具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸的制作方法

本实用新型涉及冲击气缸领域，主要涉及一种具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸。

背景技术：

冲击气缸是对蓄能腔进行限压蓄能、使得活塞受力面积陡然扩大，而在气缸工作腔内形成压力冲击波为技术特征的特殊气缸。在缸径、额定压力相同的条件下，冲击气缸输出的峰值冲击力可达常规气缸的50倍以上，而其耗能仅为常规气缸的2倍左右。因此，对于需要瞬时冲击力很大的场合，如某些冲压机床等，采用冲击气缸取代常规气缸，具有极为明显的节能效果。

然而，目前冲击气缸的应用范围却十分有限，基本上局限于小直径气缸。造成这种局面的根本原因，在于现有结构的冲击气缸，如果缸径较大，势必造成有杆腔的容积过大（对于d/D=0.20的气缸，有杆腔容积与无杆腔容积之比为 0.96），而活塞-活塞杆组件的冲击速度极快，存在于有杆腔内的大量气体，因排放受阻，会产生高达100分贝以上的冲击噪声，这是绝大多数工业场合所不能接受的。此外，由于活塞-活塞杆组件在冲击时的加速度极大，活塞有杆腔内的气体因排放受阻而对活塞形成的背压会陡然升高，甚至会使活塞-活塞杆组件反向运动，产生所谓“负位移”现象。尽管有人设计了所谓“快排”冲击气缸，但快排装置结构复杂，制造成本高昂，而且对冲击噪声降低幅度有限。

此外，现有的冲击气缸大多都是双作用的，其返回行程耗能接近于工作行程耗能的一半，能量浪费极为严重。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，克服现有冲击气缸冲击噪声过大，以及返程耗能过多的缺点，设计出一种返回行程耗能很少的低噪音冲击气缸，显著扩大冲击气缸的应用范围，为社会有关领域，提供一种节能、低噪音、高效率的气动执行元件。

为达上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸，其活塞杆为中空状，活塞、活塞杆之间形成杆内容腔；所述杆内容腔与杆外容腔相互连通而且对外部相对封闭，形成缸内气容；所述缸内气容充入并保持有用于返程的压缩气体，形成返程复位气体弹簧。

优选地，一种具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸，其活塞-活塞杆组件的活塞一端与中盖之间，以端面密封结构，形成压缩气体作用面积的突变装置。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1、本实用新型一种具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸，由于在工作过程中，活塞杆与冲击缸筒内壁之间的气体，不是像现有冲击气缸一样流入大气，而是流入活塞与中空状活塞杆形成的杆内容腔，冲击噪声会大幅度降低，完全可以降低至50分贝以下，能够为绝大多数工业场合所接受，因而可以显著扩大冲击气缸的应用场合与范围。

2、本实用新型一种具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸，由于利用气体弹簧返程，返程力仅需要克服活塞-活塞杆组件的摩擦力，因而耗能甚微，比现有的双作用冲击气缸，节能效果显著。

附图说明

附图1是现有双作用冲击气缸处于工作行程的状态图。由图中可见，现有双作用冲击气缸，由于活塞有杆腔的容积过大，而活塞-活塞杆组件的冲击速度极快，不仅有杆腔内的气体因排放受阻会对活塞形成的背压会陡然升高，而且会产生极大的冲击噪声。

附图2、3、4为本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸的结构原理图。其中，图2为原始状态，图3为蓄能腔蓄能、尚未冲击爆发状态，图4 为冲击爆发后，活塞-活塞杆组件加速运动输出冲击力做功的工作行程状态，图5 为返回行程状态。

图中，1、后端盖；2、蓄能缸筒；3、中盖；4、冲击缸筒；5、活塞-活塞杆组件：51、活塞；52、密封垫；53、活塞杆；6、右端盖；7、二位三通阀；8、压力开关；9、蓄能腔；10、杆内容腔；11、杆外容腔；12、空气流通孔

具体实施方式

附图2、3、4、5是本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸的一个具体实施例。下面，结合该具体实施例，来对本实用新型的技术方案作进一步阐述。

气缸相对固定的零部件为后端盖1、蓄能缸筒2、中盖3、冲击缸筒4、右端盖6，运动部件为活塞-活塞杆组件5，控制元件为二位三通阀7、压力开关8。

后端盖1、蓄能缸筒2与中盖3形成蓄能腔9；中空状的活塞杆53与活塞51形成杆内容腔10；活塞51、活塞杆53与冲击缸筒4形成杆外容腔11，活塞杆53与活塞51的交接处，设有空气流通孔12；杆内容腔10与杆外容腔11，通过空气流通孔12实现互相连通。互相连通的杆内容腔10与杆外容腔11，由活塞51与活塞杆53的密封结构而实现对外部相对封闭，从而形成缸内气容；缸内气容充入并保持有用于返程的压缩气体，形成返程复位气体弹簧。用于返程的压缩气体的压力范围，由压力开关8设定。

