CN103939611A - 开口气缸的柔性开口紧固与密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开口气缸的柔性开口紧固与密封装置，包括柔性紧固密封带、气缸开口结构、紧固密封带分离与闭合装置及活塞，克服现有开口气缸技术中存在的开口紧固缺失、不足，以及气体密封不足，可靠性差的问题。紧固带设置于气缸内或外，可弯曲绕过活塞臂，实现活塞臂的无障碍通过，实现开口的紧固作用；密封带设置于气缸内，可弯曲绕过活塞臂，实现气缸内气体的连续密封；紧固密封带分离与闭合装置提供柔性带与开口的分离与结合；活塞提供柔性带的通过滑道，提供紧固密封带分离与闭合装置的固定，提供与密封带配合的联合密封装置。

Description

开口气缸的柔性开口紧固与密封装置

技术领域

本发明涉及动力传递所使用的开口气缸机械领域，尤其涉及开口气缸其开口部分所需要的紧固与密封，以及相关配套需要的技术装置。

背景技术

在使用气缸(包括气体、液体气缸)进行动力传递的场景中，有时需要使用开口气缸(例如航空母舰上飞机的起飞弹射)。开口气缸优势：在气缸活塞上直接输出动力(完成这种功能的机构称为活塞臂，从缸体活塞上通过气缸缝即开口伸出缸体外)，可以最大程度减少动力输出装置的死重，减少气缸及动力输出装置的总体长度，提高动力输出响应速度与效率。

开口气缸的正常工作，需要解决由于气缸缸体开口之特点带来的缸体变形及气缸工作物资(包括高压气体、水蒸汽或液体等，本文以气体代替)泄漏的问题。

缸体的变形有两种解决途径。

一、加强缸体自身强度。包括加厚缸壁、在缸体外部设置加强机构。该方式易于实现，但是会增加很大的结构重量与设备尺寸。

二、对开口进行活动性紧固。活动性紧固是指：当活塞及活塞臂通过时，可快速打开便于活塞臂无障碍通过；当活塞及活塞臂通过后立即紧固开口，防止缸体涨开而变形。该方式实现难度较大，尤其是在高速度、大压力、长行程的气缸上实现困难很大。

气缸壁厚需求分析：

采用常规压力容器，根据《钢制压力容器》GB150-1998厚度公式：δ＝(P×D)÷(2δt×φ-P)+1

P是设计压力(单位为MPa)，D是直径(mm)，δt是材料在设计温度下的许用应力(MPa)，φ为焊接系数(取1.0)，1为腐蚀裕量。

Q235Bδt为113MPa，常规航母P＝2MPa，D＝500mm，则δ＝5.46mm。

现有航母壁厚分析：

从公开的图片中看气缸壁厚约30mm～60mm；从公开的结构重量中估算，弹射机构总体重量500吨，其中弹射气缸占125吨，按100米长度，则气缸壁厚度约80mm。

无论从哪个数据看，现有航母的缸体壁厚(50mm左右)都比满足其基本气体压力需要的缸壁厚度(6mm左右)大得多。究其原因，正是由于没有解决开口紧固问题，不得不加强缸体自身强度，采用很厚的缸体来抵御缸体变形。

如果利用其它装置在开口气缸的开口处提供额外的紧固力克服缸体涨力，则不要如此厚的缸壁结构。

开口气缸的气密封通常采用活动性密封。密封形式包括缸体内密封及缸体外密封两种方式。无论那种方式，都要解决活塞臂的顺利通过问题，面临密封体的可靠性、密封结构活动的灵活性及活塞臂快速通过的便利性之间的矛盾，其设计非常复杂。

由于开口气缸的开口紧固与密封技术可以应用于航空母舰的飞机起飞弹射机构，公开文献与专利很少。从已公开的航母弹射机构看，缸体很厚，其开口紧固机构的紧固作用很小，密封机构的密封性不够，从公开的视频看蒸汽泄露比较大；其它方案很少涉及开口紧固机制。

