直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置制造方法
【专利摘要】本专利公开了一种直线压缩机板蜗旋弹簧轴向刚度的测试装置，该测试装置由上盖、底座、拉杆、外垫圈、内垫圈、压紧螺母、外垫片、内垫片组成，通过所发明的测试装置分别固定蜗旋板弹簧的内缘和外缘，使内缘和外缘的受力方向均为严格轴向且逆向平行，最大限度地消除了蜗旋板弹簧测试轴向刚度时产生的受力偏置和弯曲形变，以便准确测量出板弹簧在轴向受力之后的位移量和对应的强度值以及变化趋势，为蜗旋板弹簧的设计和制造提供准确实测数据的对比和参考依据，对蜗旋板弹簧的优化设计乃至直线压缩机的发展都起到非常积极的作用。
【专利说明】直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置
【技术领域】
[0001]本专利涉及直线压缩机及其板弹簧，特别涉及一种直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置及制造方法。
【背景技术】
[0002]直线压缩机，或称线性压缩机，是一种具有革新意义的往复式活塞压缩机。它利用直线电机驱动活塞在气缸中作往复直线运动，理论上完全消除了对活塞的径向作用力，因而也消除了活塞和气缸壁之间的机械磨损以及由此产生的无用功，工作寿命和能量转化效率都大幅度提高，故而在需要长寿命、高可靠和高效率工作的航空、航天、军事等特殊领域有着非常重要的应用。例如，目前航空航天领域应用最为广泛的两类长寿命回热式低温制冷机一一脉冲管制冷机和斯特林制冷机，绝大多数都采用直线压缩机作为其动力源。
[0003]国际上应用于航空航天等领域的直线压缩机主要采用牛津型结构形式。所谓“牛津型”，其得名源于英国牛津大学的两项重要技术发明一一间隙密封和板弹簧支撑，这两项技术是直线压缩机实现无油润滑而能长寿命运转的关键保障。
[0004]间隙密封的实质是使运动的活塞和气缸内壁之间始终保持微小的间隙(称为气隙，厚度为微米量级)。间隙密封技术以非接触式的气体动密封方式取代了接触式的固体密封，从而巧妙而彻底地解决了活塞与气缸之间的接触磨损以及常规固体密封所需的油润滑带来的污染问题，对于无油润滑式长寿命直线压缩机的发展影响深远。
[0005]板弹簧支撑技术的主要作用是实现和长期维持所需的间隙密封。板弹簧一般由一组或数组薄弹簧片组成，这些弹簧片被设计成在径向上刚度很大，而在轴向上刚度较小。活塞轴被固定于板弹簧的中心，以此来保证活塞在气缸内始终沿轴向运动，而不在径向上发生偏移，从而严格保证活塞与气缸内壁之间的气隙厚度。
[0006]由上述论述可知，板弹簧在直线压缩机技术中起着核心的关键作用，板弹簧设计与制造质量的优劣将直接影响到间隙密封的效果，从而对直线压缩机的效率、可靠性和工作寿命都产生决定性的影响。
[0007]在实践中，蜗旋板弹簧是直线压缩机最为常用的板弹簧类型，它有数条蜗旋臂组成，分为蜗旋槽、外缘、内缘、中心孔和外缘固定孔等关键部位。蜗旋板弹簧的设计开发需要经过复杂的计算并利用建模分析的方法尽量使结构得到优化，以获得所需的关键参数值。在投入实用之前，还需要对设计和加工完成的实物样品进行详细的检验分析和测试，对比设计计算和模型分析，找出材料和加工工艺方面可能存在的问题，并获取在结构上进一步优化的反馈信息。在这其中，轴向刚度和径向刚度的测量是非常关键的两项测试。
[0008]蜗旋板弹簧轴向刚度的测试首先要求分别固定板弹簧的内缘和外缘，保持测试装置的中心线与板弹簧平面高精度的垂直度，这样才能保证板弹簧所受的力为轴向力。在测试过程中，更要严格保证测试装置施加在蜗旋板弹簧内缘和外缘上的力都与板弹簧的平面垂直，板弹簧内缘和外缘所受到的力逆向平行，如果出现二者在平行度上有一定偏差，则测试值将会出现较大误差。上述两个要求对板弹簧轴向刚度测试装置提出了非常严格的要求。由于长寿命牛津型直线压缩机在国内的发展还处于起步阶段，故而用于其蜗旋板弹簧轴向刚度的专用测试装置还不多见。
【发明内容】
