本發(fā)明涉及到高焓激波風(fēng)洞的驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到自由活塞驅(qū)動技術(shù)中一種自由活塞和緩沖止停機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

自由活塞激波風(fēng)洞是采用自由活塞驅(qū)動技術(shù)的高焓激波風(fēng)洞，此類風(fēng)洞通過重活塞壓縮器驅(qū)動自由活塞等熵壓縮單原子驅(qū)動氣體，達(dá)到高溫高壓狀態(tài)后驅(qū)動激波管運(yùn)行，試驗(yàn)氣體在激波管末端滯止后經(jīng)過噴管膨脹加速，實(shí)現(xiàn)高速高焓流動模擬的目的。

結(jié)合圖1描述活塞運(yùn)動過程：初始時(shí)刻，活塞在上下游(上游高壓空氣與下游低壓驅(qū)動氣體)氣體的壓差作用下由靜止開始加速運(yùn)動，并開始壓縮驅(qū)動氣體，致其壓力不斷升高，直至活塞前后壓力達(dá)到平衡，活塞速度達(dá)到峰值；隨后活塞開始減速，在慣性作用下，繼續(xù)壓縮驅(qū)動氣體直至主膜片打開，最后在緩沖吸能裝置的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)軟著陸?；钊倪\(yùn)動與控制，尤其是軟著陸控制技術(shù)是自由活塞驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵，它關(guān)系到驅(qū)動性能以及風(fēng)洞設(shè)備的安全。

理論上可以通過合理安排初始參數(shù)實(shí)現(xiàn)活塞的軟著陸。然而，大量計(jì)算和試驗(yàn)表明，理論計(jì)算獲得軟著陸的參數(shù)集合非常小，在實(shí)際運(yùn)行中僅僅通過選擇合適的理論設(shè)計(jì)參數(shù)是無法實(shí)現(xiàn)活塞軟著陸的，通常綜合多種措施來實(shí)現(xiàn)活塞的軟著陸。

目前國際上著名的幾座自由活塞激波風(fēng)洞都采用自由活塞直接撞擊彈性吸能材料的方式實(shí)現(xiàn)活塞止停，此種方式存在幾個(gè)問題：第一，彈性吸能材料極易損壞，每進(jìn)行幾次試驗(yàn)就需要進(jìn)行更換；第二，當(dāng)活塞運(yùn)動控制不當(dāng)時(shí)，活塞以極高的速度直接撞擊彈性吸能材料，傳遞給設(shè)備極大的沖擊載荷，對設(shè)備安全產(chǎn)生影響；第三，當(dāng)活塞質(zhì)量較大時(shí)，彈性吸能緩沖方式很難完全吸收活塞的殘余動能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服目前國際上自由活塞激波風(fēng)洞設(shè)備中存在的彈性緩沖墊易損壞、對設(shè)備沖擊載荷較大以及緩沖墊吸收活塞動能有限的缺點(diǎn)。提供了自由活塞驅(qū)動技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方式。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種自由活塞兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)，包括兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)；所述自由活塞呈凹腔結(jié)構(gòu)，運(yùn)動在壓縮管內(nèi)腔，所述兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)呈凸起中通結(jié)構(gòu)，包括緩沖結(jié)構(gòu)、支撐環(huán)、套筒以及底座；底座為帶凸起的中通法蘭結(jié)構(gòu)，通過底座將兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)安裝在壓縮管末端，套筒套在底座的凸起上；支撐環(huán)固定在凸起的前端對套筒進(jìn)行限位；緩沖結(jié)構(gòu)固定在支撐環(huán)的前端；當(dāng)活塞運(yùn)動到壓縮管末端時(shí)，兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)的凸起進(jìn)入自由活塞的凹腔結(jié)構(gòu)，套筒與自由活塞的內(nèi)腔面之間能夠相對滑動；自由活塞運(yùn)動過程中通過自由活塞、壓縮管、兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)之間形成的環(huán)形空腔進(jìn)行一次緩沖，通過與緩沖結(jié)構(gòu)碰撞進(jìn)行二次緩沖止停。

還包括密封環(huán)，通過前端蓋安裝在自由活塞的運(yùn)動前端，所述的密封環(huán)與前端蓋之間的配合面為斜面，該斜面與活塞運(yùn)動方向成30°-60°夾角，前端蓋上設(shè)置通氣孔，該通氣孔作用在上述斜面上。

密封環(huán)選擇受壓產(chǎn)生形變且至少能夠耐瞬時(shí)1000K溫度的材料，所述的受壓產(chǎn)生變形要求在3MPa壓力下徑向產(chǎn)生至少2mm的變形。

