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CN111946816B - 气浮活塞及气缸 - Google Patents

气浮活塞及气缸 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气浮活塞及气缸，包括活塞主体，所述活塞主体内设有气腔，所述气腔通过单向进气阀控制以被封闭或者连通所述活塞主体外部；所述活塞主体上设有安装孔，所述安装孔沿所述活塞主体的径向连通所述气腔和所述活塞主体外部；节流塞，所述节流塞装配于所述安装孔内；所述节流塞内沿其轴向设有通孔，所述通孔内固定有毛细管，所述毛细管的一端伸出所述通孔延伸至所述气腔内，使得所述气腔还通过所述毛细管连通所述活塞主体外部。本发明的气浮活塞及气缸，使用内径为0.05～0.2mm的毛细管取代直接在节流塞内加工节流狭缝，使用毛细管大大降低气浮活塞对加工精度的要求，加工成本低，装配难度小，且具有较高的气膜刚度。

Description

气浮活塞及气缸
技术领域
本发明涉及动力机械技术领域，具体涉及一种气浮活塞，还涉及一种包含有该气浮活塞的气缸。
背景技术
小型回热式低温制冷机通常由直线电机驱动，活塞与气缸间采用间隙密封(单边间隙12～25un)技术，为了保证活塞与气缸之间的无摩擦运动，需采用气体轴承技术，利用活塞与气缸间气隙内的高压气膜给活塞提供充足的径向支撑。传统的气浮活塞在节流塞内加工节流狭缝，利用节流狭缝的节流稳压作用，当气体从节流狭缝中输出时气体速度骤降，动能转换成支撑活塞的压力势能，从而给活塞提供径向支撑。节流狭缝的缝宽在0.05～0.5mm范围内，实际生产过程中，节流狭缝的加工精度要求过高，造成气浮活塞的加工成本居高不下，很难做到低成本的批量生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种气浮活塞及气缸，降低加工精度要求，加工成本低，装配难度小，且具有较高的气膜刚度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气浮活塞，包括，
活塞主体，所述活塞主体内设有气腔，所述气腔通过单向进气阀控制以被封闭或者连通所述活塞主体外部；所述活塞主体上设有安装孔，所述安装孔沿所述活塞主体的径向连通所述气腔和所述活塞主体外部；
节流塞，所述节流塞装配于所述安装孔内；
所述节流塞内沿其轴向设有通孔，所述通孔内固定有毛细管，所述毛细管的一端伸出所述通孔延伸至所述气腔内，使得所述气腔还通过所述毛细管连通所述活塞主体外部。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述毛细管延伸至所述气腔内的一端具有90°折弯部，所述90°折弯部的折弯方向背离所述气腔的进气口。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述毛细管延伸至所述气腔内的部分沿所述节流塞的外壁螺旋设置。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述毛细管的外径与所述通孔的内径相配合，且两者通过胶粘固定。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述节流塞装配于所述安装孔内时，所述节流塞的端帽低于所述安装孔的孔口，且所述安装孔的孔口口径为所述节流塞端帽外径的1.5～2.5倍。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述节流塞螺纹配合装配于所述安装孔内，且其远离所述端帽的一端伸出所述安装孔延伸至所述气腔内。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述活塞主体内设有两个所述气腔，所述两个气腔沿活塞主体的轴向间隔设置，且所述两个气腔通过气道连通。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述活塞主体内设有阀座，所述阀座与所述活塞主体过盈配合封闭所述气腔，所述阀座内设有连通所述气腔和活塞主体外部的进气通道，所述单向进气阀转动连接在所述阀座上，所述单向进气阀的自由端封堵所述进气通道。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述单向进气阀的主体部分包括圆弧段。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种气缸，包括所述的气浮活塞。