[0009]有鉴于此，本专利提出一种直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置。
[0010]本专利的目的在于，通过所发明的测试装置分别固定蜗旋板弹簧的内缘和外缘，使内缘和外缘的两个受力方向逆向平行，且都高精度地垂直于板弹簧平面，以便准确测量出板弹簧在轴向受力之后的位移量和对应的强度值以及变化趋势，为蜗旋板弹簧的设计和制作提供准确实测数据的对比及参考。
[0011]所发明的直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置包括上盖1、底座2、拉杆3、外垫圈4、内垫圈5、压紧螺母6、外垫片7、内垫片8，其特征在于:
[0012]所述的上盖I沿中心开有用于对拉杆3的上下移动起到导向作用的上盖导向孔10，上盖I的上盖下端平面13之上制作有与底座2定位配合的上盖挡圈外圆11，在上盖下端平面13的外缘加工有均匀排布的上盖固定孔12 ;
[0013]所述的底座2的底座上端平面14的外缘加工有用来固定上盖I的底座上端螺纹孔17，沿底座上端平面14向下加工出一个台阶，制作成与上盖挡圈外圆11相配合的底座定位内圆面15，底座2的内部靠近中间位置加工有用于安装内垫圈5及蜗旋板弹簧9的底座工件安装面16，在底座工件安装面16上加工有用来固定内垫圈5、蜗旋板弹簧9以及外垫圈4的工件固定螺纹孔18，在底座下端平面19上加工有用来固定整个轴向刚度检测装置的底座下端固定孔20 ；
[0014]所述的拉杆3中间靠近下端位置加工出一个台阶，台阶的下端面为拉杆压紧平面23，拉杆压紧平面23之下分别为拉杆下端外圆24和拉杆下端外螺纹25 ;内垫片中心孔28、板弹簧中心孔33以及外垫片中心孔29依次套在拉杆下端外圆24上，并在安装在拉杆下端外螺纹25之上的压紧螺母6的挤压作用下固定成整体，拉杆上端外圆22向上穿过上盖导向孔10，拉杆3顶端的拉杆上端外螺纹21与弹簧拉压试验机相连；保持内垫片8与内垫圈5的厚度一致，并保持外垫片7与外垫圈4的厚度一致，而且外垫片7比内垫片8的厚度更大，以保证压紧蜗旋板弹簧9时有足够的强度；
[0015]所述的内垫圈5安装在底座工件安装面16之上，起到支撑蜗旋板弹簧9的作用；蜗旋板弹簧9的板弹簧外缘31被内垫圈5和外垫圈4夹置在中间，并通过穿过外垫圈固定孔27、板弹簧外缘固定孔34以及内垫圈固定孔26的螺钉固定在底座工件安装面16上，从而使蜗旋板弹簧9的板弹簧外缘31与底座2连接成整体；蜗旋板弹簧9的板弹簧内缘32被内垫片8和外垫片7夹置在中间，拉杆下端外圆24依次穿过内垫片中心孔28、板弹簧中心孔33以及外垫片中心孔29，拉杆压紧平面23与内垫片8的端面相接，压紧螺母6拧入拉杆下端外螺纹25上，拧紧压紧螺母6，使拉杆3、内垫片8、板弹簧内缘32、外垫片7以及压紧螺母6固定成整体，之后将上盖I安装到底座2上并用螺钉固定，再穿过上盖导向孔10的拉杆3直接连接在弹簧拉压试验机上，从而使板弹簧内缘32与弹簧拉压试验机相连?’最后将底座2的下端平面19放置在弹簧拉压试验机的工作台面上，并将螺钉穿过底座下端固定孔20，使底座2与弹簧拉压试验机固定成一个整体，从而共同组成一种直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置。
[0016]所发明的直线压缩机板弹簧轴向刚度的测试装置的制造方法如下:
[0017]上盖1、底座2、拉杆3以及压紧螺母6均由抗拉强度、抗压强度以及疲劳强度较大的金属材料制作而成；使用精密车床在上盖I的中心部位精车出上盖导向孔10，保证上盖导向孔10的中心轴线与上盖下端平面13的垂直度处于1.0?2.0 μπι之间；使用精密车床在上盖I的下侧加工出凸出上盖下端平面13之上的上盖挡圈外圆11，并使用精密钻床沿上盖I的外缘圆周加工出均匀排布的上盖固定孔12 ;在底座2的底座上端平面14的外缘使用精密机床配合攻丝工艺加工出底座上端螺纹孔17，并使用精密车床沿底座上端平面14向下加工出一个台阶；使用精密车床在底座2的内部靠近中间位置加工出底座工件安装面16，并使用精密磨床研磨，保证底座工件安装面16的平面度处于1.0?2.0 