便攜式雙氣缸氣釘槍研制及試驗(yàn)

李 陽，夏旭東，2，陳建能，2

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018;2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

便攜式雙氣缸氣釘槍研制及試驗(yàn)

李 陽1，夏旭東1，2，陳建能1，2

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018;2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

針對(duì)傳統(tǒng)氣釘槍需要攜帶空氣壓縮機(jī)長線作業(yè)的缺點(diǎn)，提出一種便攜式雙氣缸氣釘槍，即采用偏心布置大小氣缸，由大活塞壓縮氣體蓄能，通過電子元件觸發(fā)小活塞將氣體能量瞬間釋放，達(dá)到打釘?shù)哪康?。通過試驗(yàn)得到氣釘槍工作時(shí)所需的沖擊功，分析其撞針組件運(yùn)動(dòng)過程，建立計(jì)算模型。分析得到雙氣缸氣釘槍的各個(gè)參數(shù)，包括大小氣缸的布局及尺寸參數(shù)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)參數(shù)和2Z-X(A)型三級(jí)微型行星齒輪減速器參數(shù)。研制了該便攜式雙氣缸氣釘槍實(shí)物樣機(jī)，打釘試驗(yàn)表明該氣釘槍的力度較大，與電磁鐵直接推動(dòng)撞針工作的電動(dòng)射釘槍比較，冒釘現(xiàn)象減少了13.3%。

雙氣缸氣釘槍；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；Pro/e建模；打釘試驗(yàn)

氣動(dòng)釘槍又稱氣動(dòng)打釘機(jī)，在家具、裝潢、包裝和建筑等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的氣動(dòng)釘槍需要配備一個(gè)空氣壓縮機(jī)來提供動(dòng)力[2]，行業(yè)內(nèi)稱之為長線作業(yè)。但壓縮機(jī)體積較大，攜帶不便，而且會(huì)帶來振動(dòng)、發(fā)熱、密封，以及因電網(wǎng)不穩(wěn)而引起電機(jī)燒機(jī)等一系列安全問題[3]。另外，壓縮機(jī)需要外接電源，作業(yè)時(shí)受到場(chǎng)地的限制。因此，國外知名電動(dòng)工具如SENCO、Milwaukee和Bostitch等公司針對(duì)DIY用戶需求和傳統(tǒng)釘槍長線作業(yè)的問題推出系列化的無繩鋰電便攜式釘槍產(chǎn)品，如Fusion F-16S、Fusion F-18、M18 FUELTM18ga Brad Nailer等，開拓了新的市場(chǎng)，其價(jià)格不菲，利潤可觀，每把售價(jià)在300～400美元。而國內(nèi)釘槍企業(yè)產(chǎn)品主要生產(chǎn)傳統(tǒng)氣釘槍，產(chǎn)品附加值不高，每把釘槍售價(jià)在150元左右。

近年來，國內(nèi)部分企業(yè)也推出便攜式電動(dòng)釘槍，但這類電動(dòng)釘槍利用推拉式電磁鐵原理，關(guān)鍵技術(shù)并沒有突破，打釘效果不如傳統(tǒng)氣動(dòng)槍。國內(nèi)在釘槍方面的研究集中于其內(nèi)部流場(chǎng)分析[4-9]、跌落分析[10-11]，以及釘槍組件的有限元分析[12-13]，而在原理設(shè)計(jì)方面涉及較少。因此，筆者根據(jù)沖擊氣缸原理[14-15]，提出一種便攜式雙氣缸氣釘槍，分析其撞針組件運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)打釘效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 雙氣缸氣釘槍的機(jī)構(gòu)及工作原理

雙氣缸氣釘槍機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1—電機(jī)；2—行星減速器；3—曲柄；4—連桿；5—減震墊；6—小氣缸排氣孔；7—大活塞；8—大氣缸；9—底蓋； 10—大氣缸排氣孔；11—小氣缸；12—撞針組件；13—鐵環(huán)；14—電磁鐵；15—彈夾彈簧；16—排釘。圖1 雙氣缸氣釘槍機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanism of double-cylinder pneumatic nail gun

