CN110553847A - 一种浮力式推力适配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮力式推力适配器，包括推力板以及具有内腔的连接件，推力板位于内腔中，在内腔和推力板之间填充有压力流体。推力板被压力流体包裹，其处于悬浮状态，便于火箭受热而中心上移后，推力板能够进行自适应调整，避免在火箭的头部与支撑装置之间的连接部位因错位而产生应力集中。并且推力板通过流体进行支撑，没有机械式的面面接触，极大地降低了摩擦力，消除了摩擦力带来的不良影响，提高了发动机各项参数的测试精度。本发明采用双重阻尼，使本发明构成一个自动调节的闭环系统，使其支撑能适应负载的变化。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种浮力式推力适配器。
背景技术
火箭发动机地面点火试验具有测试火箭发动机瞬态推力、燃烧室压力及其他重要参数的功能，地面点火试验作为火箭发动机性能鉴定和设计改进的主要方式之一，其对火箭发动机产品的检验和新型号的研制具有重要意义。
现有的发动机推力试验台的支撑装置均采用固定的机械装置，其结构如图1所示，其主要包括固定板1a、推力架2a以及连接固定板1a和推力架2a的多个柔性件3a，被柔性件3环绕的且用于采集推力信息的压力传感器4a。火箭头部固定在推力架2a上，发动机的火焰端点火后，其头部通过推力架2a对压力传感器生产压力。这种机械装置摩擦力大，特别是横向摩擦力，其降低了发动机各项参数的测试精度。同时，当发动机点火后，发动机的壳体会因受热而产生膨胀，其中心会随之上移。但是由于采用的是机械连接，这导致火箭的头部与支撑装置之间的机械连接部位会因发动机的膨胀而积蓄极大的应力，不利于发动机推力的测定。并且支撑装置受到来自发动机的推力后，柔性件后受压变形，会对发动机产生一个回推力，并且柔性件容易因发动机推力过大而产生裂纹，甚至有爆裂风险，这不仅会产生安全隐患，且进一步地降低了发动机各项参数测试的精度。同时，在实际使用中，这种机械结构的支撑装置只适用于小型火箭的发动机推力测试，常规为500吨的火箭。当对1500吨的火箭进行测试时，则需要采用三组柔性件，这不仅会增大支撑装置体积，还增加了测试成本，加大了测试误差。基于上述各项技术问题，因此有必要开发一种摩擦力小、不会因受热膨胀导致的中心上移而产生应力且不会爆裂、测试精度高的这种满足测试要求的支撑装置。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种浮力式推力适配器，解决了现有的用于发动机推力实验的支撑装置为纯机械式，其摩擦力大，不能随着火箭受热膨胀中心上移而适应性调整等上述诸多技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种浮力式推力适配器，包括推力板以及具有内腔的连接件，所述内腔包括彼此相对的第一端腔壁、第二端腔壁以及将其连接起来且自身结构为环形的腔侧壁，在所述第一端腔壁上设置有与外界连通的导通孔，所述推力板位于内腔中，推力板包括彼此相背的第一板面、第二板面以及将其连接起来且自身结构为环形的板侧壁，第一板面和第二板面分别与第一端腔壁和第二端腔壁相对，且第一板面和第二板面之间的间距小于第一端腔壁和第二端腔壁之间的间距，第一板面和第一端腔壁之间通过密封圈A进行密封，板侧壁与腔侧壁之间形成环空，在内腔和推力板之间填充有压力流体。
进一步地，所述连接件包括沿导通孔轴向依次紧固连接的底板、缸筒和限位板，所述缸筒的轴线平行于导通孔的轴线，并垂直于底板和限位板，所述腔侧壁为缸筒的内壁，所述第一端腔壁、第二端腔壁分别为限位板朝向缸筒的板面以及底板朝向缸筒的板面，所述导通孔设置在限位板上。
进一步地，在所述底板和第二端腔壁之间固定有阻尼板，所述阻尼板平行于底板，所述第二端腔壁位于阻尼板上远离底板的板面上；
在底板上和阻尼板相对的面上设置有油槽，在阻尼板上设置有多个阻尼孔，所述阻尼孔将油槽和内腔连通；
在底板上设置有与油槽连通的进油道；
