一种用于风洞试验的高压气缸的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种用于风洞试验的高压气缸，包括底座、缸筒、左、右端盖、活塞、V形卡块、管接头、弯管、左、右节流块、密封圈、缓冲垫等；气缸底座与气缸筒焊接为一体，缸体两端面凹槽放置密封圈，组成缸体组件；活塞杆与活塞为一整体零件，活塞凹槽装配密封圈和塑料支撑环，其端面固定安装左、右节流块，组成活塞组件；左、右端盖分别固定缓冲垫圈和填入密封圈，左、右端盖分别焊接管接头。活塞组件装入缸体组件后，左、右端盖与缸体组件用螺钉连接，最后将V形卡块与活塞组件端部连接。本实用新型气缸最高工作压力达到6MPa，输出力达到40000N，外形尺寸小，结构简单、可靠，可用于高速风洞舱门试验。
【专利说明】—种用于风洞试验的高压气缸
【技术领域】
[0001]本实用新型属于风洞试验装置【技术领域】，具体涉及一种在风洞试验中，能够实现狭小空间内强输出力的高压气缸。
【背景技术】
[0002]高速风洞等一些试验设备经常会要求在尽量小的外形内，驱动模型或模型的某些作动部件，改变或锁紧模型姿态，测试不同状态下的气动载荷。由于高速风洞气流速度高，模型受到的气动载荷大，特别是超声速试验时，风洞启动和关车过程中，模型会承受远超过流场稳定时的冲击载荷。
[0003]在做风洞舱门试验时发现，风洞流场稳定时，舱门转动载荷相对稳定，可以依靠伺服电机系统驱动和控制舱门开关角度。而当风洞启动或关车时，舱门内外压力差波动剧烈，尤其是在超声速流场建立或消失过程中，激波作用到舱门上，会使舱门转轴的力矩迅速交变。因此需要锁死舱门转轴，避免舱门来回开关振动。同时风洞试验还必须考虑到，即便是出现舱门来回开关振动，可以通过机构迅即动作，将舱门转轴复位到锁定角度。
[0004]实现舱门复位与锁紧功能，可以有多种方案。一种是:选取更大功率电机或液压马达驱动舱门转轴，输出远大于流场稳定时的舱门负载力矩。这种方案的缺点是:①导致整个传动系统外形尺寸变大，难以真实模拟舱门外形。②大功率伺服电机通常会带来更大的电磁干扰，难以抑制其对以电阻应变为原理的气动载荷传感器的干扰。③液压伺服系统复杂，液压马达伺服响应速度不足。
[0005]第二种方案是:选取与流场稳定时的舱门负载力矩相适应的伺服电机驱动舱门转轴，同时在舱门转轴两端固接摇臂，借助简单有效的气动系统，用气缸复位和锁紧摇臂。根据高速风洞舱门试验设备研制要求，气缸缸体外径限制在140mm以内，气缸类型为双活塞杆气缸，活塞杆输出力最高为40000N，行程40mm。中国在研制风洞舱门试验设备时，成功采用了高压气缸作为舱门复位与锁紧的执行元件，确保了舱门在风洞启动和关车过程的安全状态。
[0006]气压传动工作介质容易获得，气动系统相对简单，特别是高压气缸具有输出力与外形比大的优点，对于发展高速风洞试验技术很有帮助。而目前国内低压气缸(工作压力低于1.0MPa)设计和生产技术比较成熟，国外低压气缸品牌如SMC、PARKER、BOSCH有大量产品在华销售。但是市场上高压气缸(工作压力介于1.0MPa到15MPa之间)和超高压气缸(工作压力大于15MPa)产品稀少，有严格尺寸要求的非低压气缸需要单独研制。
实用新型内容
[0007]针对高速风洞舱门试验设备研制要求，本实用新型提供一种用于高速风洞试验的高压气缸。本实用新型提出的高压气缸外形尺寸与输出力比小，能够节省安装空间；高压气缸结构简单、可靠，气缸运行平稳，行程末端无冲击。