ym之间；使用精密车床配合攻丝工艺在底座工件安装面16上加工出与板弹簧外缘固定孔34数目相同的工件固定螺纹孔18，保证工件固定螺纹孔18的中心轴线与工件安装面16的垂直度处于1.0?2.0 μ m之间；使用精密车床在底座下端平面19上加工出底座下端固定孔20，保证底座下端固定孔20与底座下端平面19的垂直度处于2.0?3.0 μπι之间；使用精密机床在拉杆3中间靠近下端位置依次加工出拉杆压紧平面23、拉杆下端外圆24和拉杆下端外螺纹25 ;外垫圈4、内垫圈5、外垫片7和内垫片8均使用精密机床加工成环形薄片，并使用精密磨床研磨使四者的内外表面的平面度均处于1.0?2.0 ym之间，使用精密钻床沿外垫圈4和内垫圈5的圆周分别加工出与板弹簧外缘固定孔34数目相同的外垫圈固定孔27和内垫圈固定孔26，使用精密钻床在外垫片7和内垫片8的中心分别加工有外垫片中心孔29和内垫片中心孔28 ;使用精密车床修整并使用精密磨床研磨，保证内垫片8与内垫圈5的厚度一致，厚度偏差绝对值处于1.0?2.0 μ m之间，并保证外垫片7与外垫圈4的厚度一致，厚度偏差绝对值处于1.0?2.0 ym之间；使用精密车床修整保证外垫片7的厚度超过内垫片8的厚度在5.0?8.0 μ m之间；拉杆3和底座2分别通过拉杆上端外螺纹21和底座下端固定孔20连接到弹簧拉压试验机上。
[0018]本专利的优点在于:
[0019]I)通过底座的高精度固定，并通过上盖固定导向孔严格限制拉杆的运动轨迹，使蜗旋板弹簧的受力方向严格垂直与板弹簧的平面并穿过板弹簧的中心，最大限度地避免了因弹簧拉压试验机的自身接口误差和测试装置安装时的偏差导致的蜗旋板弹簧受力偏置的问题；
[0020]2)本专利装置通过对内外垫圈、内外垫片的精确设计和制作，保证了蜗旋板弹簧在安装及实际检测过程中，使蜗旋板弹簧发生的形变严格限制在轴向方向上，且板弹簧的内缘和外缘的受力逆向平行并且一直垂直于板弹簧平面。
[0021]使用本专利的测试装置将最大限度地消除测试蜗旋板弹簧轴向刚度时产生的板弹簧受力偏置和弯曲形变，可以获取更为准确的轴向刚度实测值，对蜗旋板弹簧的优化设计乃至直线压缩机的发展都起到非常积极的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为所发明的直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度测试装置的整体剖面图；
[0023]图2为上盖I的剖视图；
[0024]图3为底座2的剖视图；
[0025]图4为拉杆3的剖视图；
[0026]图5为蜗旋板弹簧9的平面图；
[0027]图6为外垫圈4的三维视图；
[0028]图7为内垫圈5的三维视图；
[0029]图8为外垫片7的三维视图；
[0030]图9为内垫片8的三维视图；
[0031]图10为压紧螺母6的三维视图。
[0032]其中；1为上盖；2为底座；3为拉杆；4为外垫圈；5为内垫圈；6为压紧螺母；7为外垫片；8为内垫片；9为蜗旋板弹簧；10为上盖导向孔；11为上盖挡圈外圆；12为上盖固定孔；13为上盖下端平面；14为底座上端平面；15为底座定位内圆面；16为底座工件安装面；17为底座上端螺纹孔；18为工件固定螺纹孔；19为底座下端平面；20为底座下端固定孔；21为拉杆上端螺纹孔；22为拉杆上端外圆；23为拉杆压紧平面；24为拉杆下端外圆；25为拉杆下端螺纹孔；26为内垫圈固定孔；27为外垫圈固定孔；28为内垫片中心孔；29为外垫片中心孔；30为螺母压紧平面；31为板弹簧外缘；32为板弹簧内缘；33为板弹簧中心孔；34为板弹簧外缘固定孔。