在所述缸筒的侧壁上设置有与内腔连通的卸油道。
进一步地，在所述第二板面上设置有轴线与导通孔轴线同轴的第一环形槽，在第一环形槽中安装有节流密封圈，所述节流密封圈上远离第一环形槽槽底的一端与第二端腔壁接触。
进一步地，所述油槽在底板的板面上的投影为扇形，且其圆心位于导通孔的轴线上，所述油槽有N个，并沿导通孔的轴线中心对称；
所述阻尼孔等分为N组，各组阻尼孔组分别各与一个油槽连通。
进一步地，所述底板、阻尼板、缸筒和限位板通过螺栓沿通孔轴向紧固，所述螺栓的杆部末端依次穿过底板、阻尼板、缸筒和限位板后与螺母螺纹连接。
进一步地，在所述推力板远离第二端腔壁的一侧设置有浮动板，所述浮动板上与导通孔相对的部位外凸，并穿过导通孔后与推力板连接。
进一步地，所述浮动板通过螺钉与推力板连接。
进一步地，所述推力板为圆板，所述内腔的形状与推力板的形状一致。
进一步地，所述密封圈A为矩形密封圈。
由于采用了本技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明一种浮力式推力适配器，整个测试过程中，将推力板被压力流体包裹，以使其处于悬浮状态，便于壳体会因受热而产生膨胀、其中心上移后，推力板能够进行自适应调整，位置也自动随之上移，避免在火箭的头部与支撑装置之间的连接部位因错位而产生应力集中，保护了其之间连接部位的质量。并且推力板处于悬浮状态，通过流体进行支撑，相对于现有的机械结构的支撑装置来说，没有机械式的面面接触，极大地降低了摩擦力，特别是横向摩擦力，消除了摩擦力带来的不良影响，提高了发动机各项参数的测试精度。同时，本发明所设计的推力适配器中，无需采用柔性件，完全杜绝了支撑装置受压变形、甚至爆裂的情况，进一步地提升了发动机各项参数测试的精度；
2.本发明一种浮力式推力适配器，本发明中，当压流流体采用液体时，例如油液，其所能承受的火箭的吨位可达1500吨，其在减小了轴向尺寸的基础上，承压力可达常规支撑装置的三倍，降低了整体设备的体积、降低了制造成本并提高了使用性能，无需采用三组或者多组来增加自身的承载力；
3.本发明一种浮力式推力适配器，在推力测试时，发动机从启动到推力达到最大值，时间只有几十毫秒。发动机点火后，火焰端产生推力，推力板受到来自发动机的推力，继而使第一板面远离第一端腔壁、第二板面靠近第二端腔壁；由于第一板面和第一端腔壁之间受密封圈A的密封限制，因此第一板面和第一端腔壁之间的空间小于第二板面和第二端腔壁之间的空间。所以当第一板面远离第一端腔壁时，推力板和内腔之间所围成的空间体积减小；P1会随着推力板和内腔之间所围成的空间体积减小而增大。而火箭的推力在发动机启动后，由小到大逐渐趋于一种较为平稳的状态，因此P1能随着推力的增大而同步增大，使适配器的支撑能适应负载的变化；
4.本发明一种浮力式推力适配器，火箭由于是通过点火实现动力推动，而火箭还具有摆尾特性，因此其运动具有脉动特性，即推力不是恒定值，而是成脉动变化。因此为了使适配器配合火箭的脉动特性，设置卸油道；当推力变大时，第二板面向第二端腔壁移动，推力板和内腔之间所围成的空间体积减小，多余的油液通过卸油道排出；当推力变小时，第二板面远离第二端腔壁，推力板和内腔之间所围成的空间体积增大，缺少的压力油液通过进油道补足；以此实现推力适配器的自平衡状态，消除火箭的推力的脉动，保证发动机推力测试的精度；
5.本发明一种浮力式推力适配器，由于发动机从启动到推力达到最大值，时间只有几十毫秒甚至几毫秒，因此压力流体瞬时受力非常大，因此为了防止位于第二端腔壁和第二板面之间的油液被初期瞬时增大的推力全部通过进油道挤出、油膜面消失、推力板与第二端腔壁接触，优选地设置具有小孔径的阻尼孔的阻尼板，以减缓从第二端腔壁和第二板面之间的油液在这几十毫秒之中进入进油道的速度，保证在推力板承受的压力瞬时增大这个过程中，第二端腔壁和第二板面之间始终存在油液，保证油膜面始终存在，从而使推力板始终处于“悬浮”状态，保证整个装置的低摩擦特性，继而保证发动机的推力测试的数据采集精度；
