一种自由活塞两级缓冲止停机构的制作方法

本发明涉及到高焓激波风洞的驱动技术领域，具体涉及到自由活塞驱动技术中一种自由活塞和缓冲止停机构的设计。

背景技术：

自由活塞激波风洞是采用自由活塞驱动技术的高焓激波风洞，此类风洞通过重活塞压缩器驱动自由活塞等熵压缩单原子驱动气体，达到高温高压状态后驱动激波管运行，试验气体在激波管末端滞止后经过喷管膨胀加速，实现高速高焓流动模拟的目的。

结合图1描述活塞运动过程：初始时刻，活塞在上下游(上游高压空气与下游低压驱动气体)气体的压差作用下由静止开始加速运动，并开始压缩驱动气体，致其压力不断升高，直至活塞前后压力达到平衡，活塞速度达到峰值；随后活塞开始减速，在惯性作用下，继续压缩驱动气体直至主膜片打开，最后在缓冲吸能装置的协助下，实现软着陆。活塞的运动与控制，尤其是软着陆控制技术是自由活塞驱动技术的关键，它关系到驱动性能以及风洞设备的安全。

理论上可以通过合理安排初始参数实现活塞的软着陆。然而，大量计算和试验表明，理论计算获得软着陆的参数集合非常小，在实际运行中仅仅通过选择合适的理论设计参数是无法实现活塞软着陆的，通常综合多种措施来实现活塞的软着陆。

目前国际上著名的几座自由活塞激波风洞都采用自由活塞直接撞击弹性吸能材料的方式实现活塞止停，此种方式存在几个问题：第一，弹性吸能材料极易损坏，每进行几次试验就需要进行更换；第二，当活塞运动控制不当时，活塞以极高的速度直接撞击弹性吸能材料，传递给设备极大的冲击载荷，对设备安全产生影响；第三，当活塞质量较大时，弹性吸能缓冲方式很难完全吸收活塞的残余动能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服目前国际上自由活塞激波风洞设备中存在的弹性缓冲垫易损坏、对设备冲击载荷较大以及缓冲垫吸收活塞动能有限的缺点。提供了自由活塞驱动技术的一种实现方式。

本发明的技术解决方案是：一种自由活塞两级缓冲止停机构，包括两级缓冲止停机构；所述自由活塞呈凹腔结构，运动在压缩管内腔，所述两级缓冲止停机构呈凸起中通结构，包括缓冲结构、支撑环、套筒以及底座；底座为带凸起的中通法兰结构，通过底座将两级缓冲止停机构安装在压缩管末端，套筒套在底座的凸起上；支撑环固定在凸起的前端对套筒进行限位；缓冲结构固定在支撑环的前端；当活塞运动到压缩管末端时，两级缓冲止停机构的凸起进入自由活塞的凹腔结构，套筒与自由活塞的内腔面之间能够相对滑动；自由活塞运动过程中通过自由活塞、压缩管、两级缓冲止停机构之间形成的环形空腔进行一次缓冲，通过与缓冲结构碰撞进行二次缓冲止停。

还包括密封环，通过前端盖安装在自由活塞的运动前端，所述的密封环与前端盖之间的配合面为斜面，该斜面与活塞运动方向成30°-60°夹角，前端盖上设置通气孔，该通气孔作用在上述斜面上。

密封环选择受压产生形变且至少能够耐瞬时1000K温度的材料，所述的受压产生变形要求在3MPa压力下径向产生至少2mm的变形。

所述通气孔孔径范围为所述斜面边长的1/2～2/3，周向均布数量范围8～12。

在底座凸起上周向设置4～8个内径范围为4～8mm的通孔，通过该孔将环形空腔内的压缩气体导出，使环形空腔内的气体压力稳定。

环形空腔内的压力保持在压缩管末端气体压力的4～6倍范围。

所述的缓冲结构为弹性缓冲垫或者薄壁吸能环结构，所述吸能环为带中心通孔的圆柱结构，圆柱结构分为三部分，中间部分为薄壁、两端部分中的一端用于固定，另一端将冲击力传递至中间薄壁，通过薄壁的塑性变形进行吸能。

薄壁上设置周向均布的诱导孔，便于塑性变形。

所述的薄壁长度与外径之比的范围2～5，薄壁外径与薄壁厚度之比范围在30～100。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用两级缓冲吸能方式，第一级，气动缓冲吸能，吸收活塞大部分动能；第二级，变形缓冲吸能，吸收活塞剩余动能。当活塞运动到压缩管末端时，止停机构与压缩管形成环形的气动缓冲腔，当活塞进入缓冲腔时，腔内气体受到压缩，形成缓冲气垫，活塞的动能转化为腔内气体的内能，此为第一级缓冲；活塞减速，最终以较低的速度撞击到二级缓冲结构上，通过二级缓冲结构的弹性或塑性变形实现活塞软着陆。

