齿轮齿条式气动执行器的制作方法

本发明涉及气动执行器技术领域，具体为齿轮齿条式气动执行器。

背景技术：

气动执行器是一种用来开启和关闭阀门的执行装置，广泛用在石油化工和冶金等工业领域，绝大部分用在远程控制上。目前气动执行器的执行机构主要有活塞式、拨叉式、隔膜式和齿轮齿条式，其中齿轮齿条式气动执行机构的结构简单、体积小，外形美观，因此应用非常广泛。齿轮齿条式气动执行机构尤其以一体式气缸最为普遍，但其还存在不完善的地方：齿条齿列分度平面是受力中心面，与活塞受气压力中心线偏移一个齿轮分度圆半径，在工作中对活塞产生非常大的转矩，需要通过缸壁限制活塞环和齿条承垫来抵消气压对活塞的转矩，从而造成缸壁、活塞环及齿条承垫磨损快，使用寿命降低。而且在双作用式齿轮齿条气动执行器设计时，齿轮轴直径也不能设计得更大些，也就是在同等的气缸径条件下，扭矩不能做得再大些。单作用式齿轮齿条气动执行器中弹簧的回复力方向也作用在活塞中心线上，因此也存在同样的缺陷。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种齿轮齿条式气动执行器。

本发明的技术方案是：

本发明第一方面提供一种齿轮齿条式气动执行器，包括气缸体、左活塞、右活塞、左齿条、右齿条、齿轮轴、活塞密封圈和固定安装在气缸体两端的左、右端盖；所述左活塞、右活塞分别安装在气缸体内的左、右两侧；所述左活塞、右活塞通过其各自分别带有的左齿条、右齿条连动齿轮轴；所述齿轮轴贯穿气缸体内中心上下；所述左活塞、右活塞上分别间隙固定两活塞半环，且活塞半环的断面均为斜面，在两个活塞半环之间的间隙槽中安装有活塞密封圈，且活塞密封圈从一个活塞半环的一侧经过断面间隙绕至另一个活塞半环的另一侧。

优选地，每个所述活塞半环通过螺钉固定在活塞上。

本发明第二方面提供一种齿轮齿条式气动执行器，包括气缸体、左活塞、右活塞、左齿条、右齿条、齿轮轴、活塞密封圈和固定安装在气缸体两端的左、右端盖；所述左活塞、右活塞分别安装在气缸体内的左、右两侧；所述左活塞、右活塞通过其各自分别带有的左齿条、右齿条连动齿轮轴；所述齿轮轴贯穿气缸体内中心上下；在所述左活塞、右活塞的一端绕活塞圆周开设活塞密封圈槽；所述活塞密封圈槽型为类横向拉伸的“z”字型，两直线部分与活塞端面平行，斜线部与直线部成钝角，且圆弧过渡连接，“z”字型槽开设在活塞圆柱面半圆周，在另一半圆周开设反“z”字型槽，该两“z”字型槽相对于齿条对称平面对称，且在活塞圆周组成完整闭合的密封圈槽；所述活塞密封圈固定安装在活塞密封圈槽内。

根据前述第一方面或第二方面所述的齿轮齿条式气动执行器，还包括弹簧独立体；所述弹簧独立体由壳体、弹簧组和弹簧顶杆构成；所述弹簧组的一端固定在壳体内的一端，所述弹簧组的另一端固定连接弹簧顶杆的一端；所述弹簧顶杆的另一端穿出壳体内的另一端；所述左端盖和右端盖的外侧均固定连接弹簧独立体；所述左端盖、右端盖均开设供弹簧顶杆活动的透孔；所述弹簧顶杆头部分别通过左端盖、右端盖上开设的透孔嵌入到左活塞和右活塞的外端面，左弹簧独立体、右弹簧独立体的受力中心分别与左齿条齿列、右齿条齿列的分度平面中心重合。

优选地，所述透孔均配合密封堵。

优选地，所述左端盖和右端盖的外侧均螺纹连接弹簧独立体。

本发明的有益效果：本发明的齿轮齿条式气动执行器活塞半环、活塞上开错位密封圈槽和弹簧独立体的设计能消除绝大部分活塞环对气缸壁的压力，大大减少了活塞环的磨损，也减少了活塞密封圈、齿条承垫和气缸的磨损，增加执行器的使用寿命，降低维修频率。通过改变活塞密封圈错位的大小，可以消除活塞环和齿条承垫对缸壁的压力，所以可以增加齿轮轴直径来增大执行器的扭矩，来实现大扭矩气动执行器；进一步地，弹簧独立体的设计还能使得单作用与双作用齿轮齿条式气动执行器之间实现快速转换，实用性加强，且安装、更换、维修简单。