6.本发明一种浮力式推力适配器，当推力板受到来自发动机的推力时，推力板向第二端腔壁移动，油腔体积减小，多余的油液需要通过挤压动作来通过节流密封圈与第二端腔壁接触部位后，进入环空中，从卸油道排出。推力越大，推力板向第二端腔壁移动，节流密封圈形变越大，节流边的密封力越大，油腔卸油量减小，油腔内压强p1增大。因此本发明的承载力取决于油腔内的压强和节流边这个部位的压强所产生的力。为了使油腔内压强随外负载的增减而增减，在油腔进口前设计若干小径的阻尼孔，即形成阻尼器，使适配器具有双重阻尼，即节流边和用于进油的阻尼孔处的阻尼器。前者主要控制支撑的泄漏量，后者则与前者协同调节油腔压强p1。这是因为通过阻尼孔的流量与通过节流边的泄漏量是相等的，当负载增加时，h0减小，即油膜厚度减小，使通过节流边的油液的泄漏量减小，从而降低阻尼器上的压降，使油腔内压强p1增大，与负载重新达到平衡。采用双重阻尼，使本发明构成一个自动调节的闭环系统，使其支撑能适应负载的变化，负载变大p1增大负载减小，p1减小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：
图1是现有技术的结构示意图；
图2本发明的主视图；
图3是螺栓的位置示意图；
图4是沿图3中A-A-A的剖视结构示意图；
图5是图4中A处的放大图；
图6是图4中B-B的剖视图；
图7是图4中C-C的剖视图；
图8是连接件的剖视结构示意图；
图9是推力板的结构示意图；
图10是实施例4中的连接件结构示意图；
图11是实施例4中的横向截面结构示意图；
图12是实施例4中的纵向截面的结构示意图；
图13适配器的四分之一结构的简化模型；
图14密封圈压缩量为0.5mm时的变化情况(加载6700N推力)；
图15密封圈压缩量为0.2mm时的变化情况(加载3000N推力)。
附图中标号说明：
1a-固定板，2a-推力架，3a-柔性件，4a-压力传感器；
1-推力板，2-内腔，3-导通孔，4-第一端腔壁，5-第二端腔壁，6-腔侧壁，7-第一板面，8-第二板面，9-板侧壁，10-密封圈A，11-环空，12-底板，13-缸筒，14-限位板，15-阻尼板，16-油槽，17-阻尼孔，18-进油道，19-卸油道，20-螺母，21-节流密封圈，22-浮动板，23-螺钉，24-螺栓，25-孔A，26-孔B，27-上块，28-下块，29-密封条，30-槽体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中的“连接”若无特别强调，为常规连接方式，例如一体成形、焊接、铆接等，具体的连接方式根据本技术领域的常规技术知识进行适应性优选地即可。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图15对本发明作详细说明。图2和图4中上侧为了同时将螺栓24和卸油道展示出来，因此将两个位置重叠剖视，实际上螺栓24和卸油道是出于周向错开分布，其并未相交。
实施例1
如图2-图9所示，本发明一种浮力式推力适配器，包括推力板1以及具有内腔2的连接件，所述内腔2包括彼此相对的第一端腔壁4、第二端腔壁5以及将其连接起来且自身结构为环形的腔侧壁6，腔侧壁6可以采用多边形环或者圆环或者椭圆环或者椭圆锥环等，多边形环具体地例如矩形环，本发明此处优选地采用圆环结构；在所述第一端腔壁上设置有与外界连通的导通孔3，所述推力板1位于内腔2中，推力板1包括彼此相背的第一板面7、第二板面8以及将其连接起来且自身结构为环形的板侧壁9，板侧壁9的形状优选地与腔侧壁6的形状一致，但尺寸上小于内腔2；具体地，当腔侧壁6为圆环形式，板侧壁9为对应的圆环形；第一板面7和第二板面8分别与第一端腔壁4和第二端腔壁5相对，且第一板面7和第二板面8之间的间距小于第一端腔壁4和第二端腔壁5之间的间距，第一板面7和第一端腔壁4之间通过密封圈A10进行密封；优选地在第一端腔壁4上设置有环形的安装槽，密封圈A10安装在安装槽中，密封圈A10上远离安装槽槽底的一端与第一板面7接触。同理，安装槽也可以设置在第一板面7上，此时密封圈10远离安装槽槽底的一端与第一端腔壁4接触。板侧壁9与腔侧壁6之间形成环空11，在内腔2和推力板1之间填充有压力流体。压力流体为具有一定压强的气体或液体，本发明中，压力流体优选地采用具有压力的油液，后续实施例中，均将压力流体定位油液进行实施说明，对应的第二板面8和第二端腔壁5为油膜面。