[0008]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于风洞试验的高压气缸，与高压气源相连接，所述的高压气缸主要包括底座、缸筒、左端盖、右端盖、活塞、V形卡块、左节流块、右节流块、管接头和弯管；缸筒固定不动，缸筒两端面上各开设环形凹槽，槽内放置密封圈；活塞与活塞杆为一体件，穿设在缸筒内，V形卡块与活塞外端部连接，活塞外圆上环周开设凹槽，槽内放置密封圈，密封圈与缸筒内壁紧密接触实现密封；活塞的两个端面上分别安装左、右节流块，构造活塞的两个节流气腔；左、右端盖固连在缸筒的两端面上，依靠密封圈与缸筒密封，两端盖的中心孔处开设凹槽，槽内填入Y形高低唇密封圈与活塞密封；两端盖的内端面都固定缓冲垫，与处于极限位置时的活塞缓冲冲击；两端盖上各自连接管接头和弯管，分别与活塞的两个节流气腔连通，构成高压气体出入口。
[0009]进一步讲:
[0010]底座是与缸筒焊接成为一体，成为气缸缸体。
[0011]V形卡块与活塞通过螺钉固接，输出气缸的推力或拉力。
[0012]左、右节流块通过螺钉与活塞的两个端面连接。
[0013]缸筒两端为法兰状结构，端面按照O型密封圈标准开设所述环形凹槽，槽内填入O型密封圈；左、右端盖通过螺钉与缸筒连接，压紧O型密封圈，实现端面静态密封，密封压力达到30MPa。
[0014]活塞外圆是按照鼓型密封圈标准开设环形凹槽，槽中装配鼓型密封圈和塑料支撑环，鼓型密封圈连同活塞一起压入缸筒，与缸筒密封。
[0015]通过加工控制节流块的厚度，使活塞处于极限位置时，节流块端面距离端盖为I毫米。
[0016]活塞的两个节流气腔设定的最大工作压力为6MPa。
[0017]本实用新型提供的一种用于风洞试验的高压气缸的优点或有益效果是:1、气缸工作压力高，最大工作压力为6MPa，活塞组件和V形卡块输出推力或者拉力达到40000N。2、气缸外形尺寸小，适宜于高速风洞舱门试验设备等有严格空间限制的场合使用。3、以压缩空气或氮气或二氧化碳等为工作介质，用后的气体排到大气中，无需单独处理，无污染。4、气缸反应迅速，动作平稳，无爬行现象。5、最大工作压力下，活塞和缸筒之间的泄露小于每分钟0.6ml，活塞杆与端盖之间的泄露量小于每分钟3.6ml。6、构造简单，生产成本低，不需要专门维护。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型的正视图，采用剖视方式表达。
[0019]图2是本实用新型的右视图。
[0020]图3是本实用新型的俯视图，采用局部剖视方式表达。
[0021]图中，1.Y形高低唇密封圈，2.缓冲垫，3.M5内六角螺钉，4.M5弹簧垫圈，5.MlO内六角螺钉，6.MlO弹簧垫圈，7.右端盖，8.0型密封圈，9.底座，10.鼓形密封圈，11.塑料支撑环，12.缸筒，13.左端盖，14.活塞，15.M8高强度内六角螺钉，16.M8弹簧垫圈，17.V形卡块，18.右管接头，19.右弯管，20.右节流块，21.M4内六角螺钉，22.M4弹簧垫圈，23.左弯管，24.左管接头，25.左节流块。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0023]图1是本实用新型的正剖视图，图2是本实用新型的右视图，图3是本实用新型的俯视图，其中图1和图3表示V形卡块17与活塞14处于右极限位置。