CN107830008B - 一种通用的双作用气浮无摩擦气缸 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通用的双作用气浮无摩擦气缸，包括一个通过套筒安装在向心关节轴承上并与活塞杆相配合的空气轴承和一个自行设计的气浮活塞。通过中空的活塞杆外部供气进至气浮活塞与缸筒之间的间隙中形成气膜，而后气体再经中空的活塞杆排出。这样，穿过空气轴承的活塞杆‑活塞组件就可以无摩擦地移动。由于向心关节轴承的作用，在一定程度上可以避免因装配误差或径向负载所产生的活塞‑活塞杆组件卡死在缸筒的现象。本发明通过外部独立供气、自排气，可以保证气缸两腔在低压作用下仍可以实现无摩擦的运动。

Description

一种通用的双作用气浮无摩擦气缸

技术领域

本发明涉及一种气浮气缸，具体是一种通用的双作用气浮无摩擦气缸。

背景技术

通常情况下，普通的气缸都是有摩擦的，摩擦产生于活塞密封圈和缸筒内壁之间，以及活塞杆和端盖的防尘密封圈之间。

传统上，气缸减小摩擦的方法通常有提高加工精度以减小表面粗糙度、选用摩擦系数低的材料、采用新型润滑脂以及改善密封形式。传统方法虽然可以在一定程度上降低气缸的摩擦力，但是存在加工制造成本高、加工维护困难以及寿命短的缺点。随着技术的革新，间隙密封和滚珠导向套技术的采用大大降低了气缸的摩擦力，不过其对径向负载敏感、结构复杂、成本很高；隔膜囊式密封的采用配合直线滚珠轴承极大地降低了气缸的摩擦力，然而其膜片的结构使得其行程受限。

为使气缸实现高精度的输出力控制，基于气体润滑技术的无摩擦气缸被提出。中国发明专利申请CN102155465A公开了一种带有气浮轴承的无摩擦气缸，它是通过中空的活塞杆和软管为以静压气浮原理设计的活塞供气从而实现活塞和缸筒内壁的无摩擦，同时通过球铰连接活塞杆和活塞使得气缸能承受一定的径向负载而不易卡死。不过，中空活塞杆只有外部供气通道，外部的压缩空气通过活塞节流孔流向活塞与气缸内壁的间隙形成高压气膜承载活塞后只能流向气缸的两腔，这无疑会干扰气缸两腔控制。此外，当两腔压力跟气浮活塞独立供气的外部压力相近的时候，气膜压力将无法承载活塞，无摩擦将无法实现。中国发明专利申请CN103047221A公布一种双作用气悬浮无摩擦气缸，它是采用气缸两腔的压缩空气为气浮活塞供气形成气膜承载活塞实现非接触，后通过中间的泄压槽和中空活塞杆排向大气。然而，此种设计存在这样的缺陷，即当两腔的气压比较小时，无法产生足以承载活塞使活塞和缸筒内壁不接触的气膜，那么此无摩擦气缸就失效了。因此，上述气浮无摩擦气缸能否正常工作都受限于两腔的工作气压。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种通用的双作用无摩擦气缸，该无摩擦气缸气浮活塞是通过独立供气形成高压气膜承载实现无摩擦，而后自动从活塞周向两端环形泄压凹槽内排气，其工作不受两腔内压力大小的影响。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种通用的双作用气浮无摩擦气缸，包括活塞杆、气浮活塞、气缸筒，气缸筒的两端有分别设置前端盖、后端盖，所述活塞杆穿过前端盖延伸至气缸筒内、与气浮活塞固定连接，活塞杆通过空气轴承支撑在前端盖上，气浮活塞位于气缸筒内、且与气缸筒之间留有间隙；其特征在于，所述活塞杆穿入气浮活塞，

所述气浮活塞内部具有直径不等的大空腔、小空腔，所述气浮活塞两端部的外圆周壁上设置有第一环形泄压凹槽和第二环形泄压凹槽，气浮活塞的圆周壁上周向设置有径向的带均压槽的节流孔，气浮活塞圆周壁内设置有轴向延伸的第一内部通道，气浮活塞端面壁内设有径向分布的第二内部通道，第二内部通道连通小空腔与第一内部通道，气浮活塞另一端端部圆周壁上的第一环形泄压凹槽槽底设有连通第一内部通道的第三内部通道；

所述活塞杆轴向设置互不连通的排气通道和进气通道，排气通道贯穿整个活塞杆，进气通道终止于活塞杆内部，且活塞杆上设置有径向的、连通进气通道与气浮活塞内部大空腔的侧向孔；

