一種具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸的制作方法
【專利摘要】現(xiàn)有雙作用氣缸的返程耗能，非常接近于工作行程耗能，能量浪費極為嚴(yán)重；而現(xiàn)有的利用彈簧返程復(fù)位的單作用氣缸，因復(fù)位彈簧占據(jù)較大軸向空間，使得缸體縱向尺寸過大，不僅造成材料浪費與結(jié)構(gòu)笨重，而且行程受到很大制約。本發(fā)明提出了一種利用缸內(nèi)氣容形成返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸，用其取代現(xiàn)有的雙作用氣缸，節(jié)能效果極為顯著；用其取代現(xiàn)有的單作用氣缸，具有缸體縱向長度尺寸小、重量輕、行程不受局限等優(yōu)點。本發(fā)明具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧單作用氣缸，可以為社會有關(guān)領(lǐng)域，提供一種節(jié)能、環(huán)保、生產(chǎn)效率高、通用化程度高的新型氣動執(zhí)行元件。
【專利說明】
一種具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及氣缸領(lǐng)域，主要涉及一種利用缸內(nèi)氣容形成返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，雙作用氣缸在社會各領(lǐng)域中應(yīng)用的數(shù)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單作用氣缸。但是，有一個非常重要的經(jīng)濟指標(biāo)問題，長期以來為絕大多數(shù)人所忽視:雙作用氣缸返回行程浪費的能量，太嚴(yán)重了！
現(xiàn)有雙作用氣缸之所以返程浪費能量極其嚴(yán)重，在于活塞桿直徑d與活塞直徑D比值過小，大中型氣缸d/D比值一般為20%左右。這就造成氣缸的最大回程力，非常接近于其工作行程的最大作用力(設(shè)氣壓傳動系統(tǒng)額定壓力為P，氣缸工作行程最大作用力Fi=jtD2p/4，最大回程力 F2=JT (D2-d2)p/4; 二者之比為F2M=(D2-d2)/D2= [D2-(0.2D)2) ]/D2=0.96=96%)。然而，氣缸回程僅需要克服相關(guān)運動部位的摩擦力，因該摩擦力而導(dǎo)致的所需返程力，一般都在工作行程最大作用力F1=JiD2P/^的10%以內(nèi)，低摩擦氣缸甚至能夠做到在1%以內(nèi)。因此，現(xiàn)有大中型氣缸的返回行程，存在很大的力冗余，而力冗余即意味著能量浪費。
[0003]另外，根據(jù)氣缸耗能計算公式E=pV，也能夠反映出現(xiàn)有雙作用氣缸嚴(yán)重浪費能量的狀況。設(shè)氣缸最大行程為L，氣缸無桿腔容積￥1=仙2174，有桿腔容積V2=Ji (D2-d2) L/4; 二者之比為Vs/ViKDLc^/DMDM0.2D)2)]/D2=0.96=96%。這就意味著，現(xiàn)有大中型氣缸的返程耗能，高達(dá)工作行程耗能的96%左右。而克服相關(guān)運動部位摩擦力所需的能量，僅僅為工作行程耗能的10%甚至1%以內(nèi)，大量的能量被無謂浪費掉了。
[0004]從能源總體利用率方面來看，目前氣動傳動系統(tǒng)效率約為20%左右，而液壓傳動系統(tǒng)效率約為40%，前者僅為后者的一半左右。在這一方面，雙作用氣缸返程耗能浪費巨大，是最為關(guān)鍵的影響因素。
[0005]傳統(tǒng)雙作用氣缸存在的如此大的回程力冗余與能量浪費，不僅無謂消耗能源，而且還會產(chǎn)生很大的回程沖擊力與噪聲污染。一般情況下，現(xiàn)有雙作用氣缸的端蓋上，都需要設(shè)置結(jié)構(gòu)甚為復(fù)雜的緩沖裝置，而換向閥出口都需要加裝消音器。這無疑相應(yīng)提高了制造成本。
[0006]鑒于雙作用氣缸的返回行程，耗能過多且浪費嚴(yán)重，因此，對于大型與特大型氣缸，用單作用氣缸取代雙作用氣缸，具有非常明顯的節(jié)能效果。因為相對于雙作用氣缸，單作用氣缸返程耗能甚微，甚至在工程概念上可以做到不耗能。這是因為，單作用氣缸的返程力，是利用了復(fù)位彈簧在氣缸工作行程中得到壓縮而積蓄的勢能，僅需要克服氣缸相關(guān)密封部位的摩擦力即可。這一摩擦力，相對于氣缸的額定輸出力甚小，在工程計算上完全可以忽略不計。