圖1中，直流電機(jī)1與行星減速器2輸入軸固結(jié)，曲柄3與行星減速器2輸出軸固結(jié)。連桿4一端與曲柄3鉸接，另一端與大活塞7(滑塊)鉸接。小氣缸11套在大氣缸7內(nèi)，偏心布置，前端開有排氣孔6，末端裝有小型電磁鐵14。大氣缸8前端也開有排氣孔10，末端裝有底蓋9。底蓋9內(nèi)部鏤有通氣道，使得小氣缸11與大氣缸8相通。撞針組件12(小活塞)末端鑲有鐵環(huán)13。排釘16在彈夾彈簧15的作用下與機(jī)架相頂。初始狀態(tài)時(shí)，在電磁鐵14的作用，撞針組件12被吸附在小氣缸11末端，通氣道被堵住。當(dāng)電機(jī)1將動(dòng)力傳給行星減速器2，曲柄3通過連桿4帶動(dòng)大活塞7運(yùn)動(dòng)。大活塞7經(jīng)過排氣孔10后壓縮空氣使得大氣缸8內(nèi)氣壓增大。此時(shí)撞針組件12末端受到一定壓力。隨著大活塞7的運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)壓強(qiáng)逐漸增大。當(dāng)大活塞7到一定位置，電路系統(tǒng)收到大活塞7的位置信號(hào)，電磁鐵14斷電，撞針組件12射出。與沖擊氣缸類似，撞針組件12突破瞬間壓強(qiáng)不變，但氣體流通截面面積急劇增大，即撞針組件12在突破瞬間受到的壓力劇增。氣體膨脹將儲(chǔ)存的能量釋放，推動(dòng)撞針組件12。撞針組件12運(yùn)動(dòng)到極限位置將釘子打入木頭，且經(jīng)過小氣缸排氣孔6的位置，使得小氣缸內(nèi)膨脹的氣體通過排氣孔6部分釋放。撞針組件12剩余的能量由減震墊5吸收。減震墊5回彈使得撞針組件12再次經(jīng)過排氣孔6位置，小氣缸11又呈密封環(huán)境。撞針組件12打釘瞬間完成，在這段時(shí)間內(nèi)大活塞7位移量極小。大活塞7從其極限位置返回，回程產(chǎn)生負(fù)壓，撞針組件12被吸回。同時(shí)排釘16在彈簧15作用下填補(bǔ)射出那枚釘子的位置。大活塞7運(yùn)動(dòng)到回程的極限位置，將經(jīng)過大氣缸排氣孔10位置，使得大氣缸8又恢復(fù)到一個(gè)大氣壓，不影響下次作業(yè)。

雙氣缸氣釘槍采用行星減速器減速，使得曲柄以較大的扭矩壓縮氣體，儲(chǔ)存足夠的能量。這樣，一方面避免了傳統(tǒng)氣動(dòng)槍需要另帶空氣壓縮機(jī)的缺陷，另一方面相比電動(dòng)射釘槍撞針組件可以獲得更大的能量，冒釘現(xiàn)象減少，綜合優(yōu)勢(shì)明顯。

2 雙氣缸氣釘槍工作參數(shù)的確定及沖擊功測(cè)定

國外的便攜式釘槍一般規(guī)定打釘60次/min，為滿足這一要求，與國外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，曲柄轉(zhuǎn)速至少應(yīng)大于60 r/min?？紤]到用戶操作上存在延遲，電機(jī)效率在操作中會(huì)發(fā)生改變等其他因素，取設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為142 r/min。

釘槍能否順利工作取決于撞針組件獲得的沖擊功。為合理設(shè)計(jì)釘槍參數(shù)，購買市面上的便攜式手動(dòng)打釘槍，使用F30的排釘在松木、橡木和紫檀木上進(jìn)行打釘試驗(yàn)，沖擊功測(cè)定試驗(yàn)如圖2所示，將沖擊功的測(cè)量轉(zhuǎn)化為重錘的重力勢(shì)能的計(jì)算：

W1=m1gh1，

(1)

W2=m1g(h0+h1)+m2gh0。

(2)

式(1)～(2)中：W1為撞針克服釘子間膠結(jié)力所做的功；m1為重錘質(zhì)量，4.47 kg；g為重力加速度；h1為重錘下落高度；W2為撞針將釘子擠入消耗的能量；m2為撞針組件的質(zhì)量，50 g；h0為撞針組件在打釘前的伸出高度，49 mm。