优选地，所述推力板1为圆板，所述内腔2的形状与推力板1的形状一致。
优选地，所述密封圈A10为矩形密封圈。
内腔2中填充有压强为P1的压力流体，压力流体的填充可以通过在连接件上设置与内腔2连通的流道进行填充，工作泵通过管道将流体源中的流体送入流道并进入内腔2中，填充完成后将流道封堵住或者通过密封堵或者阀门截断通道；亦或者直接将各个零部件在高压环境下进行装配，以使内腔2中保持充满压力流体状态；亦或者在低温下对内腔2中填充液态气体，这样在常温下，其气化，直接在内腔2中生成压力流体。总之，内腔2中压力流体的填充方式不限。
发动机进行推力测试时，火箭头部通过推力架与推力板1连接，压力传感器优选地安装在推力板1上，以进行推力采集；发动机点火后，火焰端产生推力，推力板受到来自发动机的推力，继而使第一板面7远离第一端腔壁4，此时第一板面7和第一端腔壁4之间存在一定厚度的压力流体，同时第二板面8和第二端腔壁5之间也存在压力流体，继而使推力板1上被密封圈A10密封住的部位被压力流体包裹，继而推力板1在内腔2中处于“悬浮”状态，不与内腔2的腔壁接触。这样在点火后，火箭壳体受热膨胀、中心上移时，推力板1在内腔中随之悬浮上移即可。
整个测试过程中，将推力板1被压力流体包裹，以使其处于悬浮状态，便于壳体会因受热而产生膨胀、其中心上移后，推力板1能够进行自适应调整，位置也自动随之上移，避免在火箭的头部与支撑装置之间的连接部位因错位而产生应力集中，保护了其之间连接部位的质量。并且推力板1处于悬浮状态，通过流体进行支撑，相对于现有的机械结构的支撑装置来说，没有机械式的面面接触，极大地降低了摩擦力，特别是横向摩擦力，消除了摩擦力带来的不良影响，提高了发动机各项参数的测试精度。同时，本发明所设计的推力适配器中，无需采用柔性件，完全杜绝了支撑装置受压变形、甚至爆裂的情况，进一步地提升了发动机各项参数测试的精度。
本发明中，当压流流体采用液体时，例如油液，其所能承受的火箭的吨位可达1500吨，其在减小了轴向尺寸的基础上，承压力可达常规支撑装置的三倍，降低了整体设备的体积、降低了制造成本并提高了使用性能，无需采用三组或者多组来增加自身的承载力。
在推力测试时，发动机从启动到推力达到最大值，时间只有几十毫秒。发动机点火后，火焰端产生推力，推力板受到来自发动机的推力，继而使第一板面7远离第一端腔壁4、第二板面8靠近第二端腔壁5。由于第一板面7和第一端腔壁4之间受密封圈A的密封限制，因此第一板面7和第一端腔壁4之间的空间小于第二板面8和第二端腔壁5之间的空间。所以当第一板面7远离第一端腔壁4时，推力板1和内腔2之间所围成的空间体积减小。P1会随着推力板1和内腔2之间所围成的空间体积减小而增大。而火箭的推力在发动机启动后，由小到大逐渐趋于一种较为平稳的状态，因此P1能随着推力的增大而同步增大，使适配器的支撑能适应负载的变化。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上，对连接件的第一种实施方式做出说明。
如图2-图9所示，本发明中，所述连接件包括沿导通孔3轴向依次紧固连接的底板12、缸筒13和限位板14，所述缸筒13的轴线平行于导通孔3的轴线，并垂直于底板12和限位板14，所述腔侧壁6为缸筒13的内壁，所述第一端腔壁4、第二端腔壁5分别为限位板14朝向缸筒13的板面以及底板12朝向缸筒13的板面，所述导通孔3设置在限位板14上。为了保证缸筒13两端之间的密封性，在缸筒13的两个端面均设置有多个环形的槽体30，槽体的轴线与导通孔3的轴线重合，在槽体中均安装有密封圈，密封圈优选地为矩形密封圈，密封圈处于轴向压缩状态，以实现缸筒13两端的密封，防止内腔2中的压力油液泄露。优选地在缸筒13的端面均设置有两个环形的槽体。
