充气机

工业设备

充气机又叫打气机、打气泵、充气泵。通过马达的运转来工作。充气机是马达运转，抽气时，连通器的阀门被大气的气压冲开，气体进入气筒，而向轮胎中打气时，阀门又被气筒内的气压关闭，气体就进入了轮胎中。也算是使用了大气压的原理来同汽车、皮球、橡皮船充气。

介绍

氮气弹簧是一种具有弹性功能的部件。它将高压氮气密封在确定的容器中，外力通过柱塞杆将氮气压缩，当外力去除时靠高压氮气膨胀来获得一定的弹压力。氮气弹簧具有体积小、弹力大、寿命长、弹压力恒定等优点，广泛应用于模具、汽车、电子、仪表等工业领域。氮气弹簧技术有着其自身的特点和一定的使用范围，弹簧压力是否恒定是衡量其性能优劣的一个重要指标。一个氮气弹簧在不大的体积内，要释放很大的力量，而这个过程又要反复进行，因此，要保持其工作稳定性，首先要保证氮气弹簧制造时氮气充气压力的一致性。在氮气弹簧的生产过程中，主要还是依靠传统的人工方法来控制弹簧内氮气的压力，不仅误差较大，而且生产效率低、劳动强度高。

针对氮气弹簧的研究主要侧重于其结构设计、加工工艺、润滑密封、应用等方面，而对其质量的控制，特别是涉及充气压力控制的论文几乎没有。设计一种压力可调的氮气弹簧自动充气机，使其能够代替人工，并在一定的压力范围内实现任给压力充气，以提高充气精度、改善充气效率、降低劳动强度。

设计要求

氮气弹簧自动充气机要达到以下设计要求：

（1）充气压力：2～5MPa任意可调；

（2）充气速度：450个/h；

（3）充气精度：±0.1 MPa；

（4）夹紧机构：带有自锁功能；

（5）总体要求：安全稳定。

产品特征

1、采用直驱式强劲大马达，无齿轮磨擦噪音，短时间完成充气。

2、钢制机器、超强压力，超强耐用，保障连续充气；采用不锈钢密气阀门，高质量输出气压。

3、超长5米电源线、高品质高压空气管（附铜接头）。

4、附整套充气气嘴，适用于轮胎、橡皮艇、气垫、充气玩具、球类充气及其他多种用途。

5、无油型设计，清洁环保。配备过流防冲击保险片，确保安全使用。

6、高品质、小体积、携带与贮放方便。

设计关键技术

夹紧机构

（1）夹紧方案的确定

从夹具的角度来看，常用的夹紧机构有螺纹夹紧、斜楔夹紧、偏心轮夹紧、气动夹紧等几种。由于氮气弹簧的充气压力将达到2～5MPa，属于高压工况的范畴，对操作人员存在一定的安全风险，因此夹紧机构的安全性与稳定性就显得尤为重要。螺纹夹紧自锁性好，但工作效率较低；斜楔夹紧在确保自锁的前提下，摩擦角较小，因此工作行程较长，从而影响了夹紧的效率；气动夹紧和联动夹紧的反作用力直接作用于气缸，自锁性无法得到保证。

鉴于此，螺纹夹紧成为夹紧方案的首选，考虑到其工作效率较低，采用气缸驱动的螺纹夹紧方案，以便在自锁性能和工作效率上达到完美的结合。

在气缸的作用下，齿条带动齿轮旋转，齿轮又带动压紧螺杆2 旋转，从而实现对氮气弹簧的夹紧与松开。

（2）密封方案的确定

在氮气弹簧的充气过程中，必须在氮气弹簧底部（氮气弹簧充气口所在部位）和定位密封体定位孔之间形成一个密闭的空间，以便氮气能够充进弹簧。O形圈密封是一种典型的挤压型密封，鉴于其通用性及成熟度，采用O形圈进行密封。O形圈一般安装在密封沟槽内，但是O形密封圈的密封效果在很大程度上取决于O形圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配，形成合理的密封圈压缩量与拉伸量。如果O形圈压缩量过小，就会引起泄漏；反之，如果压缩量过大，则会导致O形密封圈橡胶应力松弛，引起泄漏。

（3）夹紧力的确定

根据生产实际，工厂能够提供的工作气源气压一般大于0.3MPa，因此，以0.3MPa 作为夹紧气缸的工作压力，气缸所需截面积为：S=5.14/0.3=17.143 cm2=1 714.3 mm2参考AirTac 气动元件样本手册，选取气缸缸径50mm，杆径为20mm。

设计压紧螺杆上下行程为12mm，根据螺杆螺距，则每次压紧过程，螺杆要转12/5=2.2圈，由于齿轮节圆直径为32mm，因此气缸所需行程为：L=32×2.2×π=221.168 mm所以，气缸行程取为250 mm。