[0007]但是，現(xiàn)有的單作用氣缸存在以下嚴(yán)重缺點:(一)復(fù)位彈簧為固態(tài)物質(zhì)材料制造，一般需要占據(jù)有桿腔大約50%的軸向空間，因此，現(xiàn)有單作用氣缸的缸體長度，約為雙作用氣缸的2倍。由于缸體長度過長，造成消耗材料過多，總體結(jié)構(gòu)笨重。(二)由于復(fù)位彈簧需要占據(jù)軸向空間，造成現(xiàn)有的單作用氣缸，既不可能在小行程條件下做到縱向尺寸很小，如超薄氣缸;又不可能行程很長，如超長行程氣缸。(三)復(fù)位彈簧的最小返程力，無法根據(jù)每只氣缸的具體摩擦力進(jìn)行調(diào)整，選取上具有較大的盲目性。為了保險起見，工程師往往選取過大的彈簧返程力，從而導(dǎo)致一定的不經(jīng)濟因素。
[0008]順便提及的是，中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01410260757.4的一種單作用推力缸，雖然能夠做成超薄氣缸，但不能做成長行程氣缸，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0009]由于上述缺點的存在，使得單作用氣缸，特別是單作用大中型氣缸，在社會各領(lǐng)域中的應(yīng)用數(shù)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及雙作用氣缸，從而造成了大量的能源浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是，克服現(xiàn)有彈簧勢能復(fù)位單作用氣缸總體結(jié)構(gòu)笨重，以及現(xiàn)有雙作用氣缸返程嚴(yán)重浪費能量的缺點，創(chuàng)新設(shè)計出一種總體尺寸及重量與雙作用氣缸相當(dāng)?shù)膯巫饔脷飧?，為社會有關(guān)領(lǐng)域提供一種節(jié)能、環(huán)保、通用化程度高的新型氣動執(zhí)行元件。
[0011]為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用的創(chuàng)新方案是:一種具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸，其活塞桿為中空狀，活塞、活塞桿之間形成桿內(nèi)容腔;所述桿內(nèi)容腔與桿外容腔相互連通而且對外部相對封閉，形成缸內(nèi)氣容;所述缸內(nèi)氣容充入并保持有用于返程的壓縮氣體，形成返程復(fù)位氣體彈簧。
[0012]由于上述創(chuàng)新方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有氣缸相比具有下列優(yōu)點:
1、本發(fā)明氣缸，利用缸內(nèi)氣容形成返程復(fù)位氣體彈簧，由于氣體為非固態(tài)物質(zhì)，不需要占據(jù)任何軸向空間，幾乎沒有重量，用其代替現(xiàn)有的彈簧返程復(fù)位式單作用氣缸，能夠顯著縮短缸體縱向尺寸，節(jié)約材料，降低重量；用其代替現(xiàn)有的雙作用氣缸，能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度節(jié)能，可顯著提高氣缸使用企業(yè)的經(jīng)濟效益。
[0013]2、本發(fā)明氣缸在小行程條件下，可以像現(xiàn)有雙作用氣缸一樣做成超薄氣缸;而本發(fā)明的中空狀活塞桿的直徑與剛度，較現(xiàn)有氣缸的實心活塞桿有了大幅度提高，因而可以做成超長行程氣缸。也就是說，本發(fā)明不僅極為顯著地擴大了單作用氣缸的應(yīng)用范圍，而且提高了雙作用氣缸的功能，可以全面取代現(xiàn)有的單作用與雙作用氣缸，具有很高的通用化程度。
