CN109578372A - 一种压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸 - Google Patents

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夏鹏
张彦虎
刘阳
邹能祥
谢方伟
王匀
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Abstract

本发明提供了一种压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，包括第一压电堆和第二压电堆，所述第一压电堆安装在气缸体上靠近气缸前端密封圈的位置；所述第二压电堆安装在活塞上且位于活塞密封圈附近；通过对所述第一压电堆和第二压电堆施加电驱动信号，使得气缸处于高频振动状态。所述活塞包括第一活塞和第二活塞，所述第一活塞一侧安装在活塞杆上，另一侧安装第二活塞；所述第一活塞和第二活塞之间周向均布若干所述第二压电堆。本发明克服已有低摩擦气缸中存在加工精度高、加工难度大、结构复杂、油液污染、寿命短等不足，利用振动减摩效应，同时降低前端密封圈和活塞密封圈处的摩擦力，增强了减摩效果，使得气缸低速运动性能进一步提高。

Description

一种压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸
技术领域
本发明涉及气缸技术领域，特别涉及一种压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸。
背景技术
气动系统具有无污染、成本低、系统安全可靠等优点，在电子技术和计算机技术迅猛发展的推动下，气动技术得到越来越广泛的研究和应用。目前，随着气动技术的深入发展，要求气缸在“无泄漏”或“少泄漏”的前提下，尽量降低其摩擦力，使气缸反映灵敏，运动平稳，在低速运动时改善爬行现象，这是当前气动技术研究人员探究的方向之一。
为了提高气缸在低速时运动的平稳性及快速响应能力，首先考虑的就是如何减少气缸摩擦力。对一般气缸而言，其摩擦力主要存在于气缸活塞密封圈与缸筒内壁以及活塞杆与前端密封圈之间，对此，业界常用的减小气缸摩擦力的方法主要有以下几种：
1.改变密封方式，例如对密封圈进行涂层或者改变密封圈形状等；
2.改善润滑条件，如采用纳米颗粒润滑液或者采用间隙密封来代替传统的弹性体密封等；
3.改变摩擦状态，采用气—液阻尼缸或者对气缸进行颤振补偿等。但上述减摩方法存在着加工精度高、加工难度大、结构复杂、引入油液污染、可靠性低、噪声大、寿命短等缺点。
近年来，比较有代表性的气缸减摩方法有以下两种：中国专利提出了一种气浮式无摩擦气缸，该专利依靠气浮原理实现了活塞及活塞杆在缸筒中几乎无摩擦的往复运动。然而这种气缸为了确保良好的气浮效果，在加工过程中，活塞与缸筒内壁之间的间距只有几十微米，活塞结构复杂，这对该气缸各部件的加工精度提出了很高要求。另一种方法是利用振动减摩的原理来减小气缸摩擦力，如中国专利提出在气缸前端薄壁部分上下两侧放置压电叠堆，利用逆压电效应使得前端薄壁部分发生高频径向振动来减小摩擦力。但该专利只在活塞杆密封处实现振动减摩，忽略了活塞密封圈处的减摩。
发明内容
针对上述技术中存在的不足，为了提高气缸低速运动性能，同时进一步增强减摩效果，本发明提供了一种压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其通过以下技术手段实现上述技术目的的：
一种压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，包括第一压电堆和第二压电堆，所述第一压电堆安装在气缸体上，且所述第一压电堆靠近气缸的前端密封圈位置；所述第二压电堆安装在活塞上，且所述第二压电堆位于活塞密封圈附近；通过对所述第一压电堆和第二压电堆施加电驱动信号，使得气缸处于高频振动状态。
进一步，所述活塞包括第一活塞和第二活塞，所述第一活塞一侧安装在活塞杆上，所述第一活塞另一侧安装第二活塞；所述第一活塞和第二活塞之间周向均布若干所述第二压电堆。
进一步，所述气缸体上设有压电槽，所述压电槽呈环状，所述第一压电堆位于所述压电槽内。
进一步，与第一压电堆接触的压电槽端面上轴向设有细缝，且所述细缝靠近气缸前端密封圈；所述细缝沿所述压电槽周向均布。
进一步，所述细缝的数量与第一压电堆数量相同，且每个所述第一压电堆分布于相邻细缝之间。
进一步，所述前端密封圈圈位于气缸体上的密封槽内，所述密封槽为V形槽或半圆槽或梯形槽，使得气缸体的前端更易于振动。
进一步，所述第一压电堆和第二压电堆的驱动频率均为超声波频段。
进一步，所述第一压电堆和第二压电堆的振动方向为轴向振动。
进一步，还包括预压装置，一个所述预压装置安装在气缸体外壁上，通过预压装置使所述第一压电堆压紧在压电槽内；另一个所述预压装置安装在第二活塞上，用于通过第二活塞压紧所述第二压电堆。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，通过压电堆使得密封圈处于超声振动状态，利用超声减摩原理减小了气缸的摩擦力，有效改善了气缸低速运动性能。