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上，对本发明进一步地优化做出实施说明。
如图2-图9所示，本发明中，在所述底板12和第二端腔壁5之间固定有阻尼板15，所述阻尼板15平行于底板12，所述第二端腔壁5位于阻尼板15上远离底板12的板面上；
在底板12上和阻尼板15相对的面上设置有油槽16，在阻尼板15上设置有多个阻尼孔17，所述阻尼孔17将油槽16和内腔2连通；
在底板12上设置有与油槽16连通的进油道18；
在所述缸筒13的侧壁上设置有与内腔2连通的卸油道19。
进一步地，所述底板12、阻尼板15、缸筒13和限位板14通过螺栓24沿通孔3轴向紧固，所述螺栓24的杆部末端依次穿过底板12、阻尼板15、缸筒13和限位板14后与螺母20螺纹连接。
油液通过工作泵输送到进油道18中，再经由进油道18进入油槽16中，再通过阻尼孔17进入第二端腔壁5和第二板面8之间，以对内腔2进行压力流体的填充。第二端腔壁5和第二板面8之间的间隙为油腔，油腔中填充有压强为P1的压力油液，以形成油膜面。进油道18中流过的压力流体与卸油道19中排出的压力流体的流量一致。卸油道19中排出的油液可经由管道回流到流体源中，以被工作泵抽出后送入进油道18中。
火箭的推力在发动机启动后，由小到大逐渐趋于一种较为平稳的状态。但是火箭由于是通过点火实现动力推动，而火箭还具有摆尾特性，因此其运动具有脉动特性，即推力不是恒定值，而是成脉动变化。因此为了使适配器配合火箭的脉动特性，设置卸油道19。具体地，当推力变大时，第二板面8向第二端腔壁5移动，推力板1和内腔2之间所围成的空间体积减小，多余的油液通过卸油道19排出；当推力变小时，第二板面8远离第二端腔壁5，推力板1和内腔2之间所围成的空间体积增大，缺少的压力油液通过进油道18补足。以此实现推力适配器的自平衡状态，消除火箭的推力的脉动，保证发动机推力测试的精度。
同时，由于发动机从启动到推力达到最大值，时间只有几十毫秒甚至几毫秒，因此压力流体瞬时受力非常大，因此为了防止位于第二端腔壁5和第二板面8之间的油液被初期瞬时增大的推力全部通过进油道18挤出、油膜面消失、推力板与第二端腔壁5接触，优选地设置具有小孔径的阻尼孔17的阻尼板15，以减缓从第二端腔壁5和第二板面8之间的油液在这几十毫秒之中进入进油道18的速度，保证在推力板承受的压力瞬时增大这个过程中，第二端腔壁5和第二板面8之间始终存在油液，保证油膜面始终存在，从而使推力板1始终处于“悬浮”状态，保证整个装置的低摩擦特性，继而保证发动机的推力测试的数据采集精度。
对应的，可在阻尼板上与底板相对的部位设置位置、形状尺寸与油槽相对的副油槽。
实施例4
本实施例是对连接件的第二种实施方式做出说明。
实施例2中，为了便于将推力板安装在内腔2中，将连接件沿导通孔3轴线将其各个内径不一致的部位分割开来。而本实施例中，直接将连接件进行等分，如图10-图12所示。具体地，连接件的结构如图10-图12所示，其包括固定块，在固定块上设置有匹配孔，所述匹配孔为三级阶梯孔，其包括孔径依次减小的孔A25、孔B26和孔C，孔C为导通孔3。沿导通孔3的轴线，将固定块等分为上块27和下块28，在上块27和下块28的彼此相对面上均设置有密封槽，所述密封槽将匹配孔包围；在上块27和下块28的两侧均外凸成耳板，螺栓穿过上块27上的耳板、下块28上的耳板后与螺母连接，在上块27和下块28之间设置有密封条29，所述密封条29的上、下两侧分别位于上块27上的密封槽中以及下块28上的密封槽中，且密封条29处于压缩状态。
阻尼板15与孔A25配合，第一端腔壁4为孔B26远离孔A25的端面，第二端腔壁为阻尼板15上朝向导通孔3的端面，腔侧壁6为孔B26的孔壁，推力板与孔B26配合。内腔2的密封由密封条和密封圈A实现。油槽16设置孔A25上远离孔C的端面上。
实施例5
本实施例是对连接件的第三种实施方式做出说明。