涉及气体密封的文献及专利，很多是采用分段密封，密封断面多，密封体与活塞间的密封形状复杂，其解决的彻底性不足，漏气较多，存在较大的缺点；其它采用连续密封的方案，使用拖曳滑动的方式实现密封体的到位，在高速运行的系统中较难解决结构重量、密封带惯性以及滑动磨损等问题。

为此，本发明提供了一种解决开口气缸的的开口紧固以及密封问题的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

克服现有开口气缸技术中存在的开口紧固缺失、不足，以及气体密封不足，可靠性差的问题，提供一种开口气缸的开口紧固与密封装置。

本发明采用以下技术方案：

提供一种柔性紧固与密封装置，由柔性紧固密封带、开口机构、柔性紧固密封带分离与闭合装置以及活塞等4部分组成。

在活塞臂通过前，柔性紧固密封带在分离臂的作用下离开开口，活塞臂通过后在闭合臂的作用下重新与开口结合，从而既实现开口的紧固与密封功能，又能使活塞臂无障碍通过，解决了开口气缸的开口紧固、气体密封及活塞臂无障碍通过之间的矛盾。

采用柔性紧固密封带一体的结构，本发明将其设置在气缸内部实现内紧固与内密封。

采用柔性紧固与密封功能分开设置的结构，本发明将柔性紧固带设置在气缸外部实现外紧固，柔性密封带依然设置在气缸内实现内密封。

开口机构设置于气缸缝处，承载气缸缸体的涨力，提供活塞臂的通过，提供与柔性紧固密封带的结合能力，提供与柔性密封带的联合密封能力。

柔性紧固密封带与开口的分离与结合动作，通过柔性紧固密封带分离与闭合装置实现。

活塞承担气缸高压气体的压力，提供动力输出，提供柔性紧固密封带的通过滑道，提供分离与闭合装置的固定，提供常规的圆形活塞环组件，还提供与紧固密封带配合的弹性密封片。

在上述4种组件的配合下，柔性紧固与密封装置可实现开口的紧固与密封能力。

可达到的有益效果：

采用本发明所述装置，与现有技术相比，利用柔性紧固密封带绕过活塞臂，实现了开口气缸开口的快速、可靠紧固作用，提供了气缸内气体的连续、紧致密封能力，同时使活塞臂无障碍快速通过，响应速度快，紧固可靠，密封简单、磨损小。又由于紧固作用抵抗了缸体的涨力，可以降低缸体强度与材料厚度，减少缸体体积、重量，提高了动力输出效率与速度，可充分体现开口气缸动力输出直接的优势。

附图说明

图1是柔性开口紧固与密封装置整体结构图

图2是紧固密封带示意图

图3是紧固片与柔性带连接图

图4是紧固密封一体式的开口、紧固密封带结构

图5是紧固密封分离式的开口、紧固密封带结构

图6是设置缓冲带的柔性紧固密封带

图7是缓冲带置于开口底部示意图

图8是分离与闭合装置示意图

图9是分离与闭合臂推力分析图

图10是活塞结构图

图11是各组件之间的相对关系示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案的实施作进一步的详细描述。

本发明所述开口气缸的柔性开口紧固与密封装置整体结构见图1。

本发明所述开口气缸的柔性开口紧固与密封装置包括以下组件：

A、柔性紧固密封带

柔性紧固密封带由柔性带、紧固片构成，见图2。柔性带可弯曲，紧固片与柔性带固定弹性连接，从而可以跟随柔性带运动。

紧固片与柔性带固定弹性连接采用如图3所示的一种弹性楔片连接。楔片与柔性带固定连接，穿过紧固片中的通道，楔片顶端为圆柱形，容纳在紧固片的菱形腔体中，与其有一定间隙且可弹性变形。这种结构允许柔性带与紧固片在接触面的法线方向有相对位移，以适应柔性带的弯曲。