本发明的有益效果：
本发明的气浮活塞及气缸，使用内径为0.05～0.2mm的毛细管取代直接在节流塞内加工节流狭缝，利用毛细管的节流稳压作用，当气体从安装孔输出时气体速度骤降，动能全部转换成支撑活塞的压力势能，从而给活塞提供充足的径向支撑，使用毛细管大大降低气浮活塞对加工精度的要求，加工成本低，装配难度小，且具有较高的气膜刚度。
附图说明
图1为本发明优选实施例中气浮活塞的结构示意图；
图2为图1所示气浮活塞的轴向剖面示意图；
图3为本发明气浮活塞工作原理示意图；
图4为本发明优选实施例中节流塞的结构示意图；
图5为本发明另一实施例中节流塞的结构示意图。
图中标号说明：
1-气缸，2-活塞主体，4-阀座，6-气腔，8-单向进气阀，10-安装孔，12-节流塞，14-通孔，16-毛细管，18-90°折弯部，20-端帽，22-螺杆，24-封头，26-进气通道，27-进气口，28-圆弧段，30-气道，32-圆柱形凹槽，34-螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
本发明实施例公开一种气浮活塞，参照图1～3所示，气浮活塞包括活塞主体2和节流塞12，所述活塞主体2内设有气腔6，所述气腔6通过单向进气阀8控制以被封闭或者连通所述活塞主体2外部；具体的，所述活塞主体2内设有阀座4，所述阀座4与所述活塞主体2过盈配合封闭所述气腔6，所述阀座4内设有连通所述气腔6和活塞主体2外部的进气通道26，所述单向进气阀8转动连接在所述阀座4上，所述单向进气阀8的自由端封堵所述进气通道26。当活塞主体2外部压力大于气腔6压力时，活塞主体2外部气体顶开所述单向进气阀8，外部高压气体通过所述进气通道26进入所述气腔6内；反之，当活塞主体2外部压力小于气腔6压力时，所述单向进气阀8封堵所述进气通道26，阻止活塞主体2外部的气体进入气腔6内。
所述活塞主体2上设有安装孔10，所述安装孔10沿所述活塞主体2的径向连通所述气腔6和所述活塞主体2外部，所述节流塞12装配于所述安装孔10内；所述节流塞12内沿其轴向设有通孔14，所述通孔14内固定有毛细管16，所述毛细管16的内径为0.05～0.2mm，所述毛细管16的一端伸出所述通孔14延伸至所述气腔6内，使得所述气腔6还通过所述毛细管16连通所述活塞主体2外部。
图3所示为气浮活塞工作原理示意图，使用时，气浮活塞与气缸缸体间隙配合，当活塞外部压力大于气腔6压力时，外部气体顶开单向进气阀8，外部高压气体通过所述阀座4内的进气通道26进入气腔6内，随后经毛细管16的节流稳压作用从安装孔10的孔口喷出，并均匀喷射至气缸内表面；基于流体力学的伯努利原理，当气体从安装孔10的孔口输出时气体速度骤降，动能全部转换成支撑活塞的压力势能，从而给活塞提供充足的径向支撑，实现活塞与气缸之间的无摩擦运动。
所述毛细管16的外径与通孔14内径相配合，所述毛细管用于取代传统气浮或撒的节流狭缝，相较于在节流塞12上加工缝宽为0.05～0.2mm的节流狭缝，本发明实施例的气浮活塞，在节流塞12上加工与毛细管16适配的通孔14的加工难度大大降低，同时对通孔14的加工精度要求也大大降低，使得气浮活塞的加工成本随之降低。另一方面，传统气浮活塞，由于节流狭缝的缝宽很小，装配过程很难保证节流狭缝不被堵塞，造成气浮活塞的装配难度较高。本发明实施例中使用毛细管16取而代之，直接克服装配难度高的问题，带来装配难度小的技术优势，并具有较高的气膜刚度，给活塞提供充足的径向支撑。
具体的，所述毛细管16和通孔14通过胶粘固定，胶粘固定的一种实现方案中，用极细毛刷蘸取少许清水样环氧胶，均匀涂于节流塞12通孔14的与毛细管16接触的内壁，然后将毛细管16插入通孔14内，插入毛细管16时控制插入的毛细管16的端部低于通孔14孔口，胶干前用酒精棉球位于通孔14孔位处擦拭挤压溢出的胶水。为了避免毛细管16与通孔14在胶粘过程中堵塞毛细管16内径，参照图4所示，所述毛细管的长度d+c应大于节流塞12的螺杆a长度1～6mm。
所述节流塞12包括螺杆22和端帽20，所述节流塞12螺纹配合装配于所述安装孔10内，且其远离所述端帽20的一端伸出所述安装孔10延伸至所述气腔6内。具体的，所述安装孔10包括位于孔口的圆柱形凹槽32和与之连通的螺纹孔34，节流塞12装配于安装孔10内时，通过螺杆22与螺纹孔34螺纹紧配，所述端帽20容纳于所述圆柱形凹槽32内，且所述端帽20的帽沿低于活塞主体2外表面。由公式F＝P·A可知，当通孔14喷出的气体压力P不变时，气浮力大小F与圆柱形凹槽32的截面积A正相关，为了保证气体活塞可以提供充足的气浮力，A必须在一个合理范围内，A过小，则从通孔14喷出的气体无法充分扩散均压，气体压力利用不充分，气浮力不均匀；A过大则会使气体过渡扩散导致气体压力下降和气浮力过小，本实施例技术方案中，所述节流塞12装配于所述安装孔10内时，所述节流塞12的端帽20低于所述安装孔10的孔口，且所述安装孔10的孔口(即圆柱形凹槽32的槽口)口径为所述节流塞12端帽20外径的1.5～2.5倍。