由图1、图2和图3可以看出，本实用新型的一种用于风洞试验的高压气缸主要部件是:Y型高低唇密封圈1、缓冲垫2、右端盖7、O型密封圈8、底座9、鼓型密封圈10、缸筒12、左端盖13、活塞14、V形卡块17、右节流块20、左节流块25。其连接关系是:底座9与缸筒12通过焊接组成整体的气缸缸体；V形卡块17与活塞14通过高强度螺钉固接为一体，活塞14为包含活塞杆功能的高强度钢加工而成的整体零件；活塞14装配在缸筒12内，活塞的两个工作端面在缸筒内；右节流块20和左节流块25通过螺钉与活塞14的两个端面连接；并且右节流块20和左节流块25分别以右端盖7和左端盖13为安装主体，与各自的弯管、管接头构成气缸的进出口(右管接头18、右弯管19安装在右端盖上，左弯管23、左管接头24安装在左端盖上，与气缸的内腔相通)。
[0024]同时右端盖7和左端盖13都与各自的缓冲垫2连接，缓冲垫通过M5内六角螺钉3和M5弹簧垫圈4安装于端盖的内侧，在气缸活塞极限行程末端，由缓冲垫与活塞14端面接触，避免了直接的碰撞磨损；右端盖7和左端盖13通过螺钉紧固在缸筒12的两端。
[0025]由图1、图2和图3还可以看出:缸筒12两端为法兰状结构，端面按照O型密封圈标准要求开设环形凹槽，填入O型密封圈8，右端盖7和左端盖13通过螺钉分别与缸筒12连接，同时因压紧而促使O型密封圈8变形，这种端面静态密封可以密封压力达到30MPa的气体。
[0026]活塞14外圆按照鼓型密封圈标准要求开设环形凹槽，槽中装配鼓型密封圈10和塑料支撑环11，这种鼓型密封圈连同活塞14压入缸筒12过程中，与缸筒内壁紧密接触而涨紧变形，适宜于双向往复运动密封，密封气体压力可以达到25MPa，保证高压气缸无内泄漏；同时这种鼓型密封圈在同样的缸筒内径下，活塞的轴向尺寸相对较小，选取恰当的活塞外径和缸筒内径尺寸公差，保证鼓型密封圈10变形适中，空载情况下气缸两腔体一个大气压压差足可以推动活塞。
[0027]右端盖7和左端盖13内孔按照Y型高低唇密封圈标准要求开设环形凹槽，卡入Y型高低唇密封圈1，作为对活塞14伸出端与气缸端盖间的密封，这种密封圈要求的开槽结构简单，密封圈自封性好，密封气体压力达到12MPa，可以将外泄漏控制在标准范围内。
[0028]风洞试验必须要求气缸工作可靠，同时高压气缸的工作压力必须有较大安全冗余度，设定最大工作压力为6MPa。右节流块20用两个螺钉21与活塞14的右端面紧固连接，加工控制右节流块20的厚度，使活塞14处于右极限位置时，右节流块20右端面距离右端盖7只有I毫米，这时气体在气缸右腔和右弯管19之间进出必然受到节流限制，气缸右腔充气或排气速度降低，从而缓冲活塞运动。左节流块25与右节流块20起同样作用，只是方向相反而已，结构也与之相同，不再重述。
[0029]总体来讲，是将气缸底座与缸筒焊接成为一体部件，缸筒两端面凹槽放置O型密封圈，组成缸体组件；活塞与活塞杆为同一零件，活塞外圆的凹槽内装配鼓形橡胶密封圈和塑料支撑环，活塞的两端面上用螺钉连接左、右节流块，组成活塞组件；气缸两端盖都填入Y形高低唇密封圈实现与活塞的密封，内端面固定缓冲垫，与活塞缓冲冲击。装配时，先把活塞组件装入缸体组件内，然后将两端盖与缸体组件用螺钉连接，将缸筒两端面凹槽内放置的O型密封圈压紧而实现端盖与缸体的密封，同时端盖内嵌入的Y形高低唇密封圈与活塞实现密封；最后将V形卡块与活塞组件左端固接。在端盖装配前，右端盖、右进气管、右接头三者焊接为一体，左端盖、左进气管、左接头三者焊接为一体，然后再装入。
