本發(fā)明涉及到高焓激波風洞的驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到自由活塞驅(qū)動技術(shù)中一種自由活塞和緩沖止停機構(gòu)的設(shè)計。

背景技術(shù)：

自由活塞激波風洞是采用自由活塞驅(qū)動技術(shù)的高焓激波風洞，此類風洞通過重活塞壓縮器驅(qū)動自由活塞等熵壓縮單原子驅(qū)動氣體，達到高溫高壓狀態(tài)后驅(qū)動激波管運行，試驗氣體在激波管末端滯止后經(jīng)過噴管膨脹加速，實現(xiàn)高速高焓流動模擬的目的。

結(jié)合圖1描述活塞運動過程：初始時刻，活塞在上下游(上游高壓空氣與下游低壓驅(qū)動氣體)氣體的壓差作用下由靜止開始加速運動，并開始壓縮驅(qū)動氣體，致其壓力不斷升高，直至活塞前后壓力達到平衡，活塞速度達到峰值；隨后活塞開始減速，在慣性作用下，繼續(xù)壓縮驅(qū)動氣體直至主膜片打開，最后在緩沖吸能裝置的協(xié)助下，實現(xiàn)軟著陸?；钊倪\動與控制，尤其是軟著陸控制技術(shù)是自由活塞驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵，它關(guān)系到驅(qū)動性能以及風洞設(shè)備的安全。

理論上可以通過合理安排初始參數(shù)實現(xiàn)活塞的軟著陸。然而，大量計算和試驗表明，理論計算獲得軟著陸的參數(shù)集合非常小，在實際運行中僅僅通過選擇合適的理論設(shè)計參數(shù)是無法實現(xiàn)活塞軟著陸的，通常綜合多種措施來實現(xiàn)活塞的軟著陸。

目前國際上著名的幾座自由活塞激波風洞都采用自由活塞直接撞擊彈性吸能材料的方式實現(xiàn)活塞止停，此種方式存在幾個問題：第一，彈性吸能材料極易損壞，每進行幾次試驗就需要進行更換；第二，當活塞運動控制不當時，活塞以極高的速度直接撞擊彈性吸能材料，傳遞給設(shè)備極大的沖擊載荷，對設(shè)備安全產(chǎn)生影響；第三，當活塞質(zhì)量較大時，彈性吸能緩沖方式很難完全吸收活塞的殘余動能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服目前國際上自由活塞激波風洞設(shè)備中存在的彈性緩沖墊易損壞、對設(shè)備沖擊載荷較大以及緩沖墊吸收活塞動能有限的缺點。提供了自由活塞驅(qū)動技術(shù)的一種實現(xiàn)方式。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種自由活塞兩級緩沖止停機構(gòu)，包括兩級緩沖止停機構(gòu)；所述自由活塞呈凹腔結(jié)構(gòu)，運動在壓縮管內(nèi)腔，所述兩級緩沖止停機構(gòu)呈凸起中通結(jié)構(gòu)，包括緩沖結(jié)構(gòu)、支撐環(huán)、套筒以及底座；底座為帶凸起的中通法蘭結(jié)構(gòu)，通過底座將兩級緩沖止停機構(gòu)安裝在壓縮管末端，套筒套在底座的凸起上；支撐環(huán)固定在凸起的前端對套筒進行限位；緩沖結(jié)構(gòu)固定在支撐環(huán)的前端；當活塞運動到壓縮管末端時，兩級緩沖止停機構(gòu)的凸起進入自由活塞的凹腔結(jié)構(gòu)，套筒與自由活塞的內(nèi)腔面之間能夠相對滑動；自由活塞運動過程中通過自由活塞、壓縮管、兩級緩沖止停機構(gòu)之間形成的環(huán)形空腔進行一次緩沖，通過與緩沖結(jié)構(gòu)碰撞進行二次緩沖止停。

還包括密封環(huán)，通過前端蓋安裝在自由活塞的運動前端，所述的密封環(huán)與前端蓋之間的配合面為斜面，該斜面與活塞運動方向成30°-60°夾角，前端蓋上設(shè)置通氣孔，該通氣孔作用在上述斜面上。

密封環(huán)選擇受壓產(chǎn)生形變且至少能夠耐瞬時1000K溫度的材料，所述的受壓產(chǎn)生變形要求在3MPa壓力下徑向產(chǎn)生至少2mm的變形。

