一種新型的射釘槍撞針結構

吳鵬程，王金娥（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州　215021）

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一種新型的射釘槍撞針結構

吳鵬程，王金娥
（蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215021）

摘要：通過對現有兩種結構撞針（凹面結構撞針和平面結構撞針）的實際對比測試，找出其影響射釘成功率和使用壽命的主要因素。在此基礎上對現有結構進行優化設計，提出一種新型的撞針結構，使其兼具凹面結構射釘成功率高和平面結構撞針使用壽命長的優點。

關鍵詞：撞針；射釘；優化設計

0　引言

射釘緊固技術是一種先進的緊固技術，它是運用射釘槍擊發射釘彈或引爆可燃燒氣體產生能量直接或間接地把射釘釘入鋼鐵、混凝土、磚砌體、巖石等基材中，將需要固定的構件永久或臨時地固定上去。這種緊固技術有自帶能源、操作快速、工期短、效率高、減輕工人勞動強度、安裝可靠、施工成本低等優點，是其他緊固方法不可比擬的。因此在國外廣泛用于建筑、冶金、安裝、礦山、造船、通訊、交通、水下作業和國防施工等行業。近年來國內已在建筑、安裝、冶金等行業中廣泛采用[1]。

根據ANSI A10.3-2006標準，按照爆炸產生的氣體作用于射釘上的方式可以把射釘槍分為直接驅動式射釘槍和間接式驅動射釘槍[2]，目前市面上出售的射釘槍大多為間接驅動射釘槍。作為間接驅動射釘槍的核心部件——撞針，其結構對射釘成功率的影響很大。因此本文以現有的兩種撞針為研究對象，分析撞針結構對射釘成功率的影響，并提出了一種新型結構的撞針。

1　間接/直接驅動射釘槍的作用原理

直接驅動射釘槍是由爆炸產生的膨脹氣體直接作用于射釘，如圖1所示。由于射釘的質量較小，可以把射釘加速至400~500 m/s (1 300~1 600 fps)。在這樣高的速度下，導致了直接驅動式射釘槍在使用范圍上受到了諸多限制。

圖1　直接驅動式射釘槍

間接驅動式射釘槍則是使用爆炸產生的膨脹氣體推動撞針錘擊射釘，見圖2。相較于射釘而言，由于撞針的質量較大，間接驅動射釘槍可以有效地降低射釘的速度至100 m/s (328 fps)左右。較低的射釘出膛速度可以有效降低因為不正確操作而造成人身傷害的發生概率，所以間接式驅動射釘槍在使用范圍方面的限制比直接驅動射釘槍少許多，應用更普遍。

圖2　間接驅動式射釘槍

2　兩種現有結構撞針的分析對比

目前常見的撞針有平面的和凹面的，見圖3、圖4。前者廣泛使用于很多廠家的產品中，如ITW等，而后者僅被喜利得等少數廠家采用。

平面結構撞針和與其配合的射釘易于加工制造，成本較低。

圖3　凹面結構撞針和凸面射釘

圖4　平面結構撞針和平面射釘

在實際使用過程中，由于射釘在放入槍膛時經常會有些傾斜，使得射釘的軸線與撞針軸線不在一條直線上，在射釘過程中無法矯正射釘角度或矯正效果非常有限，導致射釘經常不能以垂直角度射入基材，見圖5。而凹面結構撞針由于要求與其配合的射釘釘帽具有凸面結構，凹凸面的相互配合可以保證撞針在高速撞擊射釘時，撞針凹面和射釘凸面的首先接觸而起到矯正射釘角度的作用，使得撞針和射釘的中心軸在一條直線上，保證射釘是以垂直角度射入基材，見圖6。但是凹面結構撞針與平面結構撞針比較，增加了制造難度同時也要在射釘上使用更多的原材料，使得射釘成本升高。

現對上述兩種結構的撞針進行射釘成功率測試，測試方法如下：采用兩把相同的喜利得DX460MX-F8火藥射釘槍和紅色火藥（調節射釘能量至相同的能量等級），把射釘打入不同強度的混凝土中（C20/ C30/C50）來比較射釘成功率。不同之處是兩把射釘槍配備了不同結構的撞針（平面結構撞針和凹面結構撞針）和與其相配合的射釘，兩種不同結構撞針在同一塊混凝土上射入呈斜線交替排列的相應結構的射釘（平面射釘和凹面射釘）見圖7，這樣可以盡可能的排除由于混凝土的不均勻性對射釘成功率的影響。

