【壓縮機網】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運動，轉變為活塞的往復運動的部件。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；其次，鋁制材料的密度較小，整體的零件質量偏輕，但剛性不減，一般采用的材質有YL102、ZL106、ZL108等；最后，鑄鋁連桿的零件成本比較有優勢。
 

　　二、連桿的分類

 

　　常見空壓機曲軸連桿機構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，這種由于結構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又分為了下面的三種情況：1）中心曲柄連桿機構，2）偏心曲柄連桿機構，3）關節曲柄連桿機構。其中又以第二種偏心曲柄連桿機構較為常用，主要原因為偏心式曲柄連桿機構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的連桿作為例子，一起來探討一下連桿組件的優化設計。
 

 

　　三、連桿的常見故障及原因分析

 

　　在探討連桿的優化設計之前，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節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節，通過人為管控，風險系數可以降低到可控范圍。但是如果問題發生在設計端，那么就像胎里帶的毛病一樣，是無法直接根治的。

 

　　四、連桿結構的優化設計

 

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

 

　　1. 連桿的大機構方向

 

　　下面兩款是直連往復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。
 

 

　　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勢。活塞和連桿之間采用的是銷式連接，在活塞組件做往復運動的過程中，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和氣缸壁之間的泄漏，可以有效降低活塞環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，這個結構是個最優的，但不是最好的。

 

　　另一個搖擺式的，雖然活塞環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，但是它最大的優點就是成本低廉。所以，這個結構不是最優的，卻是最好的。既然確定了最好的機構方向，那我們就放大它的優點，減小它的缺點，進行深層次設計的優化。

 

　　2. 連桿的細節設計

 

　　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構影響又較為輕微。

 

　　3）較少尖銳拐角，多用圓弧R角，減小應力集中。
 

　　以上三點的優化方案，都對整個連桿的機構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、結語

 

　　連桿作為空壓機設備的一個核心連接部件，我們應到非常重視，做好它在設計階段的充分理論論證計算，模擬受力分析，甚至拓撲優化等工作，確保從設計端產出的連桿狀態是良好的，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.機械設計手冊[M].化學工業出版社.2007

　　[2]于惠力.機械零部件設計禁忌[M].機械工業出版社.2006

　　[3]陸寧.機械原理[M].機械工業出版社.1997

　　[4]JB/T 8934-1999.直聯便攜式往復活塞空壓機[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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