所述通氣孔孔徑范圍為所述斜面邊長的1/2～2/3，周向均布數(shù)量范圍8～12。

在底座凸起上周向設(shè)置4～8個內(nèi)徑范圍為4～8mm的通孔，通過該孔將環(huán)形空腔內(nèi)的壓縮氣體導(dǎo)出，使環(huán)形空腔內(nèi)的氣體壓力穩(wěn)定。

環(huán)形空腔內(nèi)的壓力保持在壓縮管末端氣體壓力的4～6倍范圍。

所述的緩沖結(jié)構(gòu)為彈性緩沖墊或者薄壁吸能環(huán)結(jié)構(gòu)，所述吸能環(huán)為帶中心通孔的圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱結(jié)構(gòu)分為三部分，中間部分為薄壁、兩端部分中的一端用于固定，另一端將沖擊力傳遞至中間薄壁，通過薄壁的塑性變形進行吸能。

薄壁上設(shè)置周向均布的誘導(dǎo)孔，便于塑性變形。

所述的薄壁長度與外徑之比的范圍2～5，薄壁外徑與薄壁厚度之比范圍在30～100。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用兩級緩沖吸能方式，第一級，氣動緩沖吸能，吸收活塞大部分動能；第二級，變形緩沖吸能，吸收活塞剩余動能。當活塞運動到壓縮管末端時，止停機構(gòu)與壓縮管形成環(huán)形的氣動緩沖腔，當活塞進入緩沖腔時，腔內(nèi)氣體受到壓縮，形成緩沖氣墊，活塞的動能轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)氣體的內(nèi)能，此為第一級緩沖；活塞減速，最終以較低的速度撞擊到二級緩沖結(jié)構(gòu)上，通過二級緩沖結(jié)構(gòu)的彈性或塑性變形實現(xiàn)活塞軟著陸。

(2)環(huán)形氣動緩沖腔內(nèi)布置有的周向通孔，利于氣動緩沖腔內(nèi)的氣體緩慢排出，保持緩沖腔內(nèi)壓力穩(wěn)定，減小活塞回彈的可能。

(3)二級緩沖結(jié)構(gòu)為變形吸能結(jié)構(gòu)，采用彈性變形吸能結(jié)構(gòu)或薄壁圓柱結(jié)構(gòu)塑性變形吸能結(jié)構(gòu)。

(4)自由活塞上的前端蓋、擋圈、活塞本體以及后端蓋為金屬材質(zhì)，耐磨環(huán)材質(zhì)為具有自潤滑特性的高分子聚合物，在活塞運動時耐磨環(huán)與壓縮管內(nèi)壁配合，起到支撐活塞作用。密封環(huán)材質(zhì)為耐瞬時高溫的高分子聚合物，受到壓力能夠發(fā)生彈性變形，實現(xiàn)密封；同時，密封環(huán)與壓縮管內(nèi)壁之間的摩擦力隨著活塞下游壓力的升高而增大，起到剎車功能。其中，驅(qū)動氣體通過前端蓋上的通氣孔作用在密封環(huán)的斜面上。

附圖說明

圖1為活塞運動過程示意圖。

圖2為自由活塞結(jié)構(gòu)圖。

圖3為兩級緩沖止停機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

圖4為密封環(huán)工作原理示意圖。

圖5為氣動緩沖原理示意圖。

其中：1-活塞，2-止停機構(gòu)，3-壓縮管，11-后端蓋，12-耐磨環(huán)，13-活塞本體，14-擋圈，15-密封環(huán)，16-前端蓋，21-緩沖結(jié)構(gòu)，22-支撐環(huán)，23-套筒，24-底座。

具體實施方式

附圖非限制性地公開了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

一種自由活塞與氣動緩沖止停機構(gòu)設(shè)計，如圖2、5所示，自由活塞1呈凹腔結(jié)構(gòu)，包括后端蓋11、耐磨環(huán)12、活塞本體13、擋圈14、密封環(huán)15以及前端蓋16；后端蓋11通過螺釘固定在活塞本體上，耐磨環(huán)12套在活塞本體13上，耐磨環(huán)12外徑尺寸大于活塞本體外徑，密封環(huán)15套在活塞本體上，密封環(huán)斜面與前端蓋16斜面緊密配合(該斜面與活塞運動方向成45°夾角)，前端蓋16通過螺釘固定在活塞本體上，前端蓋16開12個直徑為12mm的通氣孔，該通氣孔作用在上述斜面上。

