CN111060040A - 斯特林制冷机压缩机活塞与气缸微间隙测量装置及方法 - Google Patents
斯特林制冷机压缩机活塞与气缸微间隙测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种斯特林制冷机压缩机活塞与气缸微间隙测量装置及方法。该斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，包括底板、设置在底板左端上方的充气法兰、安装在充气法兰右端面上的三通堵头、安装在底板中右端上方的直线导轨、滑动安装在直线导轨上方的滑块、设置在滑块上方的两通堵头、安装在底板右端上方的丝杆螺母、贯穿安装在丝杆螺母中且与丝杆螺母螺纹配合的丝杆以及套设在丝杆左端外侧的推力轴承。本发明能够解决现有的活塞与气缸间隙测试时接触式测量装置存在的精度低、稳定型差、测试数据片面等缺点，实现对活塞与气缸间隙的高精度、非接触式、高稳定性测量。
Description
技术领域
本发明涉及斯特林制冷机技术领域，具体涉及一种斯特林制冷机压缩机活塞与气缸微间隙测量装置及方法。
背景技术
斯特林制冷机的压缩机活塞是一种在压缩机气缸内循环往复运动的零件，通过活塞的循环往复运动对气缸内气体工质进行压缩作用。活塞在工作时，活塞与气缸的间隙会影响气体的压缩效能。当活塞与气缸间隙过大时，在压缩过程中大量气体从活塞与气缸间隙流出从而影响压缩机效能。当活塞与气缸间隙过小时，高、低温条件下活塞体与气缸的热胀冷缩可能会导致活塞卡死致使制冷机失效，同时过小的间隙必然会导致活塞与气缸摩擦力过大。因此，保证压缩机活塞与气缸间隙值在一定范围内显得尤为重要。
目前，控制活塞与气缸间隙的主要方法是利用外径千分尺与内径千分尺分别测量活塞与气缸多个位置的平均直径，然后取得气缸与活塞的平均间隙值。斯特林制冷机压缩机活塞在与气缸在运动过程中因工作条件限制，活塞与气缸间通常无任何润滑物质，这就要求活塞具有较高的耐磨性和良好的自润滑性能。现有的做法是在活塞表面涂覆具有较高耐磨性和良好自润滑性能的涂层。该种涂层材质较软，在接触式测量过程中接触力的大小会影响测量尺寸的准确性。因活塞表面的软质涂层受力即发生变形，不同的操作工人使用千分尺力度不一，使得测量一致性较差，难以获得准确数据。同时，活塞与气缸重合部分长度半径比值较大，采用多点测量取平均值的方法难以获得整个活塞气缸重合部分的气体密封效能。而且接触式测量无法获得活塞整体与气缸重合处的间隙值，只能得出某一点处的测量值，测量值较为片面，无法反应整体间隙情况。
发明内容
本发明的目的在于提供斯特林制冷机压缩机活塞与气缸微间隙测量装置及方法，该测量装置及方法能够解决现有的活塞与气缸间隙测试时接触式测量装置存在的精度低、稳定型差、测试数据片面等缺点，对活塞与气缸的间隙进行高精度、非接触式、高稳定性测量。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，包括底板、设置在底板左端上方的充气法兰、安装在充气法兰右端面上的三通堵头、安装在底板中右端上方的直线导轨、滑动安装在直线导轨上方的滑块、设置在滑块上方的两通堵头、安装在底板右端上方的丝杆螺母、贯穿安装在丝杆螺母中且与丝杆螺母螺纹配合的丝杆以及套设在丝杆左端外侧的推力轴承。
所述充气法兰上开设有螺纹口。
所述三通堵头包括中空的三通堵头主体、开设在三通堵头主体左端的活塞固定件接口、开设在三通堵头主体顶部的左压力传感器接口和开设在三通堵头主体右端的测试活塞接口；所述活塞固定件接口、左压力传感器接口、测试活塞接口均与三通堵头主体的空腔相连通；所述活塞固定件接口中嵌入安装有压缩机活塞固定件；所述左压力传感器接口中安装有左压力传感器；所述压缩机活塞固定件上开设有通气孔，且压缩机活塞固定件的右端设有用于连接活塞的螺纹段；所述螺纹口、通气孔以及三通堵头主体的空腔是相通的。