[0014]3、本發(fā)明氣缸在工作行程中，有桿腔內(nèi)始終存在氣容背壓，沒有壓縮空氣排出，所以不產(chǎn)生出口噪音，運動平穩(wěn)性好，對前端蓋的沖擊力小;此外，返回行程的返程推力較小，故作用在氣缸后端蓋上的沖擊力也很小。因此，氣缸前、后端蓋上的緩沖裝置及相應(yīng)的消音器，一般可以省略或簡化，從而降低制造成本。
[0015]4、本發(fā)明氣缸的返程復(fù)位氣體彈簧的返程推力，可以根據(jù)具體氣缸的實際摩擦力大小，來調(diào)整及確定返程時缸內(nèi)氣容的壓力，所以能夠做到最小的返程力冗余。這一點，是現(xiàn)有的彈簧復(fù)位返程的單作用氣缸，無論如何也做不到的。
[0016]需要特別說明的是，本發(fā)明氣缸中的返程復(fù)位氣體彈簧，與現(xiàn)有的氣體彈簧，如氮氣彈簧等，有著本質(zhì)的區(qū)別?，F(xiàn)有氣體彈簧，如氮氣彈簧等，是一個相對獨立的封閉部件，根本無法在氣缸內(nèi)部使用。而本發(fā)明氣缸中的返程復(fù)位氣體彈簧，是利用缸內(nèi)氣容自然形成，不需要占據(jù)任何軸向空間。
【附圖說明】
[0017]本發(fā)明一種具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸的結(jié)構(gòu)原理圖如下，其中圖1為工作行程狀態(tài)，圖2為返回行程狀態(tài)。
[0018]圖中，1、活塞;2、活塞桿;3、桿內(nèi)容腔;4、桿外容腔;5、空氣流通孔6、二位三通換向閥7、壓力開關(guān)。
【具體實施方式】
[0019]附圖1與2是本發(fā)明具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧單作用氣缸的一個具體實施例。下面，結(jié)合該具體實施例，來對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述。
[0020]本發(fā)明單作用氣缸具體實施例的工作原理是:氣缸的活塞桿2為中空狀，與活塞I形成桿內(nèi)容腔3;活塞1、活塞桿2與缸體等自然形成桿外容腔4;活塞I與活塞桿2的交接處，設(shè)有空氣流通孔5，使得桿內(nèi)容腔3與桿外容腔4實現(xiàn)互通;互通的桿內(nèi)容腔3與桿外容腔4，由于活塞I與活塞桿2的密封結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)對外部相對封閉，形成缸內(nèi)氣容;缸內(nèi)氣容充入并保持有用于返程的壓縮氣體，形成返程復(fù)位氣體彈簧。
[0021]當(dāng)二位三通換向閥6處于如圖1所示左位工作時，氣缸為工作行程，其無桿腔內(nèi)進(jìn)入壓縮空氣，推動活塞I與活塞桿2向右運動;桿外容腔4內(nèi)的根據(jù)返程力需要而確定壓力的壓縮氣體，通過空氣流通孔5，部分流入桿內(nèi)容腔3 ;該過程中，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程PiViTi=P2V2T2，缸內(nèi)氣容壓力逐漸有所增加。但由于桿內(nèi)容腔3的容積明顯大于桿外容腔4，的容積，所以壓力增加的幅度不是很大。由于背壓提高，氣體彈簧作用于活塞右端面的返程力也有所增加。
[0022]當(dāng)二位三通換向閥6切換至右位工作時，氣缸的無桿腔通向大氣，桿內(nèi)容腔3內(nèi)的用于返程的壓縮氣體，通過空氣流通孔5，部分流入桿外容腔4;氣體彈簧作用于活塞I右端面上的返程力，推動活塞I與活塞桿2向左運動，進(jìn)行返程復(fù)位。該過程中，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程P1V1T1=P2V2T2,缸內(nèi)氣容壓力逐漸有所降低，但降低幅度不是很大。如圖2所示。
[0023]向缸內(nèi)氣容充入并保持有返程壓縮氣體的控制裝置，可以有許多種技術(shù)方案，此處限于篇幅不予贅述。無論氣缸在何種工作狀態(tài)下，只要缸內(nèi)氣容的壓力，因為泄漏等原因而低于壓力開關(guān)7調(diào)整的最低壓力時，控制系統(tǒng)便會發(fā)出信號，壓縮空氣便會從外部充入缸內(nèi)氣容。而一旦缸內(nèi)氣容壓力達(dá)到壓力開關(guān)7調(diào)整的最高壓力，控制系統(tǒng)又會發(fā)出信號而停止充氣。由于缸內(nèi)氣容形成的返程復(fù)位氣體彈簧的作用力，可以根據(jù)每個氣缸的實際摩擦力，來對壓力開關(guān)7進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整，所以能夠最大限度地降低返程作用力冗余。這一點，是彈簧復(fù)位返程的現(xiàn)有單作用氣缸，所根本不可能做到的。