参照图3、4所示，所述毛细管16延伸至所述气腔6内的一端具有90°折弯部18，为了避免因为进气口27的动压影响而导致通孔14出口压力不均匀，所述90°折弯部18的折弯方向背离所述气腔6的进气口27。
可以理解有，为了均匀活塞的径向承载力，所述活塞主体2上沿圆周方向设置有多个所述安装孔10(比如，沿圆周方向间隔设置四个安装孔10)，对应每个所述安装孔10均配置一个所述节流塞12。
在另一实施例中，为了进一步均匀活塞的径向承载力，所述活塞主体2内设有两个所述气腔6，所述两个气腔6沿活塞主体2的轴向间隔设置，且所述两个气腔6通过气道30连通。具体的，由一个气腔6变成两个气腔6时，活塞主体2内设有封头24，所述封头24与活塞主体2过盈配合，此时，所述封头24与阀座4配合将活塞主体2内部分隔成轴向间隔设置的两个气腔6。所述活塞主体2上对应每个气腔6均设置多个所述安装孔10，每个所述安装孔均配置一个所述节流塞12，基于以上原理叙述，设置两个气腔6可以进一步均匀活塞的径向承载力。
作为本发明的进一步改进，所述单向进气阀8的一端转动连接在阀座4上，其另一端(即其自由端)封堵进气通道26，外部压力高于气腔6压力时，单向进气阀8以其与阀座4的连接点为支点(或称单向进气阀8的根部)摆动，参照图1所示，本实施例技术方案中，所述单向进气阀8的主体部分包括圆弧段28，单向进气阀8的圆弧段28可以缓冲单向进气阀8摆动时对其根部的作用力，使得单向进气阀8不容易被折断，延长单向进气阀8的使用寿命。
在本发明的另一种实施例中，针对气腔6进气压力较高的应用情况，需要增加毛细管16的长度来进一步降低气体从通孔14喷出的压力，同时较长的毛细管16也可增强稳压效果，使得通孔14出口的压力更加均匀，当毛细管16的长度增加时，参照图5所示，所述毛细管16延伸至所述气腔6内的部分沿所述节流塞12的外壁螺旋设置。在有限的毛细管16长度下，螺旋设置相较于直管设置具有更大的沿程阻力，使得毛细管16的节流稳压效果更显著。另一方面，毛细管16通过螺旋设置增加长度以应用于进气压力较高的场景时，相较于直管设置有利于减小气浮活塞的直径；基相同的原理，使用毛细管16取代传统气浮活塞的节流狭缝，可以通过增加毛细管16的长度来减小气浮活塞的直径。
本发明实施例还公开一种气缸，其包括以上实施例中的所述气浮活塞，该气缸包含有气浮活塞的所有技术效果，还能实现气缸与活塞的无摩擦运动，提高活塞的使用寿命。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种气浮活塞，包括，
活塞主体，所述活塞主体内设有气腔，所述气腔通过单向进气阀控制以被封闭或者连通所述活塞主体外部；所述活塞主体上沿圆周方向设置有多个安装孔，所述安装孔沿所述活塞主体的径向连通所述气腔和所述活塞主体外部；
节流塞，所述节流塞装配于所述安装孔内，且对应每个所述安装孔均配置一个节流塞；
其特征在于：所述节流塞内沿其轴向设有通孔，所述通孔内固定有毛细管，所述毛细管的一端伸出所述通孔延伸至所述气腔内，使得所述气腔还通过所述毛细管连通所述活塞主体外部；
所述毛细管延伸至所述气腔内的一端具有90°折弯部，所述90°折弯部的折弯方向背离所述气腔的进气口；
所述毛细管延伸至所述气腔内的部分沿所述节流塞的外壁螺旋设置；
所述毛细管的外径与所述通孔的内径相配合，且两者通过胶粘固定；
所述节流塞装配于所述安装孔内时，所述节流塞的端帽低于所述安装孔的孔口，且所述安装孔的孔口口径为所述节流塞端帽外径的1.5~2.5倍；
所述节流塞螺纹配合装配于所述安装孔内，且其远离所述端帽的一端伸出所述安装孔延伸至所述气腔内；
所述活塞主体内设有阀座，所述阀座与所述活塞主体过盈配合封闭所述气腔，所述阀座内设有连通所述气腔和活塞主体外部的进气通道，所述单向进气阀转动连接在所述阀座上，所述单向进气阀的自由端封堵所述进气通道。
2.如权利要求1所述的气浮活塞，其特征在于：所述活塞主体内设有两个所述气腔，所述两个气腔沿活塞主体的轴向间隔设置，且所述两个气腔通过气道连通。
3.如权利要求1所述的气浮活塞，其特征在于：所述单向进气阀的主体部分包括圆弧段。
4.一种气缸，其特征在于：包括如权利要求1~3任一项所述的气浮活塞。
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