多次試驗(yàn)結(jié)果顯示，松木木質(zhì)較疏松，重錘下落74 mm左右即可將釘子打入；而紫檀木木質(zhì)致密，增大高度h1不能使釘子射入反而導(dǎo)致釘子變形；橡木密度硬度較為適中，故以打橡木的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，恰能使釘子脫離排釘?shù)膆1為7 mm左右，換算成W1為0.3 J，使釘子沒入橡木所需h1為176 mm，換算成W2為9.88 J。

圖2 氣釘槍作業(yè)時(shí)所需沖擊功測(cè)定試驗(yàn)Fig.2 Test of the impact work required for the pneumatic nail gun

3 雙氣缸氣釘槍參數(shù)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 撞針組件運(yùn)動(dòng)過程分析及氣缸參數(shù)計(jì)算

1—小氣缸；2—小活塞；3—電磁鐵。圖3 撞針組件脫離磁鐵第一階段受力圖Fig.3 Force situation of striker in the first stage when removed from magnet

以撞針組件突破瞬間為分界點(diǎn)，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程分成大活塞壓縮氣體和撞針組件射出兩個(gè)過程。由于撞針組件射釘速度遠(yuǎn)大于大活塞運(yùn)動(dòng)速度，因此，在分析撞針組件運(yùn)動(dòng)時(shí)可忽略大活塞運(yùn)動(dòng)帶來的影響。撞針組件脫離磁鐵后，其運(yùn)動(dòng)可分為三個(gè)階段。

第一階段為變加速階段，設(shè)運(yùn)動(dòng)距離為x1，該階段的受力如圖3所示。根據(jù)牛頓第二定律和理想氣體狀態(tài)方程，易得該階段加速度的變化規(guī)律為：

(3)

式(3)中：Pc為突破后氣缸內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)；P0為大氣壓強(qiáng)；Vc為突破狀態(tài)下對(duì)應(yīng)氣缸內(nèi)的體積；f為氣缸壁上的摩擦阻力；x為小活塞的位移；a為小活塞的加速度；m3為小活塞的質(zhì)量；A1為小活塞端面面積。

撞針運(yùn)動(dòng)的速度直接影響打釘?shù)牧Χ?。為探求速度的變化?guī)律，將位移分為一個(gè)個(gè)小微元，假設(shè)每個(gè)微元Δx為1 mm。由式(3)易知加速度是隨位移變化的函數(shù)，每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)加速度。將每個(gè)微元中小活塞首末位置的加速度取平均值，并認(rèn)為在這一個(gè)微元中小活塞是以平均加速度做勻加速運(yùn)動(dòng)。由于初態(tài)的速度v0為0，根據(jù)式(4)～(6)可求解得每段微元所花費(fèi)的時(shí)間Δt，進(jìn)而求出速度的增量，得到小活塞運(yùn)動(dòng)每微元獲得的速度。

(4)

(5)

(6)

第二階段，撞針與釘子發(fā)生碰撞(損失一部分能量用于克服單枚釘子從排釘中脫離做功)，并隨釘子一同向前運(yùn)動(dòng)，設(shè)位移量為x2。該階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析如圖4所示。碰撞導(dǎo)致撞針組件的速度出現(xiàn)突降，運(yùn)動(dòng)分析與第一階段類似，其加速度變化規(guī)律為：

(7)

式(7)中：m4為釘子的質(zhì)量；f1為釘子間的滑動(dòng)摩擦阻力和撞針與頂蓋間的摩擦阻力。

圖4 撞針組件脫離磁鐵第二階段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析Fig.4 Force situation of striker in the second stage when removed from magnet

第三階段，釘子與木頭發(fā)生碰撞，并在撞針的作用下擠入木頭，并伴隨撞針組件與減震墊的碰撞，減震墊被壓縮，從而吸收撞針組件多余的能量。該階段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖5所示。

圖5 撞針組件脫離磁鐵第三階段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析Fig.5 Force situation of striker in the third stage when removed from magnet

整體受力情況較為復(fù)雜，故采用能量守恒的方式進(jìn)行分析，可得：

(8)