2.本发明所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，在气缸前端密封圈和活塞密封圈附近设有压电堆，对这两处压电堆同时通电进行高频振动，能实现更好的减摩效果。
3.本发明所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，气缸体前端开有V形槽，而且压电槽左端面轴向有一定长度的细缝，V形槽和细缝能优化密封圈的振动效果，减摩效应可得到进一步提升。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构图。
图2为本发明所述的气缸体的三维图。
图3为活塞-活塞杆组件三维图。
图4为本发明实施例二的结构图。
图中：
1-气缸体；2-第一螺栓；3-第一压电堆；4-前端密封圈；5-活塞杆；6-密封槽；7-活塞密封圈；8-第一活塞；9-第二压电堆；10-第二活塞；11-后端盖；12-细缝；13-压电槽；14-第二螺栓；15-环形槽；16-前端盖；17-缸筒。
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。
实施一，如图1和图3所示，本发明所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，包括气缸体1、活塞杆5、第一活塞8、第二活塞10、第一压电堆3、第二压电堆9、后端盖11、第一螺栓2和第二螺栓14，所述活塞杆5与气缸体1之间设有前端密封圈4，所述第一活塞8和第二活塞10与气缸体1内壁均设有活塞密封圈7。所述气缸体1前端设有环形压电槽13，所述第一压电堆3安装在压电槽13内，且所述第一压电堆3靠近气缸的前端密封圈4位置；所述第一活塞8一侧安装在活塞杆5上，所述第一活塞8另一侧安装第二活塞10；所述第一活塞8和第二活塞10之间周向均布若干所述第二压电堆9。所述第二压电堆9位于第一活塞8与第二活塞10之间，且所述第二压电堆9位于两个活塞密封圈7之间；所述活塞杆5与第一活塞8为一体式结构或者二者之间也可采用螺纹连接。如图3所示，在所述第一活塞8与第二活塞10上均有环形槽15用于放置第二压电堆9，以约束第二压电堆9的径向自由度；通过对所述第一压电堆3、第二压电堆9施加电驱动信号，使得气缸处于高频振动状态。
如图2所示，所述气缸体1上设有压电槽13，所述压电槽13内固定安装第一压电堆3。与第一压电堆3接触的压电槽13端面上轴向设有细缝12，且所述细缝12靠近气缸的前端密封圈4位置；所述细缝12沿所述压电槽(13)周向均布。所述细缝12的数量与第一压电堆3数量相同，且每个所述第一压电堆3分布于相邻细缝12的之间。细缝12的目的是为了使气缸前端密封圈4更容易振动，进一步提高减摩效果。
所述前端密封圈4位于所述气缸体1的密封槽6内，所述密封槽6为V形槽或半圆槽或梯形槽。以V形密封槽6为例，V形槽6与传统密封槽相比，使得气缸体1的前端更易于振动，优化了振动效果；另外，为了保证前端密封圈4和活塞密封圈7能够充分振动，所述第一压电堆3、第二压电堆9的数量为不少于两个且沿着气缸体1周向均匀分布，在本实施例中，第一压电堆3、第二压电堆9的数量为四个。所述第二压电堆9与驱动装置的连接方式为：信号线一端位于第二压电堆9上，另一端可经由活塞内部后与驱动装置连接。
当对所述第一压电堆3施加电驱动信号，所述前端密封圈4在第一压电堆3的轴向振动下处于高频振动状态；对所述第二压电堆9施加电驱动信号，活塞密封圈7在第二压电堆9的轴向振动下处于高频振动状态；所述第一压电堆3、第二压电堆9的驱动频率为相关一体装置的谐振频率，即第一压电堆3的驱动频率为去掉活塞-活塞杆5组件后气缸的谐振频率，第二压电堆9的驱动频率为活塞-活塞杆5组件的谐振频率；所述第一压电堆3和第二压电堆9之间互不干扰，相互独立。
所述气缸整体工作原理：对所述第一、第二压电堆施加电驱动信号，所述电信号的波形可以为正弦波交流电信号、方波形交流电信号或者三角波形交流电信号等。由于压电堆的逆压电效应，在施加电驱动信号后，前端密封圈4与活塞杆5、活塞密封圈7与气缸内壁在第一、第二压电堆的振动下处于高频振动状态，利用振动减摩效应，减小各摩擦副间动、静摩擦系数的差值，从而提高了气缸的低速运动性能。
为了让第一压电堆3和第二压电堆9更好使得气缸处于高频振动状态，还设有预压装置。一个所述预压装置安装在气缸体1外壁上，通过预压装置使所述第一压电堆3压紧在压电槽13内；另一个所述预压装置安装在第二活塞10上，用于通过第二活塞10压紧所述第二压电堆9。通过第二螺栓14将第一活塞8与第二活塞10预紧从而使得第二压电堆9预紧。通过第一螺栓2安装在气缸体1上，用于顶紧第一压电堆3。
实施二如图4所示，与实施例一的不同点在于，当气缸体1较大，难以加工成一体式时，往往会采用分体结构，即气缸体1由前端盖16和缸筒17组成，在所述前端盖16上设有环形压电槽13，所述前端盖16与缸筒17之间采用焊接或者固定连接，其它与上述实施方式相同。图2为前端盖16和缸筒17为一体的结构，也就是气缸体1的结构。
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 (9)