所述活塞杆的端部堵住小空腔，排气通道与小空腔连通；所述活塞杆由空气轴承出来的压缩空气所形成的气膜承载，所述活塞由外部提供的进入所述活塞和气缸筒内壁之间间隙的气膜承载。

进一步的，空气轴承与前端盖之间设置套筒、向心关节轴承，所述套筒上设置气流道口为多孔质的空气轴承输送压缩空气。

进一步的，所述向心关节轴承通过挡圈和孔用卡簧安装固定在前端盖上。

进一步的，套筒的端面上和前端盖的台阶上分别设有第一环形凹槽和第二环形凹槽，用于固定所述向心关节轴承的挡圈与前端盖之间设有环状凸条的环形密封圈，环形密封圈内外环的环状凸条分别镶嵌在的在第一环形凹槽和第二环形凹槽内。

进一步的，所述活塞杆上设有能够调节排气通道的气体流量大小的调节螺钉。

进一步的，所述活塞圆周壁上周向设置有径向的带均压槽的节流孔为轴向对称分布的N排，其中N>＝2；周向均匀分布M个，其中M>＝3。

进一步的，所述活塞上，第一内部通道、第二内部通道、第三内部通道的数量为L个，其中L>＝2，L个第一内部通道、第二内部通道、第三内部通道在轴向均匀分布。

进一步的，第三内部通道为第一环形泄压凹槽底部开设的沿径向盲孔，第二内部通道为第二环形泄压凹槽底部沿径向开设的通孔；第一内部通道为第二环形泄压凹槽所在端面沿轴向开设的盲孔，所述第二环形泄压凹槽在第二环形泄压凹槽所在端面的开口由堵头堵住。

本发明所述的通用双作用气浮无摩擦气缸，外部压缩空气通过进气通道经由侧向孔进入到活塞内大空腔后再从所述活塞周向带均压槽的节流孔流入活塞和气缸筒内壁之间的间隙，而后气流通过所述活塞周向两端的附近的环形泄压凹槽经由所述活塞的内部通道汇集到小空腔后从所述活塞杆内的排气通道排向大气。所述活塞杆由空气轴承出来的压缩空气所形成的气膜承载，所述活塞由外部提供的进入活塞和气缸筒内壁之间间隙的气膜承载。

所述空气轴承是通过套筒安装在向心关节轴承上，由于向心关节轴承的引入，可以允许装配过程中存在一定的偏心，通过套筒上的气流道口给多孔质的空气轴承通压缩空气，以使活塞杆与空气轴承之间实现无摩擦。

本发明的有益效果主要表现在：利用外部压缩空气对气浮活塞和空气轴承独立供气建立气膜实现无摩擦，气浮活塞周向两端开有环形泄压槽，环形泄压槽通过活塞和活塞杆内部的排气通道与外界大气连通，并由调节螺钉调节排气口大小；即使在两腔压力与活塞-内缸壁的间隙压力相近时，或在两腔压力较小时，都能保证气缸正常的无摩擦工作状态不受缸内两腔压力的影响。

附图说明

图1为本发明所述通用的双作用气浮无摩擦气缸的示意图；

图2是图1中活塞-活塞杆绕轴线旋转90°的局部剖面图；

图3是图1中前端盖部分的全剖图；

图4是薄环形密封圈的主视图和全剖左视图；

图5是图1中活塞杆的全剖图；

图6是图1中活塞的半剖图；

图7是A-A截面图。

图中：

1-调节螺钉，2-气流道口，3-前端盖，4-空气轴承，5-向心关节轴承，6-有杆腔进气口,7-气缸筒，8-排气通道，9-活塞杆，10-第一环形泄压凹槽，11-节流孔，12-气浮活塞，13-第二环形泄压凹槽，14-后端盖，15-无杆腔进气口，16-第一O型密封圈，17-第一密封圈，18-侧向孔，19-螺纹，20-第二密封圈，21-进气通道，22-第二O型密封圈，23-环形密封圈，24-挡圈，25-孔用卡簧，26-套筒，27-大空腔，28-空气轴承静密封圈，29-小空腔，30-第一内部通道，31-第三内部通道，32-第二内部通道，33-堵头，34-第二环形凹槽，35-第一环形凹槽，。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明采用静压气浮原理设计无摩擦气缸的气浮活塞，通过外部压缩空气对气浮活塞供气，压缩空气经过活塞周向均布的节流孔向活塞的外圆柱面与气缸缸筒内壁面之间的间隙喷射高压气流形成气膜承载活塞。同样地，活塞杆由外部供气的多孔质空气轴承射出的气流所形成的气膜支撑。这样，由活塞和活塞杆通过螺纹连接所形成的运动部分就可以与缸筒、端盖等形成的静止部分实现非接触。多孔质空气轴承部分通过向心关节轴承安装在前端盖上，可以一定程度上降低活塞轴线与活塞杆轴线同轴度的要求。向心关节轴承的密封是通过特制的薄环形密封圈配合前端盖内和套筒上的凹槽实现的，有杆腔内的压缩空气会使薄环形密封圈贴的更紧。