所述两通堵头包括中空的两通堵头主体、开设在两通堵头主体左端的法兰接口、开设在两通堵头主体顶部的右压力传感器接口和开设在两通堵头主体右端的推力轴承位置孔；所述法兰接口、右压力传感器接口和两通堵头主体的空腔相连通；所述右压力传感器接口中安装有右压力传感器；所述推力轴承的左端安装在推力轴承位置孔中。
进一步的，所述底板的中段上方设有气缸托板。
进一步的，所述底板的左端上方安装有固定筋板，所述固定筋板与充气法兰相连。
进一步的，所述三通堵头的左端面上嵌入设置有密封圈一。
进一步的，所述测试活塞接口中设有密封圈二。
进一步的，所述法兰接口中设有密封圈三。
进一步的，所述滑块的顶部安装有导轨滑块连接件；所述导轨滑块连接件的上端固定连接在两通堵头的右端面上。
进一步的，所述推力轴承的左右两侧分别设有轴承挡圈和丝杆挡圈；所述轴承挡圈固定连接在丝杆的左端面上，丝杆挡圈套设在丝杆上；所述两通堵头的右端面上安装有轴承端盖；所述轴承挡圈、推力轴承、丝杆挡圈以及丝杆的左端部均位于两通堵头与轴承端盖围成的空腔中。
进一步的，所述丝杆螺母通过丝杆螺母座固定连接到底板上。
本发明还涉及一种上述斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：
（1）先将测试活塞通过压缩机活塞固定件右端的螺纹段连接到压缩机活塞固定件上；再将测试气缸套在测试活塞的外侧，且使测试气缸的右端固定在法兰接口中；然后再转动丝杆，将测试气缸夹紧在三通堵头与两通堵头之间，使测试气缸的左端与密封圈二紧密接触，测试气缸的右端与密封圈三紧密接触。
（2）将一定压强的测试气体从充气法兰的螺纹口通入，测试气体由螺纹口流向通气孔，再由通气孔流入三通堵头主体的空腔中，采用左压力传感器测得此时的压强P1。
（3）测试气体继续向右流动，先从三通堵头主体的空腔进入到测试活塞与测试气缸的间隙中，再进入到两通堵头主体的空腔中，采用右压力传感器测得此时的压强P2。
（4）采用公式ΔP=P1-P2求得压降ΔP，根据压降ΔP，获取测试活塞与测试气缸之间的间隙。
和现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明采用丝杆螺母配合推力轴承对待测量的精密工件进行紧固，紧固时避免了单独使用丝杆时扭力对精密工件的破坏。通过推力轴承配合丝杆螺母的自锁作用，能够对测试气缸起到可靠有效地紧固作用，使测试气缸牢稳地固定在三通堵头和两通堵头之间，且能够有效地确保密封性。在紧固过程中，丝杆的活动范围与移动精度受到直线导轨及其滑块的精确约束。
（2）本发明在进行斯特林制冷机压缩机活塞与气缸间隙测量时，采用的测量工质为气体，在测量过程中不会使得压缩机活塞变形的不利效果，确保了软质材料尺寸的精确测量。在测量时，高压气体通过充气法兰流至待测精密工件两端，工件两端相应位置孔上的压力传感器对流经工件间隙前后的压力进行测量从而得到压力差值，不同的压力差值对应不同的配合间隙，从而实现非接触、不变形的高精度测量。同时，在气体工质流动过程中，气体流经整个压缩机活塞与气缸接触部分，测量值是整个压缩机活塞与气缸间隙的综合值，避免了直接测量时数据少、测量一致性差等导致的测试数据片面的问题。本发明特别适用于间隙小、材质软、精度要求高的活塞与气缸的全间隙测量。
附图说明
图1是本发明中测量装置的结构示意图；
图2是本发明中测量装置的的剖视图；
图3是本发明中三通堵头的结构示意图；
图4是本发明中两通堵头的结构示意图。