1.一种压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，包括第一压电堆(3)和第二压电堆(9)，所述第一压电堆(3)安装在气缸体(1)上，且所述第一压电堆(3)靠近气缸的前端密封圈(4)位置；所述第二压电堆(9)安装在活塞上，且所述第二压电堆(9)位于活塞密封圈(7)附近；通过对所述第一压电堆(3)和第二压电堆(9)施加电驱动信号，使得气缸处于高频振动状态。
2.根据权利要求1所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，所述活塞包括第一活塞(8)和第二活塞(10)，所述第一活塞(8)一侧安装在活塞杆(5)上，所述第一活塞(8)另一侧安装第二活塞(10)；所述第一活塞(8)和第二活塞(10)之间周向均布若干所述第二压电堆(9)。
3.根据权利要求1所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，所述气缸体(1)上设有压电槽(13)，所述压电槽(13)呈环状，所述第一压电堆(3)位于所述压电槽(13)内。
4.根据权利要求3所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，与第一压电堆(3)接触的压电槽(13)端面上轴向设有细缝(12)，且所述细缝(12)靠近气缸前端密封圈(4)；所述细缝(12)沿所述压电槽(13)周向均布。
5.根据权利要求4所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，所述细缝(12)的数量与第一压电堆(3)数量相同，且每个所述第一压电堆(3)分布于相邻细缝(12)之间。
6.根据权利要求1所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，所述前端密封圈圈(4)位于气缸体(1)上的密封槽(6)内，所述密封槽(6)为V形槽或半圆槽或梯形槽，使得气缸体(1)的前端更易于振动。
7.根据权利要求1所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，所述第一压电堆(3)和第二压电堆(9)的驱动频率均为超声波频段。
8.根据权利要求1所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，所述第一压电堆(3)和第二压电堆(9)的振动方向为轴向振动。
9.根据权利要求1-8任一项所述的压电堆致密封圈高频振动的低摩擦气缸，其特征在于，还包括预压装置，一个所述预压装置安装在气缸体(1)外壁上，通过预压装置使所述第一压电堆(3)压紧在压电槽(13)内；另一个所述预压装置安装在第二活塞(10)上，用于通过第二活塞(10)压紧所述第二压电堆(9)。
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