（4）夹紧过程气动回路的设计夹紧机构及气缸选定后，即可设计该气动控制回路。

需要特别强调的是，由于摩擦力的存在，气动螺纹自锁夹紧机构在松开时，要抵消一部分摩擦力，即松开瞬间的力要大于夹紧力，因此，在设计过程中，要确保气动螺纹自锁夹紧机构在常态下（即电磁阀断电时）气缸处于伸出状态，此时自锁夹紧机构处于松开状态，当给电磁阀通电时，气缸收回，此时自动夹紧机构处于夹紧状态。

高压充气回路

（1）稳压的实现

一方面，在对氮气弹簧进行充气时，压力的稳定性十分重要；另一方面，由于氮气弹簧气腔较小，充气时间极短，容易造成冲击，因此如何保证充气过程中充气压力的稳定是高压充气回路设计的难点。该充气机通过在充气回路中加入一个容积远大于氮气弹簧气腔的稳压蓄能器来解决这个问题。通过压力继电器的控制，可以确保稳压蓄能器中的压力一直处于设计的压力范围，然后通过稳压蓄能器中稳定的高压氮气给弹簧充气，而不是直接由高压氮气瓶向弹簧充气。该方法不仅在理论上可行，同时也能够较大地改善氮气弹簧的充气精度。

（2）充气结束后高压气体的处理

氮气弹簧的充气压力需达到2～5 MPa，相当于最高时要达到50 个标准大气压，因此，在充气结束，夹紧机构松开时，由于定位密封体内存在残余的高压气体，冲击和噪声非常大，容易引起安全隐患，必须在夹紧机构松开前，先把定位密封体内的残余高压气体排出，这也是在进行高压气路设计时必须考虑的问题。

（3）高压气路图的设计

稳压蓄能器由压力继电器控制，压力继电器的控制精度可达到±0.1MPa。

检测稳压蓄能器中的氮气压力是否达到充气要求，如果达到充气要求，则电磁阀通电，系统开始充气；如果压力低于设定的最低值时，则电磁阀断电，然后通过压力继电器打开电磁阀，高压氮气瓶向稳压蓄能器补充高压氮气；当压力达到预先设定的最大值时，通过压力继电器断开电磁阀。这一过程可以始终确保稳压蓄能器中压力的稳定。

充气时，首先判断电磁阀是否断开，如果断开，则可以开始充气。此时，电磁阀通电，稳压蓄能器与氮气弹簧接通，其提供的压力稳定的高压氮气充进弹簧。

充气结束后，电磁阀断开，然后电磁阀通电，将定位密封体内的残余高压气体排出。

实现过程

自动充气机的最终结构设计：

高压气路中，电磁阀是由压力继电器控制的。当稳压蓄能器中的压力低于预先设定的值，则电磁阀通电；当稳压蓄能器中的压力高于预先设定的值，则电磁阀断开。

氮气弹簧的自动充气过程如下：

充气前：当传感器和检测到氮气弹簧装入定位密封体内后，同时按下联动开关，电磁阀通电，从而气缸收回，氮气弹簧被夹紧，完成充气前的准备工作。

补气时：上述准备结束后，高压充气回路接到开始充气的信号。此时，由压力继电器判断稳压蓄能器中的氮气压力是否达到充气要求，如果达到充气要求，则开始充气；如果压力低于设定的最低值时，电磁阀首先断电，然后压力继电器打开电磁阀，高压氮气瓶向稳压蓄能器补充高压氮气；当压力达到预先设定的最大值时，压力继电器断开电磁阀。这一过程可以始终确保稳压蓄能器中压力的稳定。

充气时：首先判断电磁阀是否断开，如果断开，则可以开始充气。此时，电磁阀通电，稳压蓄能器提供的压力稳定的高压氮气充进弹簧。

充气后：电磁阀断开，并接通电磁阀，将定位密封体内的高压残余气体排出；然后给气动自锁夹紧机构发出信号，使电磁阀反向接通，夹紧机构松开。单个弹簧充气过程结束。

总结

研究了一种在一定范围内压力任意可调的氮气弹簧自动充气机，该机器有如下优点：

（1）充气压力任意可调。通过调节压力继电器的阀值，可以在2～5MPa之间的任意压力下对氮气弹簧进行充气，很好地满足了产品多样性的要求。

（2）充气精度高。高压氮气不直接充入氮气弹簧，而是通过稳压蓄能器提供压力稳定的高压气体，不仅消除了充气过程中的冲击和噪声，也使得充气精度得到很大的提高。

（3）操作方便，自动化程度高。除了上下料之外，所有过程自动完成，使得生产效率得到了很大的提高，降低了工人劳动强度。

（4）安全性高。夹紧机构采用螺纹夹紧，自锁性能好，对于高压充气这样的工况，设备安全可靠；同时设计中加入了工件入位传感器和联动开关，消除了工人的误操作风险。

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