下面结合附图和实例进一步说明本发明，本发明的目的和效果将更加明显。

图1和图2示出了该气浮无摩擦气缸的全剖示意图和活塞-活塞杆绕轴线旋转90°后的局部剖面图，所述通用双作用气浮无摩擦气缸，包括活塞杆9、气浮活塞12、气缸筒7，气缸筒7的两端有分别设置前端盖3、后端盖14，所述活塞杆9穿过前端盖3延伸至气缸筒7内、与气浮活塞12固定连接，活塞杆9通过空气轴承4支撑在前端盖3上，气浮活塞12位于气缸筒7内、且与气缸筒7之间留有间隙；其特征在于，所述活塞杆9穿入气浮活塞12。

所述气浮活塞12内部具有直径不等的大空腔27、小空腔29，所述气浮活塞12两端部的外圆周壁上设置有第一环形泄压凹槽10和第二环形泄压凹槽13，气浮活塞12的圆周壁上周向设置有径向的带均压槽的节流孔11，气浮活塞12圆周壁内设置有轴向延伸的第一内部通道30，气浮活塞12端面壁内设有径向分布的第二内部通道32，第二内部通道32连通小空腔29与第一内部通道30，气浮活塞12另一端端部圆周壁上的第一环形泄压凹槽10槽底设有连通第一内部通道30的第三内部通道31。

所述活塞杆9轴向设置互不连通的排气通道8和进气通道21，排气通道8贯穿整个活塞杆9，进气通道21终止于活塞杆9内部，且活塞杆9上设置有径向的、连通进气通道21与气浮活塞12内部大空腔27的侧向孔18。所述活塞杆9的端部堵住小空腔29，排气通道8与小空腔29连通；所述活塞杆9由空气轴承4出来的压缩空气所形成的气膜承载，所述活塞12由外部提供的进入所述活塞12和气缸筒7内壁之间间隙的气膜承载。

活塞杆9和气浮活塞12通过螺纹19连接，活塞杆9与气浮活塞12两个端面出分别设置第一密封圈17和第二密封圈20密封，外部压缩空气通过进气通道21经由侧向孔18进入到活塞12内的大空腔27后再从气浮活塞12周向带均压槽的节流孔11流入气浮活塞12和气缸缸筒7内壁之间的间隙，而后气流通过气浮活塞12两端的附近的第一环形泄压凹槽10和第二环形泄压凹槽13经由气浮活塞12内部相贯的第三内部通道31、第一内部通道30和第二内部通道32汇集到小空腔29后，从活塞杆9内的排气通道8排向大气。活塞-活塞杆组件与气缸之间有两个不接触仅靠气膜支撑的区域，这两个区域都是利用静压气浮原理实现的。

如图2所示，所述活塞12上，第一内部通道30、第二内部通道32、第三内部通道31的数量为L个，其中L>＝2，L个第一内部通道30、第二内部通道32、第三内部通道31在轴向均匀分布。第三内部通道31为第一环形泄压凹槽10底部开设的沿径向盲孔，第二内部通道32为第二环形泄压凹槽13底部沿径向开设的通孔；第一内部通道30为第二环形泄压凹槽13所在端面沿轴向开设的盲孔，所述第二环形泄压凹槽13在第二环形泄压凹槽13所在端面的开口由堵头33堵住。

如图3所示，空气轴承4通过套筒26安装在向心关节轴承5上，通过向心关节轴承的作用是改善活塞-活塞杆偏心所产生的问题。

套筒26的端面上和前端盖3的台阶上分别设有第一环形凹槽35和第二环形凹槽34，用于固定所述向心关节轴承5的挡圈24与前端盖3之间设有环状凸条的环形密封圈23，环形密封圈23内外环的环状凸条分别镶嵌在的在第一环形凹槽35和第二环形凹槽34内。图4示出了薄环形密封圈的主视图和全剖左视图，该密封圈内环和外环分别与套筒26和前端盖3内侧的第一环形凹槽35和第二环形凹槽34相配，在有杆腔内压力的作用下薄片会贴在套筒26和挡圈24上实现密封。