连接件包括固定块，在固定块上设置有匹配孔，所述匹配孔为三级阶梯孔，其包括孔径依次减小的孔A25、孔B26和孔C，孔C为导通孔3。将推力板和阻尼板设置成像三开环那样的结构，以便于将其放入未被等分的固定块上的匹配孔中。
综上，连接件和推力板之间的具体实施结构不限，只需要其具备一个内腔2，并能放置推力板即可。
实施例6
本实施例是在上述的基础上对本发明做出进一步地实施说明。
如图2-图9所示，本发明中，在所述第二板面8上设置有轴线与导通孔3轴线同轴的第一环形槽，在第一环形槽中安装有节流密封圈21，所述节流密封圈21上远离第一环形槽槽底的一端与第二端腔壁5接触。
第二端腔壁5和第二板面8之间的间隙中存在压力油液。由于发动机从启动到推力达到最大值，时间只有几毫秒，因此压力流体瞬时受力非常大。而当第二端腔壁5和第二板面8之间间距过大时，因瞬时受力极大，压力流体会具有较大的变形力，不利于发动机的高精度性能参数测定。而油墨厚度越小，其强度越大、受压后的形变越小、反弹力越低。因此优选地第二端腔壁5和第二板面8之间的间隙h0为0.1mm～1mm，优选地为0.2mm。
节流密封圈21与第二端腔壁5接触的部位形成油腔的节流边。当推力板受到来自发动机的推力时，推力板向第二端腔壁5移动，油腔体积减小，多余的油液需要通过挤压动作来通过节流密封圈21与第二端腔壁5接触部位后，进入环空11中，从卸油道19排出。推力越大，推力板向第二端腔壁5移动，节流密封圈21形变越大，节流边的密封力越大，油腔卸油量减小，油腔内压强p1增大。因此本发明的承载力取决于油腔内的压强和节流边这个部位的压强所产生的力。为了使油腔内压强随外负载的增减而增减，在油腔进口前设计若干小径的阻尼孔，即形成阻尼器，使适配器具有双重阻尼，即节流边和用于进油的阻尼孔处的阻尼器。前者主要控制支撑的泄漏量，后者则与前者协同调节油腔压强p1。这是因为通过阻尼孔的流量与通过节流边的泄漏量是相等的，当负载增加时，h0减小，即油膜厚度减小，使通过节流边的油液的泄漏量减小，从而降低阻尼器上的压降，使油腔内压强p1增大，与负载重新达到平衡。采用双重阻尼，使本发明构成一个自动调节的闭环系统，使其支撑能适应负载的变化，负载变大p1增大负载减小，p1减小。
实施例7
本实施例是在上述实施例的基础上，对阻尼孔和油槽的设置做出具体说明。
如图6和图7所知，所述油槽16在底板12的板面上的投影为扇形，且其圆心位于导通孔3的轴线上，所述油槽16有N个，并沿导通孔3的轴线中心对称；油槽16还可以设置在阻尼板上朝向底板12的一侧，优选地油槽16有四个。
所述阻尼孔17等分为四组，各组阻尼孔组分别各与一个油槽16连通。
实施例8
本实施例是关于推力板1与推力架之间连接做出是说明。
如图4所示，为了便于安装推力架，在所述推力板1远离第二端腔壁5的一侧设置有浮动板22，所述浮动板22上与导通孔3相对的部位外凸，并穿过导通孔3后与推力板1连接。
优选地，所述浮动板22通过螺钉23与推力板1连接。螺钉23优选地采用沉头螺钉。
实施例9
本实施例是关于液浮推力适配器的理论计算进行说明。
首先，建立理论计算的简化模型。为了满足理论计算的需求，对实际的液浮推力适配器物理模型进行简化，考虑到适配器由四块区域供油，对适配器的四分之一结构抽象出图13所示的简化模型。其中，推力板和阻尼板简化为左、右的两平行圆盘，左圆盘外径R0，油膜厚度为h0，液压油从阻尼板的半径为r0的阻尼孔进入，进油压力为P1，油膜边缘处的压力为P2，液压油流量为qv，推力板的挤压速度为V0。
接着拟定所需参数的数值，具体如下表所示：
表1.液浮推力适配器的理论计算所需参数
接着进行适配器初始状态计算。在适配器的受冲击阶段，只考虑推力板的挤压作用。在图13所示半径r处取一薄层dr，此薄层展开后可以近似看作长度为b＝2πr的平行平板间隙流动。根据平行平板间隙流动的原理，可得径向压力梯度为
式中qv为通过任意半径r处柱面的流量，它等于半径r以内液体被排挤出去的流量，即
qv＝πr2V0 (2)
将式(2)带入式(1)得
积分得
设圆盘外缘处压力为p2，则积分常数为
由此求得压力分布的规律为
在任一板上半径r处取微元面积2πrdr可积分求得板上的总作用力为