采用柔性紧固密封带一体的结构，本发明将其设置在气缸内部实现内紧固与内密封。与此配合的开口方案见图4。紧固片起到开口紧固与气体承压作用，柔性片起到密封作用。这种方式下，活动部件少，但是开口暴露在外，没有收到保护，受力较大的紧固片在开口内，维护复杂。

采用柔性紧固与密封功能分开设置的结构，本发明将柔性紧固带设置在气缸外部实现外紧固，柔性密封带依然设置在气缸内实现内密封。与此配合的开口方案见图5。这种方式下，分离与闭合臂受力可以部分抵消活塞动力输出力矩(因活塞气动中心与活塞臂动力输出点不重合)；因紧固片在气缸外部，有利于装置的维护保养；外部柔性带可以盖住开口，防止异物进入气缸内部，起到保护气缸的作用；内部密封带与外部紧固带可以分别设计，可以做到各自结构最简，性能最优，有利于工程实现，但是活动部件增多，工程实施中需要综合考虑。

柔性紧固密封带在活塞臂之前和之后都是与开口机构连接在一起(从紧固密封带的作用看，其在活塞臂之前并不需要承担紧固与密封作用，因此也就不需要与开口机构连接，但是很长的柔性带需要有附着的地方，因此本发明采用使其附着在开口机构之上的方案来解决这个问题)。在活塞臂前，由于其柔性特性，可以弯曲离开开口，并绕过活塞臂以提供活塞臂的通过。当活塞臂通过后，再与开口闭合，完成开口的锁固、气体密封功能。由于柔性带为连续的结构，密封面连续、平整，断面少，密封结构简单，密封性能好。

柔性紧固密封带主要承受两种较大的力量：开口侧拉力、气缸内气体压力。由于柔性紧固密封带的长度方向与开口侧拉力、气缸内气体压力相互垂直，互相之间的干涉很小，工程实现比较容易。

活塞臂之后紧固片所受拉力分析：

设f为紧固片在开口长度方向上的单位长度所受拉力，p为气体压力，D为气缸直径，

f＝p*D*/2

常规工作参数p＝2MPa，D＝50cm，则f＝500Kg/cm

柔性紧固密封带与开口的离开与闭合动作行程很小，在分离与闭合装置的机械作用下，可以快速完成离合的动作，适应高速活塞臂的通过。

更进一步的设计：

柔性紧固密封带的结构，需要考虑其快速弯曲的需要，在紧固片与柔性带之间设置一缓冲层，缓冲层可轻微弹性变形以适应柔性带的弯曲，如图6所示。缓冲层亦可增强密封作用。

另一种方案，缓冲带可固定于开口底部，这样柔性紧固密封带上的缓冲层可取消。如图7所示。

B、开口结构

开口结构除承担气缸的气体涨力、提供活塞臂的通过能力外，还提供柔性紧固密封带的附着、联合密封功能。由于紧固密封带的方案不同，开口结构也有对应多种方案，见图4、图5。

C、柔性紧固密封带与开口的分离与闭合装置

该装置提供柔性紧固密封带的分离与闭合功能。沿活塞运行方向，在活塞臂的前后方各设置一套，以适应活塞的往返。这两套结构可以一样，也可不同以适应往返不同的技术要求(往返的速度不同，力量也不同，因此结构可以各有侧重)。其基本特点是分离部分以较小的进入角切向柔性紧固密封带的紧固片与开口接触面，将其挤压离开开口部位。闭合部分与分离部分作用原理类似，只是作用面、作用力与分离部分方向相反。见图8。

分离与闭合臂推力分析：

其作用是提供柔性带与开口的分离与闭合作用力。一般来说，影响其大小的因素有：气缸开口张力、紧固片与开口的摩擦力、切入角，与紧固片在开口上的滑动行程也可能有关系。在此提供一简化模型分析，如图9所示。

