一种新型的射钉枪撞针结构

吴鹏程，王金娥（苏州大学机电工程学院，江苏苏州　215021）



一种新型的射钉枪撞针结构

吴鹏程，王金娥
（苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021）

摘要：通过对现有两种结构撞针（凹面结构撞针和平面结构撞针）的实际对比测试，找出其影响射钉成功率和使用寿命的主要因素。在此基础上对现有结构进行优化设计，提出一种新型的撞针结构，使其兼具凹面结构射钉成功率高和平面结构撞针使用寿命长的优点。

关键词：撞针；射钉；优化设计

0　引言

射钉紧固技术是一种先进的紧固技术，它是运用射钉枪击发射钉弹或引爆可燃烧气体产生能量直接或间接地把射钉钉入钢铁、混凝土、砖砌体、岩石等基材中，将需要固定的构件永久或临时地固定上去。这种紧固技术有自带能源、操作快速、工期短、效率高、减轻工人劳动强度、安装可靠、施工成本低等优点，是其他紧固方法不可比拟的。因此在国外广泛用于建筑、冶金、安装、矿山、造船、通讯、交通、水下作业和国防施工等行业。近年来国内已在建筑、安装、冶金等行业中广泛采用[1]。

根据ANSI A10.3-2006标准，按照爆炸产生的气体作用于射钉上的方式可以把射钉枪分为直接驱动式射钉枪和间接式驱动射钉枪[2]，目前市面上出售的射钉枪大多为间接驱动射钉枪。作为间接驱动射钉枪的核心部件——撞针，其结构对射钉成功率的影响很大。因此本文以现有的两种撞针为研究对象，分析撞针结构对射钉成功率的影响，并提出了一种新型结构的撞针。

1　间接/直接驱动射钉枪的作用原理

直接驱动射钉枪是由爆炸产生的膨胀气体直接作用于射钉，如图1所示。由于射钉的质量较小，可以把射钉加速至400~500 m/s (1 300~1 600 fps)。在这样高的速度下，导致了直接驱动式射钉枪在使用范围上受到了诸多限制。

图1　直接驱动式射钉枪

间接驱动式射钉枪则是使用爆炸产生的膨胀气体推动撞针锤击射钉，见图2。相较于射钉而言，由于撞针的质量较大，间接驱动射钉枪可以有效地降低射钉的速度至100 m/s (328 fps)左右。较低的射钉出膛速度可以有效降低因为不正确操作而造成人身伤害的发生概率，所以间接式驱动射钉枪在使用范围方面的限制比直接驱动射钉枪少许多，应用更普遍。

图2　间接驱动式射钉枪

2　两种现有结构撞针的分析对比

目前常见的撞针有平面的和凹面的，见图3、图4。前者广泛使用于很多厂家的产品中，如ITW等，而后者仅被喜利得等少数厂家采用。

平面结构撞针和与其配合的射钉易于加工制造，成本较低。

图3　凹面结构撞针和凸面射钉

图4　平面结构撞针和平面射钉

在实际使用过程中，由于射钉在放入枪膛时经常会有些倾斜，使得射钉的轴线与撞针轴线不在一条直线上，在射钉过程中无法矫正射钉角度或矫正效果非常有限，导致射钉经常不能以垂直角度射入基材，见图5。而凹面结构撞针由于要求与其配合的射钉钉帽具有凸面结构，凹凸面的相互配合可以保证撞针在高速撞击射钉时，撞针凹面和射钉凸面的首先接触而起到矫正射钉角度的作用，使得撞针和射钉的中心轴在一条直线上，保证射钉是以垂直角度射入基材，见图6。但是凹面结构撞针与平面结构撞针比较，增加了制造难度同时也要在射钉上使用更多的原材料，使得射钉成本升高。