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图及实施例对本专利的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0034]所发明的直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置由上盖1、底座2、拉杆3、外垫圈4、内垫圈5、压紧螺母6、外垫片7、内垫片8组成，其特征在于，上盖I沿中心开有用于对拉杆3的上下移动起到导向作用的上盖导向孔10，上盖I的上盖下端平面13之上制作有与底座2定位配合的上盖挡圈外圆11，在上盖下端平面13的外缘加工有均匀排布的上盖固定孔12 ;底座2的底座上端平面14的外缘加工有用来固定上盖I的底座上端螺纹孔17，沿底座上端平面14向下加工出一个台阶，制作成与上盖挡圈外圆11相配合的底座定位内圆面15，底座2的内部靠近中间位置加工有用于安装内垫圈5及蜗旋板弹簧9的底座工件安装面16，在底座工件安装面16上加工有用来固定内垫圈5、蜗旋板弹簧9以及外垫圈4的工件固定螺纹孔18，在底座下端平面19上加工有用来固定整个轴向刚度检测装置的底座下端固定孔20 ;拉杆3中间靠近下端位置加工出一个台阶，台阶的下端面为拉杆压紧平面23，拉杆压紧平面23之下分别为拉杆下端外圆24和拉杆下端外螺纹25 ;内垫片中心孔28、板弹簧中心孔33以及外垫片中心孔29依次套在拉杆下端外圆24上，并在安装在拉杆下端外螺纹25之上的压紧螺母6的挤压作用下固定成整体，拉杆上端外圆22向上穿过上盖导向孔10，拉杆3顶端的拉杆上端外螺纹21与弹簧拉压试验机相连；保持内垫片8与内垫圈5的厚度一致，并保持外垫片7与外垫圈4的厚度一致，而且外垫片7比内垫片8的厚度更大，以保证压紧蜗旋板弹簧9时有足够的强度；内垫圈5安装在底座工件安装面16之上，起到支撑蜗旋板弹簧9的作用；蜗旋板弹簧9的板弹簧外缘31被内垫圈5和外垫圈4夹置在中间，并通过穿过外垫圈固定孔27、板弹簧外缘固定孔34以及内垫圈固定孔26的螺钉固定在底座工件安装面16上，从而使蜗旋板弹簧9的板弹簧外缘31与底座2连接成整体；蜗旋板弹簧9的板弹簧内缘32被内垫片8和外垫片7夹置在中间，拉杆下端外圆24依次穿过内垫片中心孔28、板弹簧中心孔33以及外垫片中心孔29，拉杆压紧平面23与内垫片8的端面相接，压紧螺母6拧入拉杆下端外螺纹25上，拧紧压紧螺母6，使拉杆3、内垫片
8、板弹簧内缘32、外垫片7以及压紧螺母6固定成整体，之后将上盖I安装到底座2上并用螺钉固定，再穿过上盖导向孔10的拉杆3直接连接在弹簧拉压试验机上，从而使板弹簧内缘32与弹簧拉压试验机相连；最后将底座2的下端平面19放置在弹簧拉压试验机的工作台面上，并将螺钉穿过底座下端固定孔20，使底座2与弹簧拉压试验机固定成一个整体，从而共同组成一种直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置。
[0035]所发明的直线压缩机板弹簧轴向刚度的测试装置的制造方法如下:
[0036]上盖1、底座2、拉杆3以及压紧螺母6均由抗拉强度、抗压强度以及疲劳强度较大的金属材料制作而成；使用精密车床在上盖I的中心部位精车出上盖导向孔10，保证上盖导向孔10的中心轴线与上盖下端平面13的垂直度为1.5 μπι;使用精密车床在上盖I的下侧加工出凸出上盖下端平面13之上的上盖挡圈外圆11，并使用精密钻床沿上盖I的外缘圆周加工出均匀排布的上盖固定孔12 ;在底座2的底座上端平面14的外缘使用精密机床配合攻丝工艺加工出底座上端螺纹孔17，并使用精密车床沿底座上端平面14向下加工出一个台阶；使用精密车床在底座2的内部靠近中间位置加工出底座工件安装面16，并使用精密磨床研磨，保证底座工件安装面16的平面度为1.5 ym ;使用精密车床配合攻丝工艺在底座工件安装面16上加工出与板弹簧外缘固定孔34数目相同的工件固定螺纹孔18，保证工件固定螺纹孔18的中心轴线与工件安装面16的垂直度为1.5 ym ;使用精密车床在底座下端平面19上加工出底座下端固定孔20，保证底座下端固定孔20与底座下端平面19的垂直度为2.5 μπι;使用精密机床在拉杆3中间靠近下端位置依次加工出拉杆压紧平面23、拉杆下端外圆24和拉杆下端外螺纹25 ;外垫圈4、内垫圈5、外垫片7和内垫片8均使用精密机床加工成环形薄片，并使用精密磨床研磨使四者的内外表面的平面度均为1.5 