所述通氣孔孔徑范圍為所述斜面邊長的1/2～2/3，周向均布數(shù)量范圍8～12。

在底座凸起上周向設(shè)置4～8個(gè)內(nèi)徑范圍為4～8mm的通孔，通過該孔將環(huán)形空腔內(nèi)的壓縮氣體導(dǎo)出，使環(huán)形空腔內(nèi)的氣體壓力穩(wěn)定。

環(huán)形空腔內(nèi)的壓力保持在壓縮管末端氣體壓力的4～6倍范圍。

所述的緩沖結(jié)構(gòu)為彈性緩沖墊或者薄壁吸能環(huán)結(jié)構(gòu)，所述吸能環(huán)為帶中心通孔的圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱結(jié)構(gòu)分為三部分，中間部分為薄壁、兩端部分中的一端用于固定，另一端將沖擊力傳遞至中間薄壁，通過薄壁的塑性變形進(jìn)行吸能。

薄壁上設(shè)置周向均布的誘導(dǎo)孔，便于塑性變形。

所述的薄壁長度與外徑之比的范圍2～5，薄壁外徑與薄壁厚度之比范圍在30～100。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用兩級緩沖吸能方式，第一級，氣動緩沖吸能，吸收活塞大部分動能；第二級，變形緩沖吸能，吸收活塞剩余動能。當(dāng)活塞運(yùn)動到壓縮管末端時(shí)，止停機(jī)構(gòu)與壓縮管形成環(huán)形的氣動緩沖腔，當(dāng)活塞進(jìn)入緩沖腔時(shí)，腔內(nèi)氣體受到壓縮，形成緩沖氣墊，活塞的動能轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)氣體的內(nèi)能，此為第一級緩沖；活塞減速，最終以較低的速度撞擊到二級緩沖結(jié)構(gòu)上，通過二級緩沖結(jié)構(gòu)的彈性或塑性變形實(shí)現(xiàn)活塞軟著陸。

(2)環(huán)形氣動緩沖腔內(nèi)布置有的周向通孔，利于氣動緩沖腔內(nèi)的氣體緩慢排出，保持緩沖腔內(nèi)壓力穩(wěn)定，減小活塞回彈的可能。

(3)二級緩沖結(jié)構(gòu)為變形吸能結(jié)構(gòu)，采用彈性變形吸能結(jié)構(gòu)或薄壁圓柱結(jié)構(gòu)塑性變形吸能結(jié)構(gòu)。

(4)自由活塞上的前端蓋、擋圈、活塞本體以及后端蓋為金屬材質(zhì)，耐磨環(huán)材質(zhì)為具有自潤滑特性的高分子聚合物，在活塞運(yùn)動時(shí)耐磨環(huán)與壓縮管內(nèi)壁配合，起到支撐活塞作用。密封環(huán)材質(zhì)為耐瞬時(shí)高溫的高分子聚合物，受到壓力能夠發(fā)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)密封；同時(shí)，密封環(huán)與壓縮管內(nèi)壁之間的摩擦力隨著活塞下游壓力的升高而增大，起到剎車功能。其中，驅(qū)動氣體通過前端蓋上的通氣孔作用在密封環(huán)的斜面上。

附圖說明

圖1為活塞運(yùn)動過程示意圖。

圖2為自由活塞結(jié)構(gòu)圖。

圖3為兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

圖4為密封環(huán)工作原理示意圖。

圖5為氣動緩沖原理示意圖。

其中：1-活塞，2-止停機(jī)構(gòu)，3-壓縮管，11-后端蓋，12-耐磨環(huán)，13-活塞本體，14-擋圈，15-密封環(huán)，16-前端蓋，21-緩沖結(jié)構(gòu)，22-支撐環(huán)，23-套筒，24-底座。

具體實(shí)施方式

附圖非限制性地公開了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

一種自由活塞與氣動緩沖止停機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2、5所示，自由活塞1呈凹腔結(jié)構(gòu)，包括后端蓋11、耐磨環(huán)12、活塞本體13、擋圈14、密封環(huán)15以及前端蓋16；后端蓋11通過螺釘固定在活塞本體上，耐磨環(huán)12套在活塞本體13上，耐磨環(huán)12外徑尺寸大于活塞本體外徑，密封環(huán)15套在活塞本體上，密封環(huán)斜面與前端蓋16斜面緊密配合(該斜面與活塞運(yùn)動方向成45°夾角)，前端蓋16通過螺釘固定在活塞本體上，前端蓋16開12個(gè)直徑為12mm的通氣孔，該通氣孔作用在上述斜面上。