现对上述两种结构的撞针进行射钉成功率测试，测试方法如下：采用两把相同的喜利得DX460MX-F8火药射钉枪和红色火药（调节射钉能量至相同的能量等级），把射钉打入不同强度的混凝土中（C20/ C30/C50）来比较射钉成功率。不同之处是两把射钉枪配备了不同结构的撞针（平面结构撞针和凹面结构撞针）和与其相配合的射钉，两种不同结构撞针在同一块混凝土上射入呈斜线交替排列的相应结构的射钉（平面射钉和凹面射钉）见图7，这样可以尽可能的排除由于混凝土的不均匀性对射钉成功率的影响。

图5　平面结构撞针和平面射钉

图6　凹面结构撞针和凸面射钉

图7　射钉位置

对比测试的结果见表1，从表1中可以看出，采用凹面结构撞针配合以凸面射钉的射钉成功率相较于平面结构撞针和平面射钉在三种硬度的混凝土上都均有一定程度的提高。

表1　平/凹面机构撞针射钉成功率比较

但是相比较于凹面结构撞针，平面结构撞针在撞击射钉的过程中受力面积大，因此所承受的应力较低这有助于提高撞针的寿命。下图是相同材质和热处理方式的凹面结构撞针和平面撞针在相同受力（F=40 000 N）条件下的应力分析，凹面结构撞针的最大应力为3 583 MPa且集中于凹面，在实际应用过程中这一区域容易出现损坏，而平面结构撞针的最大应力只有1 728 MPa，只有平面凹面撞针的48%。

由此可见，凹面设计撞针可以有效地提高射钉成功率，但是平面设计撞针的使用寿命比凹面设计撞针长。为了在保证一定的射钉成功率的前提下又能有效的提高撞针的寿命，需要对现有的撞针结构进行改进。

图8　凹面结构撞针

图9　平面结构撞针

3　一种新型的撞针

现在的凹面结构撞针和凸面射钉的配合过程是：射钉的突起部分和撞针凹面首先接触起到对中作用，撞针进一步挤压射钉凸起，撞针周边平面开始和射钉钉帽周边平面接触受力，见图10。但是由于射钉凸起面积有限，导致在撞击开始的一段时间里撞针凹面应力较高而导致撞针使用寿命的缩短。

图10　凹面撞针和射钉的配合方式

图11　改进后的撞针和射钉的配合方式

为此在现在凹面撞针结构的基础上进行改进，缩小射钉钉帽凸起，缩小并加深撞针凹面，这样在射钉过程中撞针凹面只起到矫正射钉角度的作用而并不和钉帽凸起接触，受力面为撞针平面和射钉钉帽平面，见图11。

由上两图的标记尺寸可知原凹面结构撞针和射钉接触面积约为38.5 mm2，而改进后的撞针和射钉的接触面积扩大到约为55.5 mm2。简单的计算可知改进后的撞针的最大应力较原凹面结构撞针的最大应力下降约45%。

表2为基于和上述相同的实际测试方法做的改进后的撞针和原凹面结构撞针的射钉成功率的结果对比，可见在射钉成功率上改进后的撞针和原凹面结构撞针几乎一致，而通过应力的对比分析可知改进后的撞针在寿命上也能有一定的提高。

表2　改进后的撞针和凹面撞针的射钉成功率比较

4　结论

通过对目前的结构的撞针的优化，新的撞针结构可以在保证射钉成功率的前提下有效的提高寿命，兼具原凹面结构撞针射钉成功率高的优点，并且由于射钉的钉帽凸起减小可以有效的减少原材料的消耗从而降低射钉的制造成本。

参考文献：

［1］阎凤阁.射钉紧固技术与射钉紧固器材的发展研讨［J］.四川兵工学报，1997（04）：6.

［2］ANSI A10.3-2006.火药驱动的紧固系统的安全要求［S］.

(编辑：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

作者简介：第一吴鹏程，男，1986年生，湖北襄阳人，硕士研究生，工程师。研究领域：射钉枪及其耗材的研发工作。

收稿日期：2015－05－14

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

中图分类号：TJ279

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 ( 2015 ) 11－0037－03