上述密封環(huán)工作原理：驅(qū)動氣體經(jīng)過活塞的壓縮，壓力不斷上升，高壓驅(qū)動氣體通過前端蓋上的通孔作用到密封環(huán)的斜面上，壓力越高，密封環(huán)對管壁的壓力越大，密封越緊，密封環(huán)與管壁間的摩擦力越大，利于活塞減速。密封環(huán)15選擇受壓產(chǎn)生形變且至少能夠耐瞬時1000K溫度的材料，所述的受壓產(chǎn)生變形要求在3MPa壓力下徑向產(chǎn)生至少2mm的變形。

自由活塞上的前端蓋、擋圈、活塞本體以及后端蓋為金屬材質(zhì)，耐磨環(huán)材質(zhì)為具有自潤滑特性的高分子聚合物，在活塞運動時耐磨環(huán)與壓縮管內(nèi)壁配合，起到支撐活塞作用。密封環(huán)材質(zhì)為高分子聚合物，在受到壓力能夠發(fā)生彈性變形，實現(xiàn)密封；同時，密封環(huán)與壓縮管內(nèi)壁之間的摩擦力隨著活塞下游壓力的升高而增大，起到剎車功能。

為控制活塞整體質(zhì)量、后端蓋、活塞本體、擋圈以及前端蓋均為超硬鋁合金材料；耐磨環(huán)為聚四氟乙烯材質(zhì)，具有自潤滑功能，起到支撐活塞以及活塞加速階段的減阻功能；密封環(huán)為尼拉特隆材質(zhì)。

如圖4所示，高壓驅(qū)動氣體通過前端蓋上的通氣孔作用到密封環(huán)的斜面上，壓力越高，密封環(huán)對管壁的壓力越大，密封越緊；同時密封環(huán)與管壁之間的摩擦力越大，利于活塞減速。

如圖3所示，兩級緩沖止停機構(gòu)2由緩沖墊21、支撐環(huán)22、套筒23以及底座24。套筒23套在底座24的凸起部分，支撐環(huán)22固定在凸起的前端對套筒23進行限位，所述緩沖墊21固定在支撐環(huán)上。

兩級緩沖止停機構(gòu)上的底座、支承環(huán)為金屬材質(zhì)，套筒為具有自潤滑特性的高分子聚合物，緩沖墊為較軟的非金屬材質(zhì)，通過彈性變形緩沖吸能。兩級緩沖止停裝置與壓縮管形成一個環(huán)形的氣動緩沖腔，當活塞進入緩沖腔時，腔內(nèi)氣體受到壓縮，形成緩沖氣墊，活塞的動能轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)氣體的內(nèi)能，此為第一級緩沖；活塞減速，最終以較低的速度撞擊到彈性緩沖墊上，實現(xiàn)軟著陸，此為第二級緩沖。

具體的，底座、支撐環(huán)材質(zhì)為超硬鋁合金；套筒材質(zhì)為聚酰亞胺；緩沖墊材質(zhì)為硅橡膠，能耐瞬時高溫，可通過彈性變形吸能。

活塞破膜后，依然有較大的速度，當其到達壓縮管末端時，如圖5所示，套筒、底座以及壓縮管內(nèi)壁形成環(huán)形氣動緩沖腔(環(huán)形空腔內(nèi)的壓力保持在壓縮管末端氣體壓力的4～6倍范圍)，組成一級緩沖，吸收大部分活塞動能；緩沖墊為二級緩沖，通過彈性變形吸收剩余的活塞動能，實現(xiàn)活塞軟著陸。

在底座環(huán)形壁面上開有通孔，通孔直徑為5mm，數(shù)量為4個，可以實現(xiàn)氣動緩沖腔內(nèi)的高壓氣體緩慢排出，并減小活塞回彈的可能。

上述緩沖墊還可采用薄壁吸能環(huán)結(jié)構(gòu)，所述吸能環(huán)為帶中心通孔的圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱結(jié)構(gòu)分為三部分，中間部分為薄壁、兩端部分中的一端用于固定，另一端將沖擊力傳遞至中間薄壁，通過薄壁的塑性變形進行吸能，薄壁上設(shè)置周向均布的誘導(dǎo)孔，便于塑性變形。薄壁長度與外徑之比的范圍2～5，薄壁外徑與薄壁厚度之比范圍在30～100。

以上對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不限定于上述實施例。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在權(quán)利要求書所記載的范疇內(nèi)，顯而易見地能夠想到各種變更例或者修正例，當然也屬于本發(fā)明的技術(shù)范疇。

本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。