其中：
1、底板，2、压缩机气缸托板，3、测试气缸，4、密封圈三，5、两通堵头，6、直线导轨，7、导轨滑块连接件，8、丝杆螺母座，9、丝杆螺母，10、丝杆，11、轴承端盖，12、丝杆挡圈，13、推力轴承，14、轴承挡圈，15、右压力传感器，16、测试活塞，17、密封圈二，18、左压力传感器，19、压缩机活塞固定件，20、三通堵头，21、密封圈一，22、充气法兰，23、固定筋板，24、活塞固定件接口，25、左压力传感器接口，26、测试活塞接口，27、法兰接口，28、右压力传感器接口，29、推力轴承位置孔，30、通气孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图2所示的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，该装置包括底板1、设置在底板1左端上方的充气法兰22、安装在充气法兰22右端面上的三通堵头20、安装在底板1中右端上方的直线导轨6、滑动安装在直线导轨6上方的滑块、设置在滑块上方的两通堵头5、安装在底板1右端上方的丝杆螺母9、贯穿安装在丝杆螺母9中且与丝杆螺母9螺纹配合的丝杆1以及套设在丝杆10左端外侧的推力轴承13。所述充气法兰22上开设有螺纹口。所述底板1的中段上方设有气缸托板2。所述底板1的左端上方安装有固定筋板23，所述固定筋板23与充气法兰22相连。所述三通堵头20的左端面上嵌入设置有密封圈一21；所述测试活塞接口2617中设有密封圈二17；所述法兰接口27中设有密封圈三4。所述滑块的顶部安装有导轨滑块连接件7；所述导轨滑块连接件7的上端固定连接在两通堵头5的右端面上。底板1为整个测量装置提供稳固的承载环境。固定筋板23，用于为紧固组件紧固时提供支撑力。密封圈一21、密封圈二17和密封圈三4，用于提供一个良好的密封环境。
具体地说，如图2所示，直线导轨6通过螺钉固定在底板1上，直线导轨上配有与其滑动配合滑块，滑块可以在直线导轨6限定的范围内滑动。滑块上开设有与导轨滑块连接件7上通孔相配合的螺纹孔，通过螺钉可以将滑块与导轨滑块连接件7固定连接在一起，使得导轨滑块连接件7与滑块连接后可以在直线导轨上精确滑动。导轨滑块连接件7还留有与两通堵头5相配合的通孔，两通堵头5对应位置上留有与导轨滑块连接件7配合的螺纹孔，即通过相应螺钉可以将两通堵头5与导轨滑块连接件7连接在一起，使得整个丝杆10、推力轴承13、轴承挡圈14、丝杆挡圈12、轴承端盖11、导轨滑块连接件7、两通堵头5可以随滑块一起在直线导轨6上做精确的线性滑动。所述固定筋板23的底面有螺纹孔，通过底板1上相应位置上的通孔，可以使用螺钉将固定筋板23和底板1连接固定在一起。所述压缩机气缸托板2的底部有与底板1相固定的螺纹孔，通过螺钉可以使得压缩机气缸托板2与底板1牢固固定。所述压缩机气缸托板2，用于在测试时给待测试组件（测试气缸3、测试活塞16）提供一个必要的支撑。
所述充气法兰22的左侧有与固定筋板23相配合的螺纹孔和与压缩机气缸左端三通堵头20相配合的螺纹孔，通过充气法兰22上的螺纹孔可以将充气法兰22固定在底板1上、将三通堵头18固定在充气法兰22上。为避免三通堵头20与充气法兰22连接后在充气时漏气，特在二者连接处设置密封圈一21。三通堵头20上开设有用于放置密封圈一的密封槽。所述充气法兰22的中间设有与单向阀连接的螺纹口，该螺纹口可以根据单向阀螺纹大小自行设置。充气法兰22，通过螺钉与螺帽将压缩机活塞固定件19、三通堵头20连接构成整体。