上述密封環(huán)工作原理：驅(qū)動氣體經(jīng)過活塞的壓縮，壓力不斷上升，高壓驅(qū)動氣體通過前端蓋上的通孔作用到密封環(huán)的斜面上，壓力越高，密封環(huán)對管壁的壓力越大，密封越緊，密封環(huán)與管壁間的摩擦力越大，利于活塞減速。密封環(huán)15選擇受壓產(chǎn)生形變且至少能夠耐瞬時(shí)1000K溫度的材料，所述的受壓產(chǎn)生變形要求在3MPa壓力下徑向產(chǎn)生至少2mm的變形。

自由活塞上的前端蓋、擋圈、活塞本體以及后端蓋為金屬材質(zhì)，耐磨環(huán)材質(zhì)為具有自潤滑特性的高分子聚合物，在活塞運(yùn)動時(shí)耐磨環(huán)與壓縮管內(nèi)壁配合，起到支撐活塞作用。密封環(huán)材質(zhì)為高分子聚合物，在受到壓力能夠發(fā)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)密封；同時(shí)，密封環(huán)與壓縮管內(nèi)壁之間的摩擦力隨著活塞下游壓力的升高而增大，起到剎車功能。

為控制活塞整體質(zhì)量、后端蓋、活塞本體、擋圈以及前端蓋均為超硬鋁合金材料；耐磨環(huán)為聚四氟乙烯材質(zhì)，具有自潤滑功能，起到支撐活塞以及活塞加速階段的減阻功能；密封環(huán)為尼拉特隆材質(zhì)。

如圖4所示，高壓驅(qū)動氣體通過前端蓋上的通氣孔作用到密封環(huán)的斜面上，壓力越高，密封環(huán)對管壁的壓力越大，密封越緊；同時(shí)密封環(huán)與管壁之間的摩擦力越大，利于活塞減速。

如圖3所示，兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)2由緩沖墊21、支撐環(huán)22、套筒23以及底座24。套筒23套在底座24的凸起部分，支撐環(huán)22固定在凸起的前端對套筒23進(jìn)行限位，所述緩沖墊21固定在支撐環(huán)上。

兩級緩沖止停機(jī)構(gòu)上的底座、支承環(huán)為金屬材質(zhì)，套筒為具有自潤滑特性的高分子聚合物，緩沖墊為較軟的非金屬材質(zhì)，通過彈性變形緩沖吸能。兩級緩沖止停裝置與壓縮管形成一個(gè)環(huán)形的氣動緩沖腔，當(dāng)活塞進(jìn)入緩沖腔時(shí)，腔內(nèi)氣體受到壓縮，形成緩沖氣墊，活塞的動能轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)氣體的內(nèi)能，此為第一級緩沖；活塞減速，最終以較低的速度撞擊到彈性緩沖墊上，實(shí)現(xiàn)軟著陸，此為第二級緩沖。

具體的，底座、支撐環(huán)材質(zhì)為超硬鋁合金；套筒材質(zhì)為聚酰亞胺；緩沖墊材質(zhì)為硅橡膠，能耐瞬時(shí)高溫，可通過彈性變形吸能。

活塞破膜后，依然有較大的速度，當(dāng)其到達(dá)壓縮管末端時(shí)，如圖5所示，套筒、底座以及壓縮管內(nèi)壁形成環(huán)形氣動緩沖腔(環(huán)形空腔內(nèi)的壓力保持在壓縮管末端氣體壓力的4～6倍范圍)，組成一級緩沖，吸收大部分活塞動能；緩沖墊為二級緩沖，通過彈性變形吸收剩余的活塞動能，實(shí)現(xiàn)活塞軟著陸。

在底座環(huán)形壁面上開有通孔，通孔直徑為5mm，數(shù)量為4個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)氣動緩沖腔內(nèi)的高壓氣體緩慢排出，并減小活塞回彈的可能。

上述緩沖墊還可采用薄壁吸能環(huán)結(jié)構(gòu)，所述吸能環(huán)為帶中心通孔的圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱結(jié)構(gòu)分為三部分，中間部分為薄壁、兩端部分中的一端用于固定，另一端將沖擊力傳遞至中間薄壁，通過薄壁的塑性變形進(jìn)行吸能，薄壁上設(shè)置周向均布的誘導(dǎo)孔，便于塑性變形。薄壁長度與外徑之比的范圍2～5，薄壁外徑與薄壁厚度之比范圍在30～100。

以上對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施例。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在權(quán)利要求書所記載的范疇內(nèi)，顯而易見地能夠想到各種變更例或者修正例，當(dāng)然也屬于本發(fā)明的技術(shù)范疇。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。