可以使腳架發(fā)生較大的振動(dòng)，甚至移動(dòng)。對于這種問(wèn)題可采用以下兩種方案進(jìn)行解決：
1）將振動(dòng)源O點(diǎn)向內側移動(dòng)，如ｂ圖所示。這個(gè)方案是解決這種問(wèn)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，分擔去一部分的振動(dòng)慣性力。使A點(diǎn)的受力變小，振動(dòng)平穩性變好。
2）將輪架B點(diǎn)向外移動(dòng)，如ｃ圖所示。這個(gè)方案對于那種空間結構受限的整機布局來(lái)說(shuō)，解決振動(dòng)問(wèn)題是首方案。這個(gè)方案只是分解了原振動(dòng)慣性力，間接使A點(diǎn)的受力變小，振動(dòng)平穩性變好。
四、結語(yǔ)
振動(dòng)問(wèn)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(chǎn)品做出來(lái)之后，通過(guò)試驗做恰當的調整就可以了。
參考文獻
[1]顧乾坤.電機轉子動(dòng)平衡測試系統[J]. 微電機,1996(01)
[2]陳瑞華.小功率電機的動(dòng)平衡校正[J]. 電器新技術(shù),1985,02:26-31.
[3]胡國平.電機轉子動(dòng)平衡數控去重技術(shù)的研究與實(shí)現[D].浙江大學(xué),2004.
[4]馬東.活塞式壓縮機機構平衡的研究[D].大連理工大學(xué),2006.
[5]周洪圃.設計曲拐傳動(dòng)時(shí)曲拐偏心距的計算方法[J].組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù),1989(11)
[6]姬桂英,李鳳麟.曲拐傳動(dòng)振動(dòng)問(wèn)題分析及解決方法[J].機械研究與應用,1996(03)
[7][日]井町勇 編著(zhù),尹傳家,黃懷德 譯.機械振動(dòng)學(xué)[M].科學(xué)出版社, 1979
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吳廣忠（1980—），男，山東青島人，工程師，研究方向：空壓機
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