所述推力轴承13的左右两侧分别设有轴承挡圈14和丝杆挡圈12；所述轴承挡圈14固定连接在丝杆10的左端面上，丝杆挡圈12套设在丝杆10上；所述两通堵头5的右端面上安装有轴承端盖11；所述轴承挡圈14、推力轴承13、丝杆挡圈12以及丝杆10的左端部均位于两通堵头5与轴承端盖11围成的空腔中。所述轴承挡圈14，用于阻止推力轴承13从丝杆10上脱落。轴承挡圈14的中心位置设置有通孔，采用螺钉通过该通孔与丝杆10上的螺纹孔将轴承挡圈14固定在丝杆10上。推力轴承13的右端设置有丝杆挡圈12，丝杆挡圈12与丝杆10直接接触并定位，其环状结构对推力轴承13进行了限位并承担载荷。所述推力轴承13可以承受较大的轴向力，并且可以避免有害扭矩对零件产生不利影响，推力轴承13也可以使用其他具有相似功能的轴承。所述丝杆10的左端光轴段与推力轴承13内圈径向固定，丝杆10的中右端设有外螺纹，中右端外侧套设有丝杆螺母9。所述丝杆螺母9被丝杆螺母座8牢固固定在底板1上，使其不能沿轴线旋转。所述丝杆螺母座8，通过螺钉与底板1固定连接在一起。丝杆螺母座8，对丝杆螺母进行紧固并提供支撑力。所述丝杆螺母座8上留有安装丝杆螺母9的台阶孔，其底端有与底板1连接的螺纹孔，可以通过该螺纹孔将丝杆螺母座8固定在底板1上。丝杆10与丝杆螺母9起到自锁紧作用，通过丝杆10的转动带动紧固组件向压缩机气缸3紧固方向移动，移动时，直线导轨6与滑块为紧固组件的移动提供一个精确的移动方向。本发明采用具有自锁紧作用的丝杆与丝杆螺母挤压压缩机气缸3的右端两通堵头作为主要的紧固方式。
如图3所示，所述三通堵头20包括中空的三通堵头主体、开设在三通堵头主体左端的活塞固定件接口24、开设在三通堵头主体顶部的左压力传感器接口25和开设在三通堵头主体右端的测试活塞接口26。所述活塞固定件接口24、左压力传感器接口25、测试活塞接口26均与三通堵头主体的空腔相连通。所述活塞固定件接口24中嵌入安装有压缩机活塞固定件19。所述左压力传感器接口25中安装有左压力传感器18。所述压缩机活塞固定件19上开设有通气孔30，且压缩机活塞固定件19的右端设有用于连接活塞的螺纹段。所述螺纹口、通气孔以及三通堵头主体的空腔是相通的。三通堵头20上留有与测试活塞16、左压力传感器18、 压缩机活塞固定件19连接的三个接口。压缩机活塞固定件接口27，用于与压缩机活塞固定件19连接，该接口为台阶孔，压缩机活塞固定件19通过该台阶孔精确定位在测试活塞接口29的中心位置。三通堵头20上的左压力传感器接口28上留有与左压力传感器18连接的螺纹，通过该螺纹可以使得左压力传感器18与三通堵头20有效密封连接。所述压缩机活塞固定件19上设有通气孔和凸台，所述通气孔用于使由充气法兰22螺纹口进入的高压气体进入到三通堵头内腔中。经过充气法兰22螺纹口的气体通入三通堵头20的内部空腔中，左压力传感器18可以测得入口气体的压强P1，并同时使得测试气体能够进入到测试活塞16与测试活塞3的间隙中。所述凸台的右端设有一定长度的外螺纹，该外螺纹可以与测试活塞16上的内螺纹相契合，并使测试活塞16精确固定在测试活塞接口29的中心位置。
如图4所示，所述两通堵头5包括中空的两通堵头主体、开设在两通堵头主体左端的法兰接口27、开设在两通堵头主体顶部的右压力传感器接口28和开设在两通堵头主体右端的推力轴承位置孔29；所述法兰接口27、右压力传感器接口28和两通堵头主体的空腔相连通。所述右压力传感器接口28中安装有右压力传感器15。所述推力轴承13的左端安装在推力轴承位置孔29中。两通堵头5通过螺钉与导轨滑块连接件7连接并固定。所述两通堵头5上有法兰接口27、右压力传感器接口28和推力轴承位置孔29。所述法兰接口27的作用在于该接口与测试气缸3右端的密封圈三4紧密连接从而实现气体密封。测试气缸3的右端固定在法兰接口27中，在丝杆的压紧作用以及密封圈三的密封作用下，测试气缸的右端与法兰接口紧密接触。所述右压力传感器接口28的作用在于和右压力传感器15紧密密封连接，使得右压力传感器15能够检测到出气口端的气体压强。所述推力轴承位置孔29为台阶孔，如图4所示，该台阶孔中左侧的小孔用于为轴承挡圈14提供安装空间，右侧的大孔用于为推力轴承13提供一个良好的支撑环境。