μ m，使用精密钻床沿外垫圈4和内垫圈5的圆周分别加工出与板弹簧外缘固定孔34数目相同的外垫圈固定孔27和内垫圈固定孔26，使用精密钻床在外垫片7和内垫片8的中心分别加工有外垫片中心孔29和内垫片中心孔28 ;使用精密车床修整并使用精密磨床研磨，保证内垫片8与内垫圈5的厚度一致，厚度偏差绝对值为1.5 μ m，并保证外垫片7与外垫圈4的厚度一致，厚度偏差绝对值为1.5 ym ;使用精密车床修整保证外垫片7的厚度超过内垫片8的厚度为6.0 μπι;拉杆3和底座2分别通过拉杆上端外螺纹21和底座下端固定孔20连接到弹簧拉压试验机上。
【权利要求】
1.一种直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置，它包括上盖(1)、底座(2)、拉杆(3)、外垫圈(4)、内垫圈(5)、压紧螺母(6)、外垫片(7)、内垫片(8)，其特征在于: 所述的上盖(I)沿中心开有用于对拉杆(3)的上下移动起到导向作用的上盖导向孔.10，上盖(I)的上盖下端平面(13)之上制作有与底座(2)定位配合的上盖挡圈外圆(11)，在上盖下端平面(13)的外缘加工有均匀排布的上盖固定孔(12); 所述的底座(2)的底座上端平面(14)的外缘加工有用来固定上盖(I)的底座上端螺纹孔(17)，沿底座上端平面(14)向下加工出一个台阶，制作成与上盖挡圈外圆(11)相配合的底座定位内圆面(15)，底座⑵的内部靠近中间位置加工有用于安装内垫圈(5)及蜗旋板弹簧(9)的底座工件安装面(16)，在底座工件安装面(16)上加工有用来固定内垫圈(5)、蜗旋板弹簧(9)以及外垫圈(4)的工件固定螺纹孔(18)，在底座下端平面(19)上加工有用来固定整个轴向刚度检测装置的底座下端固定孔(20); 所述的拉杆(3)中间靠近下端位置加工出一个台阶，台阶的下端面为拉杆压紧平面(23)，拉杆压紧平面(23)之下分别为拉杆下端外圆(24)和拉杆下端外螺纹(25);内垫片中心孔(28)、板弹簧中心孔(33)以及外垫片中心孔(29)依次套在拉杆下端外圆(24)上，并在安装在拉杆下端外螺纹(25)之上的压紧螺母(6)的挤压作用下固定成整体，拉杆上端外圆(22)向上穿过上盖导向孔(10)，拉杆(3)顶端的拉杆上端外螺纹(21)与弹簧拉压试验机相连；保持内垫片⑶与内垫圈(5)的厚度一致，并保持外垫片(7)与外垫圈⑷的厚度一致，而且外垫片(7)比内垫片(8)的厚度更大，以保证压紧蜗旋板弹簧(9)时有足够的强度； 所述的内垫圈(5)安装在底座工件安装面(16)之上，起到支撑蜗旋板弹簧(9)的作用；蜗旋板弹簧(9)的板弹簧外缘(31)被内垫圈(5)和外垫圈(4)夹置在中间，并通过穿过外垫圈固定孔(27)、板弹簧外缘固定孔(34)以及内垫圈固定孔(26)的螺钉固定在底座工件安装面(16)上，从而使蜗旋板弹簧(9)的板弹簧外缘(31)与底座(2)连接成整体；蜗旋板弹簧(9)的板弹簧内缘(32)被内垫片(8)和外垫片(7)夹置在中间，拉杆下端外圆(24)依次穿过内垫片中心孔(28)、板弹簧中心孔(33)以及外垫片中心孔(29)，拉杆压紧平面(23)与内垫片(8)的端面相接，压紧螺母(6)拧入拉杆下端外螺纹(25)上，拧紧压紧螺母(6)，使拉杆(3)、内垫片(8)、板弹簧内缘(32)、外垫片(7)以及压紧螺母(6)固定成整体，之后将上盖(I)安装到底座(2)上并用螺钉固定，再穿过上盖导向孔(10)的拉杆(3)直接连接在弹簧拉压试验机上，从而使板弹簧内缘(32)与弹簧拉压试验机相连；最后将底座(2)的下端平面(19)放置在弹簧拉压试验机的工作台面上，并将螺钉穿过底座下端固定孔20，使底座(2)与弹簧拉压试验机固定成一个整体，从而共同组成一种直线压缩机蜗旋板弹簧轴向刚度的测试装置。
【文档编号】G01M13/00GK204228392SQ201420597227
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】党海政 申请人:中国科学院上海技术物理研究所