(2)环形气动缓冲腔内布置有的周向通孔，利于气动缓冲腔内的气体缓慢排出，保持缓冲腔内压力稳定，减小活塞回弹的可能。

(3)二级缓冲结构为变形吸能结构，采用弹性变形吸能结构或薄壁圆柱结构塑性变形吸能结构。

(4)自由活塞上的前端盖、挡圈、活塞本体以及后端盖为金属材质，耐磨环材质为具有自润滑特性的高分子聚合物，在活塞运动时耐磨环与压缩管内壁配合，起到支撑活塞作用。密封环材质为耐瞬时高温的高分子聚合物，受到压力能够发生弹性变形，实现密封；同时，密封环与压缩管内壁之间的摩擦力随着活塞下游压力的升高而增大，起到刹车功能。其中，驱动气体通过前端盖上的通气孔作用在密封环的斜面上。

附图说明

图1为活塞运动过程示意图。

图2为自由活塞结构图。

图3为两级缓冲止停机构结构图。

图4为密封环工作原理示意图。

图5为气动缓冲原理示意图。

其中：1-活塞，2-止停机构，3-压缩管，11-后端盖，12-耐磨环，13-活塞本体，14-挡圈，15-密封环，16-前端盖，21-缓冲结构，22-支撑环，23-套筒，24-底座。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明的一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

一种自由活塞与气动缓冲止停机构设计，如图2、5所示，自由活塞1呈凹腔结构，包括后端盖11、耐磨环12、活塞本体13、挡圈14、密封环15以及前端盖16；后端盖11通过螺钉固定在活塞本体上，耐磨环12套在活塞本体13上，耐磨环12外径尺寸大于活塞本体外径，密封环15套在活塞本体上，密封环斜面与前端盖16斜面紧密配合(该斜面与活塞运动方向成45°夹角)，前端盖16通过螺钉固定在活塞本体上，前端盖16开12个直径为12mm的通气孔，该通气孔作用在上述斜面上。

上述密封环工作原理：驱动气体经过活塞的压缩，压力不断上升，高压驱动气体通过前端盖上的通孔作用到密封环的斜面上，压力越高，密封环对管壁的压力越大，密封越紧，密封环与管壁间的摩擦力越大，利于活塞减速。密封环15选择受压产生形变且至少能够耐瞬时1000K温度的材料，所述的受压产生变形要求在3MPa压力下径向产生至少2mm的变形。

自由活塞上的前端盖、挡圈、活塞本体以及后端盖为金属材质，耐磨环材质为具有自润滑特性的高分子聚合物，在活塞运动时耐磨环与压缩管内壁配合，起到支撑活塞作用。密封环材质为高分子聚合物，在受到压力能够发生弹性变形，实现密封；同时，密封环与压缩管内壁之间的摩擦力随着活塞下游压力的升高而增大，起到刹车功能。

为控制活塞整体质量、后端盖、活塞本体、挡圈以及前端盖均为超硬铝合金材料；耐磨环为聚四氟乙烯材质，具有自润滑功能，起到支撑活塞以及活塞加速阶段的减阻功能；密封环为尼拉特隆材质。

如图4所示，高压驱动气体通过前端盖上的通气孔作用到密封环的斜面上，压力越高，密封环对管壁的压力越大，密封越紧；同时密封环与管壁之间的摩擦力越大，利于活塞减速。

如图3所示，两级缓冲止停机构2由缓冲垫21、支撑环22、套筒23以及底座24。套筒23套在底座24的凸起部分，支撑环22固定在凸起的前端对套筒23进行限位，所述缓冲垫21固定在支撑环上。

两级缓冲止停机构上的底座、支承环为金属材质，套筒为具有自润滑特性的高分子聚合物，缓冲垫为较软的非金属材质，通过弹性变形缓冲吸能。两级缓冲止停装置与压缩管形成一个环形的气动缓冲腔，当活塞进入缓冲腔时，腔内气体受到压缩，形成缓冲气垫，活塞的动能转化为腔内气体的内能，此为第一级缓冲；活塞减速，最终以较低的速度撞击到弹性缓冲垫上，实现软着陆，此为第二级缓冲。

具体的，底座、支撑环材质为超硬铝合金；套筒材质为聚酰亚胺；缓冲垫材质为硅橡胶，能耐瞬时高温，可通过弹性变形吸能。

活塞破膜后，依然有较大的速度，当其到达压缩管末端时，如图5所示，套筒、底座以及压缩管内壁形成环形气动缓冲腔(环形空腔内的压力保持在压缩管末端气体压力的4～6倍范围)，组成一级缓冲，吸收大部分活塞动能；缓冲垫为二级缓冲，通过弹性变形吸收剩余的活塞动能，实现活塞软着陆。

在底座环形壁面上开有通孔，通孔直径为5mm，数量为4个，可以实现气动缓冲腔内的高压气体缓慢排出，并减小活塞回弹的可能。

上述缓冲垫还可采用薄壁吸能环结构，所述吸能环为带中心通孔的圆柱结构，圆柱结构分为三部分，中间部分为薄壁、两端部分中的一端用于固定，另一端将冲击力传递至中间薄壁，通过薄壁的塑性变形进行吸能，薄壁上设置周向均布的诱导孔，便于塑性变形。薄壁长度与外径之比的范围2～5，薄壁外径与薄壁厚度之比范围在30～100。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。