图5示出了活塞杆的全剖图，活塞杆9通过螺栓连接的方式与活塞12相连，压缩空气从进气通道21末端两侧的侧向孔18流向活塞12内大空腔27，出气通道8是通孔，可通过调节螺钉1调节出气口大小。

图1～7所示的一个实例中，活塞12沿轴线方向有4组带均压槽的节流孔，每组6个。

本发明所涉及的气浮活塞12可具有多种结构，满足沿轴线方向节流孔的组数大于等于2且每组个数大于等于3即可；所涉及的活塞杆9可以是单出杆也可以是双出杆，双出杆即一端进气另一端出气。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种通用的双作用气浮无摩擦气缸，包括活塞杆（9）、气浮活塞（12）、气缸筒（7），气缸筒（7）的两端分别设置前端盖（3）、后端盖（14），所述活塞杆（9）穿过前端盖（3）延伸至气缸筒（7）内、与气浮活塞（12）固定连接，活塞杆（9）通过空气轴承（4）支撑在前端盖（3）上，气浮活塞（12）位于气缸筒（7）内、且与气缸筒（7）之间留有间隙；其特征在于，所述活塞杆（9）穿入气浮活塞（12），

所述气浮活塞（12）内部具有直径不等的大空腔（27）、小空腔（29），所述气浮活塞（12）两端部的外圆周壁上设置有第一环形泄压凹槽（10）和第二环形泄压凹槽（13），气浮活塞（12）的圆周壁上周向设置有径向的带均压槽的节流孔（11），气浮活塞（12）圆周壁内设置有轴向延伸的第一内部通道（30），气浮活塞（12）端面壁内设有径向分布的第二内部通道（32），第二内部通道（32）连通小空腔（29）与第一内部通道（30），气浮活塞（12）另一端端部圆周壁上的第一环形泄压凹槽（10）槽底设有连通第一内部通道（30）的第三内部通道（31）；

所述活塞杆（9）轴向设置互不连通的排气通道（8）和进气通道（21），排气通道（8）贯穿整个活塞杆（9），进气通道（21）终止于活塞杆（9）内部，且活塞杆（9）上设置有径向的、连通进气通道（21）与气浮活塞（12）内部大空腔（27）的侧向孔（18）；

所述活塞杆（9）的端部堵住小空腔（29），排气通道（8）与小空腔（29）连通；所述活塞杆（9）由空气轴承（4）出来的压缩空气所形成的气膜承载，所述活塞（12）由外部提供的进入所述活塞（12）和气缸筒（7）内壁之间间隙的气膜承载；

空气轴承（4）与前端盖（3）之间设置套筒（26）、向心关节轴承（5），所述套筒（26）上设置气流道口（2）为多孔质的空气轴承（4）输送压缩空气；

所述活塞杆（9）上设有能够调节排气通道（8）的气体流量大小的调节螺钉（1）。

2.如权利要求1所述的无摩擦气缸，其特征在于，所述向心关节轴承（5）通过挡圈（24）和孔用卡簧（25）安装固定在前端盖（3）上。

3.如权利要求2所述的无摩擦气缸，其特征在于，套筒（26）的端面和前端盖（3）的台阶上分别设有第一环形凹槽（35）和第二环形凹槽（34），用于固定所述向心关节轴承（5）的挡圈（24）与前端盖（3）之间设有环状凸条的环形密封圈（23），环形密封圈（23）内外环的环状凸条分别镶嵌在第一环形凹槽（35）和第二环形凹槽（34）内。

4.如权利要求1所述的无摩擦气缸，其特征在于，所述活塞（12）圆周壁上周向设置有径向的带均压槽的节流孔（11）为轴向对称分布的N排，其中N>=2；周向均匀分布M个，其中M>=3。

5.如权利要求4所述的无摩擦气缸，其特征在于，所述活塞（12）上，第一内部通道（30）、第二内部通道（32）、第三内部通道（31）的数量为L个，其中L>=2，L个第一内部通道（30）、第二内部通道（32）、第三内部通道（31）在轴向均匀分布。

6.如权利要求5所述的无摩擦气缸，其特征在于，第三内部通道（31）为第一环形泄压凹槽（10）底部开设的沿径向盲孔，第二内部通道（32）为第二环形泄压凹槽（13）底部沿径向开设的通孔；第一内部通道（30）为第二环形泄压凹槽（13）所在端面沿轴向开设的盲孔，所述第二环形泄压凹槽（13）所在端面的开口由堵头（33）堵住。