如果考虑油膜外缘处压力为0，即p2＝0，则
由式(8)可见在挤压情况下圆盘上的总作用力大小与挤压速度成正比，与圆盘R0的四次方成正比，与板间间隙高度h0的三次方成反比。
假设在冲击阶段的极限轴向冲击载荷Flim＝3750t＝3.75×107N，由式(8)可得
由上式可得到此时的挤压速度为
假设在极限冲击力的作用下油膜被挤完所需时间ΔT，则此时的挤压速度为
V″＝h0/ΔT (11)
将式(11)代入式(10)可得油膜厚度为
在极限情况下作用时间ΔT＝Δt＝0.3s，将有关参数及作用时间0.3s代入式(12)得
此时油膜的压力分布如式(6)所示，为抛物线分布，圆心压力最大。
适配器工作在稳定阶段时，只要在冲击阶段油膜不被破坏，则在此阶段油膜能够稳定存在，在推力板和阻尼板之间形成油膜润滑。而推力板径向运动只需克服油膜内相邻油层之间的粘性阻力以及密封圈处的摩擦力。
如图13所示，有压油液通入油腔内具有p1的压强，油腔内的有压油液通过包围油腔的壁缝泄漏，这个壁缝相当于节流边，节流边内油膜厚度为h0，并有一定的压强分布，分布规律如式6，承载力取决于油腔内压强和节流边内的压强所产生的力，为使油腔内压强在一定范围内能随外负载的增减而增减，结构设计时在油腔进口前设计若干阻尼小口，即阻尼器，使整套静液支撑装置具有双重阻尼，即进口阻尼器和支撑节流边。后者主要控制支撑的泄漏量，前者则与后者协同调节油腔压强p1。这是因为通过阻尼器的流量与通过节流边的泄漏量是相等的，当负载增加时，油膜厚度减小，使泄漏量减小而降低阻尼器上的压降，使油腔内压强p1增大，与负载重新达到平衡。采用双重阻尼，可以构成一个自动调节的闭环系统，使支撑能适应负载的变化。
在实际加工中要保证直径为1020mm的两个圆盘间的间隙在0.015mm以下，比较困难，在实际结构中将两圆盘间的间隙放大到0.2mm，为了减少间隙放大后产生的泄漏量，在圆盘的外围加上密封圈，形成一个相对密闭的油腔，节流边阻尼用密封圈与支撑板之间的间隙来形成，确保油腔压强p1能与负载相互平衡。
实施例10
本实施例是关于油膜摩擦力的计算进行说明。
适配器推力板径向运动时需克服油膜分子之间的粘性阻力。根据牛顿内摩擦定律，油膜产生的粘性阻力与推力板与油膜的接触面积成正比，与推力板运动的速度有关，即摩擦力其中μ-油的动力粘度，A-接触面积，-速度梯度。
计算摩擦力所需的其余参数拟定如下表：
表2.油膜摩擦力计算所述参数
根据牛顿内摩擦定律的计算公式，代入表2的参数计算可得：
F＝8.5×10-3×7.9×105×104×10-6＝67.2N
由上述的理论计算结果可知油膜对推力板运动的粘性阻力很小。
由式(8)可知油膜产生的对推力板的反作用力与推力板的挤压速度成正比，与油膜厚度成反比。当推力板受到轴向3750t的极限冲击载荷时，由油膜的刚性产生的反作用力可以抵消轴向的载荷。查阅机械设计手册得聚四氟乙烯-钢之间的动摩擦因数μ＝0.05。
当油膜厚度为0.01mm时，由式(10)可以计算此时的挤压速度为
膜产生的反作用力几乎可以抵消轴向的冲击载荷，因此推力板所受的正压力来自于节流密封圈的弹性变形力，设定此密封圈内径960mm，外径980mm，材料选用丁晴橡胶。在Ansys中分别做变形量为0.5mm和0.2mm时的仿真计算，如图14和图15所示。两种情况下的正压力分别为6700N和3000N。因此两种情况下的摩擦力分别为：
Ff＝μkFs＝0.05×6700＝335N和Ff＝μkFs＝0.05×3000＝150N。
由上可知，即使加载上密封圈带来的摩擦力，本发明整体对推力板运动的摩擦力也非常小。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种浮力式推力适配器，其特征在于：包括推力板(1)以及具有内腔(2)的连接件，所述内腔(2)包括彼此相对的第一端腔壁(4)、第二端腔壁(5)以及将其连接起来且自身结构为环形的腔侧壁(6)，在所述第一端腔壁上设置有与外界连通的导通孔(3)，所述推力板(1)位于内腔(2)中，推力板(1)包括彼此相背的第一板面(7)、第二板面(8)以及将其连接起来且自身结构为环形的板侧壁(9)，第一板面(7)和第二板面(8)分别与第一端腔壁(4)和第二端腔壁(5)相对，且第一板面(7)和第二板面(8)之间的间距小于第一端腔壁(4)和第二端腔壁(5)之间的间距，第一板面(7)和第一端腔壁(4)之间通过密封圈A(10)进行密封，板侧壁(9)与腔侧壁(6)之间形成环空(11)，在内腔(2)和推力板(1)之间填充有压力流体。