圖5　平面結構撞針和平面射釘

圖6　凹面結構撞針和凸面射釘

圖7　射釘位置

對比測試的結果見表1，從表1中可以看出，采用凹面結構撞針配合以凸面射釘的射釘成功率相較于平面結構撞針和平面射釘在三種硬度的混凝土上都均有一定程度的提高。

表1　平/凹面機構撞針射釘成功率比較

但是相比較于凹面結構撞針，平面結構撞針在撞擊射釘的過程中受力面積大，因此所承受的應力較低這有助于提高撞針的壽命。下圖是相同材質和熱處理方式的凹面結構撞針和平面撞針在相同受力（F=40 000 N）條件下的應力分析，凹面結構撞針的最大應力為3 583 MPa且集中于凹面，在實際應用過程中這一區域容易出現損壞，而平面結構撞針的最大應力只有1 728 MPa，只有平面凹面撞針的48%。

由此可見，凹面設計撞針可以有效地提高射釘成功率，但是平面設計撞針的使用壽命比凹面設計撞針長。為了在保證一定的射釘成功率的前提下又能有效的提高撞針的壽命，需要對現有的撞針結構進行改進。

圖8　凹面結構撞針

圖9　平面結構撞針

3　一種新型的撞針

現在的凹面結構撞針和凸面射釘的配合過程是：射釘的突起部分和撞針凹面首先接觸起到對中作用，撞針進一步擠壓射釘凸起，撞針周邊平面開始和射釘釘帽周邊平面接觸受力，見圖10。但是由于射釘凸起面積有限，導致在撞擊開始的一段時間里撞針凹面應力較高而導致撞針使用壽命的縮短。

圖10　凹面撞針和射釘的配合方式

圖11　改進后的撞針和射釘的配合方式

為此在現在凹面撞針結構的基礎上進行改進，縮小射釘釘帽凸起，縮小并加深撞針凹面，這樣在射釘過程中撞針凹面只起到矯正射釘角度的作用而并不和釘帽凸起接觸，受力面為撞針平面和射釘釘帽平面，見圖11。

由上兩圖的標記尺寸可知原凹面結構撞針和射釘接觸面積約為38.5 mm2，而改進后的撞針和射釘的接觸面積擴大到約為55.5 mm2。簡單的計算可知改進后的撞針的最大應力較原凹面結構撞針的最大應力下降約45%。

表2為基于和上述相同的實際測試方法做的改進后的撞針和原凹面結構撞針的射釘成功率的結果對比，可見在射釘成功率上改進后的撞針和原凹面結構撞針幾乎一致，而通過應力的對比分析可知改進后的撞針在壽命上也能有一定的提高。

表2　改進后的撞針和凹面撞針的射釘成功率比較

4　結論

通過對目前的結構的撞針的優化，新的撞針結構可以在保證射釘成功率的前提下有效的提高壽命，兼具原凹面結構撞針射釘成功率高的優點，并且由于射釘的釘帽凸起減小可以有效的減少原材料的消耗從而降低射釘的制造成本。

參考文獻：

［1］閻鳳閣.射釘緊固技術與射釘緊固器材的發展研討［J］.四川兵工學報，1997（04）：6.

［2］ANSI A10.3-2006.火藥驅動的緊固系統的安全要求［S］.

(編輯：阮毅)

A New Piston Structure for Nail Gun

WU Peng-cheng，WANG Jin-e
（School of Mechanical and Electronic Engineering of Soochow University，Suzhou215021，China）

Abstract:Analysis two different kinds of existing pistons to find out the main effect factors of the setting successes rate and the working life. Based on this study, a new structure piston comes up to combine these advantages from these two existing pistons to make this new structure piston have a higher setting success rate and meanwhile with a longer working life.

Key words:piston；nail；optimization design

作者簡介：第一吳鵬程，男，1986年生，湖北襄陽人，碩士研究生，工程師。研究領域：射釘槍及其耗材的研發工作。

收稿日期：2015－05－14

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 010

中圖分類號：TJ279

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0037－03