通用的氣釘槍小活塞直徑為30 mm。根據(jù)尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)緊湊等要求，試選吸力8 kg的電磁鐵，設(shè)計(jì)第一階段、第二階段加速位移量x1和x2皆為20 mm，小活塞突破前大活塞距底蓋1.5 cm。根據(jù)撞針組件的運(yùn)動(dòng)分析，以大活塞直徑為變量，并同選定的設(shè)計(jì)參數(shù)帶入到公式中進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)大氣缸直徑d1為70 mm，能夠滿足第三階段撞針的動(dòng)能大于W2。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)小孔直徑為9 mm，可將磁鐵吸力轉(zhuǎn)化為小活塞突破時(shí)的壓強(qiáng)；設(shè)計(jì)大活塞距底蓋距離為2 mm，并考慮底蓋鏤空部分體積，轉(zhuǎn)化為突破時(shí)氣體體積。由理想氣體狀態(tài)方程求得大活塞的壓縮量為51.85 mm。

圖6 撞針組件速度隨位移變化曲線Fig.6 Change curve of the striker speed varying with the Displacement

考慮到余隙、底蓋厚度、大氣缸壁厚、排氣孔位置布置及大活塞長度等因素，設(shè)計(jì)大氣缸總長度為9 cm。

根據(jù)以上參數(shù)，編寫程序計(jì)算得到撞針組件脫離電磁鐵后的運(yùn)動(dòng)特性，如圖6所示。其中速度曲線在小活塞運(yùn)動(dòng)20 mm有一次小波動(dòng)，這是由于單枚直釘從排釘中脫離造成的。撞針組件末態(tài)速度為26.7 m/s，動(dòng)能為17.82 J。考慮泄露、熱損失等問題，對(duì)動(dòng)能乘以一個(gè)0.8的折合系數(shù)，仍滿足射釘所需的9.88 J能量要求。

3.2 曲柄滑塊分析及設(shè)計(jì)

大活塞壓縮氣體的過程即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作過程。由于滑塊和連桿的質(zhì)量較小，曲柄轉(zhuǎn)速并不高，其產(chǎn)生的慣性力相對(duì)于壓縮空氣產(chǎn)生的壓力較小，在設(shè)計(jì)階段不考慮慣性力的影響。對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖7所示，建立任意時(shí)刻滑塊的位置方程和轉(zhuǎn)矩變化方程：

(9)

(10)

式(9)～(10)中：α為曲柄轉(zhuǎn)角；λ為桿長比;A0為大活塞面積。

根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的特性，易知滑塊的位移量為2倍的曲柄長，從而求得曲柄桿長為25.924 mm。以連桿桿長為設(shè)計(jì)變量，壓縮過程中曲柄轉(zhuǎn)矩最大值最小為目標(biāo)函數(shù)，可求得最優(yōu)桿長為63.23 mm。在這組參數(shù)下，曲柄轉(zhuǎn)矩隨大活塞位移變化的規(guī)律如圖8所示。

圖7 曲柄滑塊機(jī)簡(jiǎn)圖及受力分析圖Fig.7 Brief analysis of crank slider mechanism and analysis of force

圖8 曲柄轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律Fig.8 Variation rule of crank torque

3.3 三級(jí)2Z-X(A)型微型行星輪減速器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)減速器前先選取合適電機(jī)。電機(jī)功率按下式進(jìn)行計(jì)算：

(11)

式(11)中：M為曲柄轉(zhuǎn)矩；θ為轉(zhuǎn)角；t為曲柄壓縮過程所花費(fèi)的時(shí)間；η1為一級(jí)行星輪系傳動(dòng)效率；η2為二級(jí)行星輪系傳動(dòng)效率；η3為三級(jí)行星輪系傳動(dòng)效率；η4為聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率。

求得電機(jī)所需提供功率為239.96 W。按功率選用RS-775WC-8514直流有刷電機(jī)，該電機(jī)額定功率為273 W，額度轉(zhuǎn)速為17 000 r/min。

根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速確定三級(jí)行星齒輪的傳動(dòng)比為119.718。分配傳動(dòng)比，對(duì)齒輪進(jìn)行配齒計(jì)算，并按傳動(dòng)比條件、同心條件、鄰接條件和安裝條件驗(yàn)算各配齒數(shù)。初步計(jì)算齒輪參數(shù)、嚙合參數(shù)，分配變位系數(shù)，完成幾何尺寸計(jì)算并按齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)每個(gè)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核。

齒輪的參數(shù)列于表1，其中一、二級(jí)減速器共用一個(gè)內(nèi)齒輪，故表中無二級(jí)內(nèi)齒輪參數(shù)。最終確定減速器總傳動(dòng)比為116.64，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比誤差為2.6%。