本发明通过使用气体作为流动测量工质，避免了材料硬度低时工具直接接触测量造成形变产生误差。同时，在流动工质的作用下，气体能够流入到所有接触表面的微小缝隙中，解决了工具直接测量时测量数据片面单一的问题。设两通堵头5、丝杆10、丝杆螺母9、推力轴承13、轴承挡圈14、丝杆挡圈12、丝杆螺母座8、轴承端盖11、密封圈三4构成的结构为紧固组件，在采用紧固组件将测试气缸紧固在三通堵头与两通堵头之间时，通过使用滑动配合的直线导轨与滑块，严格保证了在紧固过程中测试工件不发生偏移，使得紧固可靠有效。在丝杆螺母进行紧固的过程中，使用了推力轴承，使得在旋转丝杆进行压紧的过程中不产生对测试工件有害的扭矩，同时丝杆螺母具有良好的自锁性与易用性，使得整个结构紧凑易用。
在进行测试准备时，使用相应螺钉安装除测试活塞16和气缸3外的所有零部件组成如图2所示的测试机体。将测试活塞16旋入压缩机活塞固定件19末端的螺纹段中进行固定，再将气缸3套入测试活塞16的右端外侧，旋转丝杆10末端的手柄使得紧固组件能压紧密封圈三4和密封圈二17形成如图2所示的完整测试状态。进行间隙测试时，通过充气法兰22中间的螺纹口将一定压强的测试气体接入本装置中，该测试气体可以为氮气、氩气等高纯气体。
本发明的测试原理是：
高压气体通过充气法兰22上的螺纹口进入本发明所述的测量装置，再通过活塞固定件19上的通气孔30，使得高压气体的初始压强P1被左压力传感器18测得。随后高压气体穿过活塞固定件19并通过测试活塞16与测试气缸3之间的微小间隙进入右压力传感器15的测量腔。由于测试活塞16与测试气缸3之间的间隙较小，高压气体通过时受到阻力，这导致通过测试活塞16的高压气体压强下降为P2，该压强被右压力传感器15测得。高压气体通过测量装置后的压降为ΔP=P1-P2。测试活塞16与气缸3之间的间隙越小，气体流经时阻力越大，则压降ΔP的值越大。因此，不同的的配合间隙会导致不同的压降ΔP。通过测量出压降值，再根据之前标定的压降与间隙值之间的对应关系，即可得到该压降值对应的压缩机活塞与气缸之间的微间隙。通过压降ΔP可以直观的反应整个配合面的间隙配合情况。因此，在使用该装置进行测试时，只需知晓ΔP值，即可知晓配合间隙是否满足设计要求，测量准确快速并且避免了机械测量装置测量活塞时导致的变形。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：包括底板、设置在底板左端上方的充气法兰、安装在充气法兰右端面上的三通堵头、安装在底板中右端上方的直线导轨、滑动安装在直线导轨上方的滑块、设置在滑块上方的两通堵头、安装在底板右端上方的丝杆螺母、贯穿安装在丝杆螺母中且与丝杆螺母螺纹配合的丝杆以及套设在丝杆左端外侧的推力轴承；
所述充气法兰上开设有螺纹口；
所述三通堵头包括中空的三通堵头主体、开设在三通堵头主体左端的活塞固定件接口、开设在三通堵头主体顶部的左压力传感器接口和开设在三通堵头主体右端的测试活塞接口；所述活塞固定件接口、左压力传感器接口、测试活塞接口均与三通堵头主体的空腔相连通；所述活塞固定件接口中嵌入安装有压缩机活塞固定件；所述左压力传感器接口中安装有左压力传感器；所述压缩机活塞固定件上开设有通气孔，且压缩机活塞固定件的右端设有用于连接活塞的螺纹段；所述螺纹口、通气孔以及三通堵头主体的空腔是相通的；