附图说明

图1为实施方式一具有活塞半环的双作用式气动执行器工作0°位置主视剖面图；

图2为实施方式一具有活塞半环的双作用式气动执行器工作0°位置俯视剖面图；

图3为实施方式二活塞开槽的双作用式气动执行器工作0°位置俯视剖面图；

图4为实施方式二具有错位活塞密封圈槽的右活塞齿条组件结构示意图；

图5为现有齿轮齿条式气动执行器中活塞的结构和受力状况示意图；

图6为实施方式一气动执行器活塞半环与活塞安装方向图；

图7为实施方式一具有活塞半环的双作用式气动执行器工作90°位置俯视剖面图；

图8为实施方式三中弹簧独立体的结构示意图；

图9为实施方式三具有活塞半环的单作用齿轮齿条式气动执行器俯视剖面图；

图10为实施方式三具有错位活塞密封圈槽的单作用齿轮齿条式气动执行器0°位置俯视剖面图；

其中，1—气缸体；2—左端盖；3—右端盖；4—左活塞；5—右活塞；6—左齿条；7—右齿条；8—活塞半环；9—活塞半环螺钉；10—活塞密封圈；11—齿条承垫；12—中间腔通气孔；13—两端腔通气孔；14—齿轮轴；15—端盖固定螺钉；16—弹簧顶杆；17—开设有透孔的左端盖；18—开设有透孔的右端盖；19—左弹簧独立体；20—右弹簧独立体；21—活塞环22—活塞密封圈槽；23—壳体；24—弹簧组；25—透孔。

具体实施方式

下面结合附图1～10，对本发明的具体实施方式进行详述。

实施方式一：

本发明第一方面提供的齿轮齿条式气动执行器，如图1和图2所示，包括气缸体1、左活塞4、右活塞5、左齿条6、右齿条7、齿条承垫11、齿轮轴14、活塞半环8、活塞密封圈10和固定安装在气缸体两端的左端盖2、右端盖3；所述左活塞4、右活塞5分别安装在气缸体1内的左、右两侧；所述左活塞4、右活塞5通过其各自分别带有的左齿条6、右齿条7连动齿轮轴14；左齿条6左侧与左活塞4制成一体，右齿条7右侧与右活塞5制成一体；所述左齿条6的右侧背部和右齿条7的左侧背部均安装有齿条承垫11；所述齿轮轴14贯穿气缸体1内中心上下；所述左活塞4、右活塞5上分别间隙固定活塞半环8，且活塞半环8的断面均为斜面，在两个活塞半环8之间的间隙槽中安装有活塞密封圈10，且活塞密封圈10从一个活塞半环8的一侧经过断面间隙绕至另一个活塞半环8的另一侧。

实施方式二：

基于第一方面提供的齿轮齿条式气动执行器的同一思路，本发明第二方面提供的齿轮齿条式气动执行器，如图3所示，包括气缸体1、左活塞4、右活塞5、左齿条6、右齿条7、齿条承垫11、齿轮轴14、活塞密封圈10、活塞环21、活塞密封圈槽22和固定安装在气缸体两端的左端盖2、右端盖3；所述左活塞4、右活塞5分别安装在气缸体1内的左、右两侧；所述左活塞4、右活塞5通过其各自分别带有的左齿条6、右齿条7连动齿轮轴14；左齿条6左侧与左活塞4制成一体，右齿条7右侧与右活塞5制成一体；所述左齿条6的右侧背部和右齿条7的左侧背部均安装有齿条承垫11；所述齿轮轴14贯穿气缸体1内中心上下；如图4所示，分别在所述左活塞4、右活塞5的一端绕活塞圆周开设活塞密封圈槽；所述活塞密封圈槽型为类横向拉伸的“z”字型，两直线部分与活塞端面平行，斜线部与直线部成钝角，且圆弧过渡连接，“z”字型槽开设在活塞圆柱面半圆周，在另一半圆周开设反“z”字型槽，该两“z”字型槽相对于齿条对称平面对称，且在活塞圆周组成完整闭合的密封圈槽；所述活塞密封圈固定安装在活塞密封圈槽内。

在实施方式一和实施方式二的齿轮齿条式气动执行器中，气缸体1一侧上部开设中间腔通气孔12和两端腔通气孔13，当气源压力从两端腔通气孔13进入执行器的两端气腔时，使左活塞4、右活塞5向气缸体1中间方向移动，中间气腔的空气通过中间腔通气孔12排出，同时使左、右两活塞齿条同步带动齿轮轴14逆时针方向旋转。当气源压力从中间腔通气孔12进入执行器的中间气腔时，使左、右两活塞4、5分别向气缸体1两端方向移动，两端气腔的空气通过两端腔通气孔13排出，同时使左、右两活塞齿条同步带动齿轮轴14顺时针方向旋转。