[0024]需要特別提醒注意的是，對缸內(nèi)氣容進(jìn)行充氣，一般是為了補充泄漏，其次數(shù)是很少的。
[0025]由附圖1、2可以看出，除了活塞桿2為中空狀外，本發(fā)明具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸，與現(xiàn)有雙作用氣缸的結(jié)構(gòu)極為類似。所以在缸體縱向尺寸相同的條件下，二者行程是一樣的。但本發(fā)明具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸，返程耗能甚微，或基本不耗能;而現(xiàn)有雙作用氣缸返程耗能接近于工作行程耗能。因此，采用本發(fā)明具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸，取代現(xiàn)有雙作用氣缸，節(jié)能效果極為顯著。此外，由于本發(fā)明活塞桿2為中空狀，其直徑及剛度較現(xiàn)有氣缸的實心活塞桿有了大幅度增加，方便于做成超長行程氣缸。
[0026]當(dāng)然也不難分析出，用本發(fā)明具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸，取代現(xiàn)有的彈簧返程復(fù)位式單作用氣缸，不僅能夠顯著縮短缸體縱向尺寸，降低結(jié)構(gòu)重量，而且能夠在小行程條件下，可以像現(xiàn)有雙作用氣缸一樣做成超薄氣缸。
[0027]僅從結(jié)構(gòu)原理圖上來看，許多人也許會認(rèn)為，本發(fā)明具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸的制造成本，會高于現(xiàn)有的雙作用氣缸，實際情況卻并非如此。這是因為，現(xiàn)有的雙作用氣缸，前后端蓋上都需要設(shè)置結(jié)構(gòu)甚為復(fù)雜的緩沖裝置。而本發(fā)明氣缸，由于工作行程始終存在返程氣容背壓，而返回行程的力較小，故而氣缸前后端蓋上的緩沖裝置，可以省略或簡化。所以其綜合制造成本，反倒會低于現(xiàn)有的雙作用氣缸。此外，本發(fā)明氣缸在工作行程中，有桿腔內(nèi)沒有壓縮氣體排出，不產(chǎn)生噪音，可以省掉一個消音器。
[0028]上述具體實施例，采用活塞-活塞桿組件為運動組件，但根據(jù)同一發(fā)明思路，當(dāng)然也可以設(shè)計出活塞-活塞桿組件固定、缸體組件運動的雙作用節(jié)能氣缸。
[0029]上述實施例只是為了說明本發(fā)明的創(chuàng)新構(gòu)思與技術(shù)特點，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于上述特定的【具體實施方式】。凡根據(jù)本發(fā)明創(chuàng)新構(gòu)思實質(zhì)與技術(shù)特點而所進(jìn)行的各種等效變化或局部性的修飾，特別是活塞-活塞桿組件的等效結(jié)構(gòu)變化等，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有缸內(nèi)返程復(fù)位氣體彈簧的單作用氣缸，其特征在于:活塞桿為中空狀，活塞、活塞桿之間形成桿內(nèi)容腔;所述桿內(nèi)容腔與桿外容腔相互連通而且對外部相對封閉，形成缸內(nèi)氣容;所述缸內(nèi)氣容充入并保持有用于返程的壓縮氣體，形成返程復(fù)位氣體彈簧。
【文檔編號】F15B15/22GK105864146SQ201610261443
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】鐘康民, 呂良訓(xùn), 竇云霞
【申請人】蘇州普來可瑞機電技術(shù)有限公司