此外，活塞-活塞杆组件5的活塞一端孔中，固设有密封垫52，而中盖3右端设有凸缘部，二者以端面密封配合形成压缩气体作用面积的突变装置。

当活塞-活塞杆组件5处于原始位置，即图2所示位置时，二位三通阀7右位工作，蓄能缸筒2的内腔，通过后端盖1上的进排气口及二位三通阀7，与大气相通。活塞-活塞杆组件5，在返程复位气体弹簧气体背压的作用下，处于最左端位置。固设于活塞51一端的密封垫52，与中盖3右端的凸缘部接触，并产生弹性变形，将蓄能腔与工作腔隔离。这种情况下，活塞51左端面与中盖3右端面之间的较小空腔，称为尾腔。密封垫52产生弹性变形时，尾腔内的空气通过中盖3上的排气孔，排入大气。

当冲击气缸处于图3所示蓄能状态时，二位三通阀7左位工作，压缩空气通过后端盖1上的进排气口，进入蓄能缸筒2的内腔。由于中盖3中间的喇叭孔右端直径较小，仅为活塞51直径的1/3左右，其横截面面积仅为活塞51面积的1/9左右，因此，蓄能腔9内的压缩空气，压力需要达到一定临界值，才能够推动活塞-活塞杆组件5向右运动。

一旦蓄能腔9内的压缩空气，压力达到冲击触发的临界值时，通过中盖3中间喇叭孔作用于活塞51左端面上的力，就能克服返程复位气体弹簧的回程力与摩擦力，使得固设于活塞51左端面上的密封垫52，脱离中盖3右端的凸缘部。在密封垫52脱离中盖3右端凸缘部的一瞬间，压缩空气作用于活塞51左端面上的面积，突然由中盖3中间喇叭孔右端的面积，一下子扩大到活塞51的整个横截面面积，作用面积瞬间扩大到9倍左右，因而在工作腔内形成气压冲击波。该气压冲击波，迫使活塞-活塞杆组件5，以极大的加速度向右运动，能够输出很大的瞬间冲击力，对外做功。如图4所示。

进入冲击爆发阶段时，杆外容腔11的压缩气体，通过空气流通孔12，部分流入杆内容腔10，返程复位气体弹簧对活塞51右端面的背压，有所提高。但由于杆外容腔11的容积，明显小于杆内容腔10的容积，根据理想气体的状态方程p₁T₁V₁=p₂T₂V₂可知，返程复位气体弹簧对活塞51右端面的背压，提高幅度有限。最为关键的一点是，缸内气容是封闭的，没有气体流向大气，因而冲击噪声很低。由于噪音污染极小，所以能够显著扩大冲击气缸的适用场合，并能够使得冲击气缸向大直径方向发展。

冲击爆发阶段结束后，即活塞-活塞杆组件5输出很大的瞬间冲击力对外做功以后，二位三通阀6又切换至右位工作，冲击气缸的无杆腔与蓄能腔9联通，通过后端盖1上的进排气孔与二位三通阀6的阀口，通向大气。杆内容腔10内的返程压缩气体，通过空气流通孔12，部分流入杆外容腔11，返程复位气体弹簧作用在活塞51右端面上的力，推动活塞-活塞杆组件5向左运动，进行返程复位。该状态下，缸内气容的压力逐渐有所降低；同样，根据理想气体的状态方程p₁T₁V₁=p₂T₂V₂可知，缸内气容的压力降低幅度有限。如图5所示。

最终，活塞-活塞杆组件5返程复位到如图2所示原始位置，即最左端位置。

不难理解，返程复位气体弹簧对活塞51右端面的返程背压，而形成的返程推力，仅需要克服活塞-活塞杆组件5的摩擦力，相对值是很小的。因而，本实用新型缸内返程复位气体弹簧的节能降噪单作用冲击气缸，与现有的返程耗能过多的传统双作用冲击气缸相比，节能效果极为显著。

向缸内气容充入并保持有返程压缩气体的控制装置，可以有许多种技术方案，此处限于篇幅不予赘述。无论气缸在何种工作状态下，只要缸内气容的压力，因为泄漏等原因而低于压力开关8设定的最低压力时，控制系统便会发出信号，压缩空气便会从外部充入缸内气容。而一旦缸内气容压力达到压力开关8设定的最高压力，控制系统又会发出信号而停止充气。由于缸内气容形成的返程复位气体弹簧的作用力，可以根据每个气缸的实际摩擦力来对压力开关8进行现场调整设定，所以能够最大限度地降低返程作用力冗余。这一点，是弹簧复位返程的现有单作用冲击气缸，所根本不可能做到的。此外需要特别提醒注意的是，对缸内气容进行充气，一般是为了补充泄漏，其次数是很少的。

工作过程中压缩气体作用面积的突变装置，也可以有多种技术方案，目前主要有端面密封与圆柱面密封两大类。对于活塞-活塞杆组件运动的冲击气缸，端面密封结构较为简单可靠，故本发明优选采用端面密封结构。

需要特别说明的是，本发明气缸中的返程复位气体弹簧，与现有的气体弹簧，如氮气弹簧等，有着本质的区别。现有气体弹簧，如氮气弹簧等，是一个相对独立的封闭部件，根本无法在气缸内部使用。而本发明气缸中的返程复位气体弹簧，是利用缸内气容自然形成，不需要占据任何轴向空间。

上述实施例只是为了说明本实用新型的创新构思与技术特点，但本实用新型的保护范围并不局限于上述特定的具体实施方式。凡根据本实用新型创新构思实质与技术特点而所进行的各种等效变化或局部性的修饰，特别是密封结构、控制装置以及活塞-活塞杆组件的等效变化等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。