现有齿轮齿条式气动执行器中的活塞、齿条结构如图5所示，当活塞受到一侧来的作用力f1时，f1通过活塞的中心，而齿条的受合力点在啮合点p，由于这两个力偏离一个分度圆半径，从而使活塞在f1作用下绕支点p旋转，所以活塞圆周的上半部就要压向气缸壁，同理当活塞受到另一侧来的作用力时，活塞圆周的下半部就要压向气缸壁，这个力非常大，使活塞环21容易磨损，继而活塞密封圈10和气缸壁也容易磨损。

为解决上述问题，实施方式一和实施方式二可以将这种活塞圆周对气缸壁的侧向力降到很小。实施方式一通过改变活塞环21的结构，将活塞环21改成两个活塞半环8，左活塞4、右活塞5上分别间隙固定两个活塞半环8，且活塞半环8的断面均为斜面，每个活塞半环8通过活塞半环螺钉9固定在活塞上。两个活塞半环8的对称平面与齿条的对称平面重合，安装方向如图6所示。在安装后的两个活塞半环8的间隙槽中嵌入活塞密封圈10，且活塞密封圈10从一个活塞半环8的一侧经过断面间隙绕至另一个活塞半环8的另一侧，通过两个活塞半环8的结构将活塞密封圈10固定为错位分布形式，一个活塞半环8将活塞密封圈10一半分到活塞的靠齿轮轴14一侧，另一个活塞半环8将活塞密封圈10另一半分到活塞的靠端盖一侧。当活塞受到来自任何一个端面方向的作用力时，总要有一个对应作用力作用在活塞的圆柱面的一侧，对活塞产生一个转矩，正好与前一个作用在活塞端面中心的作用力产生的转矩相反，使缸壁受到活塞半环8和齿条承垫11的作用力几乎消失。下面以图7所示的双作用齿轮齿条式气动执行器中的右活塞5为例说明具体实施过程，当气压由中间腔通气孔12进入执行器中间气腔时，右活塞5受到向右的气压力f1，受力中心在右活塞5的中心上，右活塞5带动右齿条7向右运动，右齿条7继而带动齿轮轴14旋转，啮合点在p点，右活塞5在f1作用下绕p点逆时针旋转，因为活塞密封圈10在活塞圆周上是错位放置的，所以气压力在活塞圆周上分布是不均的，产生合力f2，f2使活塞绕p点顺时针旋转，这就抵消f1对活塞的偏转作用。同理，下面再以图2所示的双作用齿轮齿条式气动执行器中的右活塞5为例说明具体实施过程，当气压从两端腔通气孔13进入执行器的两端气腔时，右活塞5受到的气压力f1和合力f2与图2中的情况相反，右活塞5在f1作用下绕p点顺时针旋转，在合力f2作用下活塞绕p点逆时针旋转，从而两个偏转力矩相互抵消。图2和图7中所示的两种工作状态中f2到p点的距离是个变量，所以产生的力矩也是变量，只要设计合理就能消除绝大部分活塞环对气缸壁的压力，又因为活塞半环8设计宽度加大，这就大大减少了活塞半环8的磨损，也减少了活塞密封圈10、齿条承垫11和气缸体1的磨损，增加执行器的使用寿命，降低维修频率。另外，现有气动执行器，其活塞由于受偏转力矩大，导致齿轮轴14直径不能做的太大，而本发明提供的技术方案可以通过改变活塞密封圈10的错位大小来消除活塞半环8和齿条承垫11对缸壁的压力，所以可以增加齿轮轴14直径来增大执行器的扭矩，来实现大扭矩气动执行器。

基于实施方式一活塞半环的同一思路，还可以采用实施方式二在活塞上开错位槽的技术方案来解决同一技术问题，首先分别在左、右活塞圆周上加工出错位槽来，然后将活塞密封圈安装到该活塞密封圈槽中，实现活塞密封圈的错位。如图4所示，活塞密封圈槽将活塞密封圈10一半分到活塞的靠齿轮轴14一侧，将活塞密封圈10另一半分到活塞的靠活塞环21一侧。当活塞受到来自任何一个端面方向的作用力时，总要有一个对应作用力作用在活塞的圆柱面的一侧，对活塞产生一个转矩，正好与前一个作用在活塞端面中心的作用力产生的转矩相反，使缸壁受到活塞和齿条承垫11的作用力几乎消失。