2.根据权利要求1所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：所述连接件包括沿导通孔(3)轴向依次紧固连接的底板(12)、缸筒(13)和限位板(14)，所述缸筒(13)的轴线平行于导通孔(3)的轴线，并垂直于底板(12)和限位板(14)，所述腔侧壁(6)为缸筒(13)的内壁，所述第一端腔壁(4)、第二端腔壁(5)分别为限位板(14)朝向缸筒(13)的板面以及底板(12)朝向缸筒(13)的板面，所述导通孔(3)设置在限位板(14)上。
3.根据权利要求2所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：在所述底板(12)和第二端腔壁(5)之间固定有阻尼板(15)，所述阻尼板(15)平行于底板(12)，所述第二端腔壁(5)位于阻尼板(15)上远离底板(12)的板面上；
在底板(12)上和阻尼板(15)相对的面上设置有油槽(16)，在阻尼板(15)上设置有多个阻尼孔(17)，所述阻尼孔(17)将油槽(16)和内腔(2)连通；
在底板(12)上设置有与油槽(16)连通的进油道(18)；
在所述缸筒(13)的侧壁上设置有与内腔(2)连通的卸油道(19)。
4.根据权利要求3所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：在所述第二板面(8)上设置有轴线与导通孔(3)轴线同轴的第一环形槽，在第一环形槽中安装有节流密封圈(21)，所述节流密封圈(21)上远离第一环形槽槽底的一端与第二端腔壁(5)接触。
5.根据权利要求3所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：所述油槽(16)在底板(12)的板面上的投影为扇形，且其圆心位于导通孔(3)的轴线上，所述油槽(16)有N个，并沿导通孔(3)的轴线中心对称；
所述阻尼孔(17)等分为N组，各组阻尼孔组分别各与一个油槽(16)连通。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：所述底板(12)、阻尼板(15)、缸筒(13)和限位板(14)通过螺栓(24)沿通孔(3)轴向紧固，所述螺栓(24)的杆部末端依次穿过底板(12)、阻尼板(15)、缸筒(13)和限位板(14)后与螺母(20)螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：在所述推力板(1)远离第二端腔壁(5)的一侧设置有浮动板(22)，所述浮动板(22)上与导通孔(3)相对的部位外凸，并穿过导通孔(3)后与推力板(1)连接。
8.根据权利要求7所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：所述浮动板(22)通过螺钉(23)与推力板(1)连接。
9.根据权利要求1所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：所述推力板(1)为圆板，所述内腔(2)的形状与推力板(1)的形状一致。
10.根据权利要求1所述的一种浮力式推力适配器，其特征在于：所述密封圈A(10)为矩形密封圈。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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