所述两通堵头包括中空的两通堵头主体、开设在两通堵头主体左端的法兰接口、开设在两通堵头主体顶部的右压力传感器接口和开设在两通堵头主体右端的推力轴承位置孔；所述法兰接口、右压力传感器接口和两通堵头主体的空腔相连通；所述右压力传感器接口中安装有右压力传感器；所述推力轴承的左端安装在推力轴承位置孔中。
2.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述底板的中段上方设有气缸托板。
3.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述底板的左端上方安装有固定筋板，所述固定筋板与充气法兰相连。
4.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述三通堵头的左端面上嵌入设置有密封圈一。
5.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述测试活塞接口中设有密封圈二。
6.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述法兰接口中设有密封圈三。
7.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述滑块的顶部安装有导轨滑块连接件；所述导轨滑块连接件的上端固定连接在两通堵头的右端面上。
8.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述推力轴承的左右两侧分别设有轴承挡圈和丝杆挡圈；所述轴承挡圈固定连接在丝杆的左端面上，丝杆挡圈套设在丝杆上；所述两通堵头的右端面上安装有轴承端盖；所述轴承挡圈、推力轴承、丝杆挡圈以及丝杆的左端部均位于两通堵头与轴承端盖围成的空腔中。
9.根据权利要求1所述的一种斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置，其特征在于：所述丝杆螺母通过丝杆螺母座固定连接到底板上。
10.根据权利要求1~9任意一项所述的斯特林制冷机压缩活塞与气缸微间隙测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）先将测试活塞通过压缩机活塞固定件右端的螺纹段连接到压缩机活塞固定件上；再将测试气缸套在测试活塞的外侧，且使测试气缸的右端固定在法兰接口中；然后再转动丝杆，将测试气缸夹紧在三通堵头与两通堵头之间，使测试气缸的左端与密封圈二紧密接触，测试气缸的右端与密封圈三紧密接触；
（2）将一定压强的测试气体从充气法兰的螺纹口通入，测试气体由螺纹口流向通气孔，再由通气孔流入三通堵头主体的空腔中，采用左压力传感器测得此时的压强P1；
（3）测试气体继续向右流动，先从三通堵头主体的空腔进入到测试活塞与测试气缸的间隙中，再进入到两通堵头主体的空腔中，采用右压力传感器测得此时的压强P2；
（4）采用公式ΔP=P1-P2求得压降ΔP，根据压降ΔP，获取测试活塞与测试气缸之间的间隙。
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| CN101187544A (zh) * | 2007-12-21 | 2008-05-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种测量微型气动斯特林制冷机推移活塞位移的装置 |
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