设分离臂水平推力为f1，紧固片与开口的摩擦力f2，气缸压强P，气缸直径D，紧固片与开口的摩擦系数μ，切入角α，紧固片在开口上的滑动行程高度H，长度L。

气缸开口张力＝p*D*L/2

紧固片与开口的摩擦力f2＝气缸开口张力*μ＝p*D*L/2*μ

分离臂水平推力f1＝f2*sin α

sin α＝H/L

则f1＝p*D*/2*μ*H

可见分离臂水平推力与切入角没有关系，但是与滑动行程高度H有关系(这个结论与一般的常识不同。一般的常识中，切入角越小越省力。但是本案例中，切入角越小，力臂需要推动的紧固片越多，f2有增大的趋势)。这个结论可以指导紧固片在开口上的滑动行程及切入角的选择。

当气缸压强为20个大气压，气缸直径为50cm(现有航母弹射常规参数)，摩擦系数为0.1时，

f1＝50H

当紧固片在开口上的滑动行程高度为3cm时，分离臂水平推力为150Kg。

闭合臂受力分析与分离臂类似。根据上述数据，活塞给分离闭合臂提供的推力为300Kg，与活塞总推力(39.25吨)相比很小(0.76％)。

D、活塞

该组件提供气缸高压气体的受力、动力输出，以及柔性紧固密封带的通过滑道。活塞体内提供柔性紧固密封带绕过活塞臂通过的滑道，提供分离与闭合装置的固定，提供常规的圆形活塞环组件，最重要的是还提供与紧固密封带配合的密封带密封片。见图10。与紧固密封带配合的密封带密封片为弹性结构，可适应制造公差及系统运行公差，使气体密封效果更好。

活塞可左右自由滑动，紧固密封带可紧固或离开开口。分离与闭合装置与活塞固定连接在一起。活塞环组件、密封带密封件与活塞连接在一起随活塞运动。

就柔性紧固与密封一体的方案，以活塞自右向左运动为例说明其工作机制。

随着活塞的运动，根据活塞与紧固密封带的相对位置不同，各结构之间的相对关系如图11所示。下面结合图11对技术方案的实施作进一步的详细描述。

在A处，紧固密封带与开口结合在一起，气缸壁与密封带构成固定的外密封面，活塞、活塞环及密封带密封片一起构成活动的内密封面；

在B处，紧固密封带开始接触到分离与闭合装置的分离臂。在分离臂向下的挤压作用下，紧固密封带向下运动离开开口，通过活塞上的窗口进入活塞内部；

在C处，紧固密封带已完全离开开口，沉入到活塞臂下方，在滑道中滑行，从而让出开口位置供活塞臂通过开口；

在D处，紧固密封带开始上升接触到分离与闭合装置的闭合臂。紧固密封带通过活塞上的窗口逐步离开活塞体，在闭合臂向上的压力作用下，向上运动卡住开口；

在E处，各组件相对位置恢复到与A处一致的状态。外密封面与内密封面重新构成完整的气密面。

由于活塞臂的前后两端都设置有分离与闭合装置，因此活塞自左向右运动可以实现同样的功能。

Claims (8)

1.一种开口气缸的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：可弯曲的柔性带，以及与柔性带连接在一起的紧固片，可一起弯曲绕过活塞臂与气缸缝开口结合。

2.权利1所要求的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：柔性紧固与密封带可合一设置在开口内部，也可分离，紧固带在开口外部，密封带设置在开口内部。

3.权利1所要求的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：与柔性带不同的设置方案配合的开口结构。

4.权利1所要求的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：与活塞、活塞臂连接在一起的柔性带分离与闭合装置。

5.权利1所要求的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：活塞上提供柔性带穿过的窗口、滑道，提供与密封带配合的密封装置。

6.权利1所要求的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：柔性带与紧固片之间设置缓冲带。

7.权利1所要求的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：柔性带与紧固片之间采用楔片连接。

8.权利1所要求的柔性开口紧固与密封装置，其特征是：开口机构底部设置缓冲带保证气密性。