[0030]本实用新型的一种用于风洞试验的高压气缸动作过程是:①假设开始时是由右管接头18和右弯管19通入高压气体，起初右节流块20与右端盖7形成的节流缝隙，气体流通受到节流，气缸右腔气体压力平稳升高，当大于密封件与气缸金属零件间摩擦力以及V形卡块17与其导向部件(该件不属于本实用新型)摩擦力之和时，活塞向左开始移动，左腔气体由左管接头24和左弯管23开始排出；@V形卡块17与活塞14左移时，遇到工作阻力，气缸右腔气体压力继续升高，最高到6MPa，气缸左腔经由气路一直与大气连通，活塞右端面的压力与左端面的压力之差，大于工作阻力，V形卡块17与活塞14继续左移；③在左极限行程附近，活塞14左端面连接的左节流块靠近左端盖13，气缸左腔气体流出受到阻碍，气缸左腔压力升高，V形卡块17与活塞14运动减速，最后位置时活塞14撞到与左端盖13固接的缓冲垫2为止，V形卡块17运动停止。反方向运动亦然。所使用的气体可以为压缩空气或氮气或二氧化碳等工作介质，用后的气体排到大气中，无需单独处理，无污染。
【权利要求】
1.一种用于风洞试验的高压气缸，与高压气源相连接，其特征是:所述的高压气缸主要包括底座、缸筒、左端盖、右端盖、活塞、V形卡块、左节流块、右节流块、管接头和弯管； 缸筒固定不动，缸筒两端面上各开设环形凹槽，槽内放置密封圈； 活塞与活塞杆为一体件，穿设在缸筒内，V形卡块与活塞外端部连接，活塞外圆上环周开设凹槽，槽内放置密封圈，密封圈与缸筒内壁紧密接触实现密封；活塞的两个端面上分别安装左、右节流块，构造活塞的两个节流气腔； 左、右端盖固连在缸筒的两端面上，依靠密封圈与缸筒密封，两端盖的中心孔处开设凹槽，槽内填入Y形高低唇密封圈与活塞密封；两端盖的内端面都固定缓冲垫，与处于极限位置时的活塞缓冲冲击；两端盖上各自连接管接头和弯管，分别与活塞的两个节流气腔连通，构成高压气体出入口。
2.根据权利要求1所述的用于风洞试验的高压气缸，其特征是:所述底座与缸筒焊接成为气缸缸体。
3.根据权利要求1所述的用于风洞试验的高压气缸，其特征是:所述V形卡块与活塞通过螺钉固接，输出气缸的推力或拉力。
4.根据权利要求1所述的用于风洞试验的高压气缸，其特征是:左、右节流块通过螺钉与活塞的两个端面连接。
5.根据权利要求1所述的用于风洞试验的高压气缸，其特征是:缸筒两端为法兰状结构，端面按照O型密封圈标准开设所述环形凹槽，槽内填入O型密封圈；左、右端盖通过螺钉与缸筒连接，压紧O型密封圈，实现端面静态密封，密封压力达到30MPa。
6.根据权利要求1所述的用于风洞试验的高压气缸，其特征是:活塞外圆按照鼓型密封圈标准开设环形凹槽，槽中装配鼓型密封圈和塑料支撑环，鼓型密封圈连同活塞一起压入缸筒。
7.根据权利要求1或4所述的用于风洞试验的高压气缸，其特征是:加工控制节流块的厚度，使活塞处于极限位置时，节流块端面距离端盖为I毫米。
8.根据权利要求1所述的用于风洞试验的高压气缸，其特征是:活塞的两个节流气腔设定的最大工作压力为6MPa。
【文档编号】F15B15/20GK203979003SQ201420420869
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】徐来武, 黄存栋, 高鹏, 王义庆, 吴继飞, 蒋明华 申请人:中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所