实施方式三：

基于本发明第一方面提供的齿轮齿条式气动执行器和第二方面提供的齿轮齿条式气动执行器的同一思路，在第一方面提供的齿轮齿条式气动执行器和第二方面提供的齿轮齿条式气动执行器上，还包括如图8所示的弹簧独立体；所述弹簧独立体由壳体23、弹簧组24和弹簧顶杆16构成；所述弹簧组24的一端固定在壳体23内的一端，所述弹簧组24的另一端固定连接弹簧顶杆16的一端；所述弹簧顶杆16的另一端穿出壳体23内的另一端；如图9和图10所示，在实施方式一和实施方式二所述齿轮齿条式气动执行器的左端盖2和右端盖3的外侧均固定连接弹簧独立体，即左弹簧独立体19和右弹簧独立体20；所述左端盖2、右端盖3均开设供弹簧顶杆16活动的透孔25；所述左弹簧独立体19和右弹簧独立体20的弹簧顶杆16头部分别通过左端盖2、右端盖3上开设的透孔25嵌入到左活塞4和右活塞5的外端面，左弹簧独立体19、右弹簧独立体20的受力中心分别与左齿条齿列、右齿条齿列的分度平面中心重合。进一步优选地，还可以为左端盖2、右端盖3均开设的透孔25配置密封堵。进一步优选地，左端盖2和右端盖3的外侧均通过螺纹连接弹簧独立体。

在双作用齿轮齿条式气动执行器中的活塞双向受气压力作用以保证活塞受偏转力矩抵消而消失的，然而现实情况是有些阀门开启或关闭的第一个动作需要气压驱动，第二个回复动作依靠气动执行器中的弹簧装置来完成，即有些阀门是需要单作用齿轮齿条式气动执行器来启闭的，现有单作用齿轮齿条式气动执行器是在双作用齿轮齿条式气动执行器基础上，每个活塞和端盖之间增加一组弹簧，弹簧组的弹力中心仍然在活塞中心上，仍然对活塞有偏转力。针对该技术缺陷，本发明对齿轮齿条式气动执行器做进一步改进，将弹簧组从气缸体内分离出来，设计成如图8所示的弹簧独立体，弹簧组24安装在独立的壳体23内，回复动作所需要的回复力通过独立体内伸出的弹簧顶杆16来实施。左弹簧独立体19、右弹簧独立体20的受力中心分别与左齿条齿列、右齿条齿列的分度平面中心重合，那么相对于活塞中心，弹簧独立体为偏置设计，这种设计消除了对活塞的偏转力矩。单作用齿轮齿条式气动执行器工作时分两个工作过程：一个是气压工作过程，另一个是弹簧回复过程。当气源压力从中间腔通气孔12进入执行器的中间气腔时，开始气压工作过程，气压力使左、右两活塞4、5分别向气缸体1两端方向移动，迫使左、右两端独立体中的弹簧组24压缩，两端气腔的空气通过两端腔通气孔13排出，同时使左、右两活塞齿条同步带动齿轮轴14顺时针方向旋转；在气源压力换向后，开始弹簧回复过程，两活塞在弹簧的弹力作用下向中间方向移动，中间气腔的空气从中间腔通气孔12排出，同时使左、右两活塞齿条同步带动齿轮轴14逆时针方向旋转。下面以图9所示的右活塞5为例说明具体工作过程，气源压力从中间腔通气孔12进入执行器中间气腔时，因为p是啮合点，且在齿条齿列分度平面上，所以右弹簧独立体20的弹力对右活塞5绕p点旋转不起作用，而气压力f1方向与右活塞5中心线重合，使右活塞5绕p点逆时针旋转，侧压合力f2在右活塞5上侧垂直向下，使右活塞5绕p点顺时针旋转，两个作用力抵消，由此可看出右活塞5受力旋转情况和双作用齿轮齿条式气动执行器是一样的；在弹簧回复过程中，独立体中弹簧组的回复力也是通过p点，对活塞没有偏转力矩，仍然取消了对活塞、齿条组件和气缸的磨损。本发明的齿轮齿条式气动执行器实施在单作用齿轮齿条式气动执行器上时，可以为透孔25配合设置密封堵；只需旋下弹簧独立体，给左、右端盖2、3的透孔25均安装上密封堵，即可快速转换成双作用齿轮齿条式气动执行器，进一步地，为了加快转换速度，还可以在左端盖2和右端盖3的外侧分别通过螺纹连接左弹簧独立体19和右弹簧独立体20，可以实现方便快捷地旋下弹簧独立体。由上述可知，本实施方式的弹簧独立体除了具有消除对活塞的偏转力矩优点外，还可快速转换成双作用齿轮齿条式气动执行器，实用性强，安装、更换、维修均简单快捷。

以上所述的实施例仅仅是对本发明气动执行器的优选实施方式进行描述，并非对发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明方案的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种外型变型和改进，均应落入本发明气动执行器的保护范围。