表1 減速器齒輪參數(shù)表Table 1 Parameters of reducer gear

3.4 雙氣缸釘槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Pro/e三維建模技術(shù)完成釘槍機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。雙氣缸裝置是機(jī)器的核心部分，根據(jù)其布局尺寸構(gòu)建整把釘槍的骨架模型，以自頂向下的設(shè)計(jì)原則，傳遞幾何特征，創(chuàng)建一級(jí)控件、二級(jí)控件。其中設(shè)計(jì)雙氣缸裝置時(shí)需充分考慮密封問題，設(shè)計(jì)減速器時(shí)將潤滑和密封考慮進(jìn)去。在主體設(shè)計(jì)及內(nèi)部零件創(chuàng)建完成基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)彈夾尺寸與主體相配。整體三維模型如圖9所示。

1—電機(jī)；2—行星減速器；3—曲柄；4—連桿；5—減震墊；6—大活塞；7—小氣缸；8—大氣缸；9—撞針組件； 10—?dú)んw；11—底蓋；12—電磁鐵；13—鐵環(huán)；14—末端調(diào)節(jié)旋鈕；15—彈夾；16—排釘。圖9 雙氣缸釘槍三維模型Fig.9 3D model of double-cylinder nail gun

4 雙氣缸氣釘槍研制及打釘試驗(yàn)

圖10 打釘比較試驗(yàn)Fig.10 Comparing nail tests

研制實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行打釘測(cè)試，并與普通電動(dòng)射釘槍進(jìn)行比較(圖10)。木材選用橡木，直釘型號(hào)選用F30，兩種釘槍的操作由同一人完成，連續(xù)在木板上打釘60次，比較釘子末端露出木板的距離，并記錄兩次打釘所花的時(shí)間，重復(fù)試驗(yàn)3次，試驗(yàn)結(jié)果平均值見表2。

表2 打釘試驗(yàn)結(jié)果比較Table 2 Comparison of nail test results

由表2可知，樣機(jī)的打釘力度較大，使得木材表面下凹，需要進(jìn)一步改善，冒釘發(fā)生頻率比電動(dòng)射釘槍減少了13.3%，有很大改善。由于操作原因和釘子品質(zhì)問題，每次操作打釘60次總時(shí)間并不能總保證在1 min內(nèi)完成，但是總體而言，較電動(dòng)釘槍性能更佳，有望通過優(yōu)化與國外產(chǎn)品相競(jìng)爭(zhēng)。

5 結(jié) 論

筆者提出了一種便攜式雙氣缸氣釘槍，并對(duì)其撞針組件的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行詳細(xì)的研究。所研制的實(shí)物樣機(jī)與常用的電動(dòng)射釘槍相比較，便攜式雙氣缸釘槍的力度更大，冒釘現(xiàn)象減少了13.3%，總體優(yōu)勢(shì)明顯。

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Developmentandtestofaportabledouble-cylinderpneumaticnailgun

LI Yang1, XIA Xudong1,2, CHEN Jianneng1,2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci -Tech University, Hangzhou 310018, Zhejiang, China; 2.Zhejiang Provice Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology, Hangzhou 310018, Zhejiang, China)

In response to the shortcomings of traditional pneumatic nail guns which can not operate for the long term without a compressor, a portable nail gun design was proposed, using the eccentric arrangement of two cylinders of unequal sizes. To achieve the purpose of nailing, a large piston compresses the gas to store energy in the big cylinder and a small piston is triggered through electronic components releasing the gas energy instantaneously. Through the nail test, the impact energy of the nail gun was obtained. According to analysis of the striker movement process and the established mathematical model, the parameters of the portable double-cylinder pneumatic nail gun were calculated, including the layout and sizes of the cylinders, parameters of the crank slider mechanism and the 2Z-X (A) three-micro-planetary-gear reducer. Besides, a prototype of the portable double-cylinder pneumatic nail gun was developed and tested comparing with an electric needle nail gun which uses electromagnets to push the striker directly. The test shows the strength of prototype was greater and the rate of fail nailing reduced by 13%.

double-cylinder pneumatic nail gun; crank slider mechanism; Pro/e modeling; nail test

TS914.54

A

1671-8798(2017)06-0457-07

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.06.010

2017-05-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51675486)；浙江省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(Y201738371)

陳建能(1972— )，男，福建省泉州人，教授，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)構(gòu)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：jiannengchen@zstu.edu.cn。