CN110792718B - 一种变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒 - Google Patents

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Abstract

本发明属于火工作动装置领域，具体涉及一种变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒，该推力筒包括壳体、一级活塞、液压油、芯级活塞、前封头、挡圈；壳体与一级活塞之间的容腔与一级活塞与芯级活塞之间的容腔装有液压油形成两个储油腔，两个储油腔通过一级活塞上径向设置的过油孔相通。本发明由于采用了径向布置过油孔的方案，利用芯级活塞的外锥面和前封头内锥面对过油孔的遮挡，实现了启动与到位的变阻尼功能，降低了启动及到位冲击，相比于原有针孔阻尼结构，该推力筒结构空间利用率高，有效行程大。

Description

一种变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒
技术领域
本发明涉及一种带启动与到位变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒，适用于导弹弹翼展开、卫星太阳帆板展开等要求运动过程平稳、启动及到位冲击小的导弹武器、航空航天等领域。
背景技术
火工作动装置依靠火药燃烧，能够在极短的时间内释放出相当大的能量，并转化成机械能输出做功，以完成预定程序动作。相较于传统电力驱动，火工作动筒装置体积小重量轻，更适用于一次性作动的工况。随着航空航天技术的发展，在运载火箭、人造卫星、导弹武器***上的运用越加广泛。
传统火工作动筒以输出推力为主，无需考虑阻尼。但在导弹弹翼展开，卫星荷载驱动或太阳帆板展开等工况，要求驱动平稳，启动与到位冲击小，传统无阻尼作动筒难以满足需求。液压阻尼利用液体阻尼作用以提供运动的阻力，耗减物体运动能量以起一定程度保护作用，将液压阻尼技术与火工作动筒结合将能解决上述问题。
目前，火工液压阻尼作动筒在航空航天领域已经有所应用，其阻尼结构也分为变阻尼与恒定阻尼。由于部分工况如导弹弹翼展开，为避免弹翼到位冲击过大导致结构破坏，要求展开时间短但到位速度小，故常采用变阻尼结构。
常用变阻尼火工液压阻尼作动筒采用针孔变阻尼结构：过油孔轴向布置，在过油孔两侧均设置有一个密封活塞，其中一个活塞上有一堵针。工作时，燃气推动活塞运动，将液压油压至过油孔的另一侧以实现阻尼作动；在活塞运动到一定位置后，堵针进入过油孔，减小过油截面积以实现变阻尼。由于针孔阻尼结构需要轴向布置储油腔，占用了轴向空间，作动装置有效行程占比(有效行程/作动筒本体长度)较小，不适应于对行程要求较大的工况，且仅有到位变阻尼，不适用于对启动冲击要求严格的工况。
传统的非火工多级液压阻尼驱动装置依靠外置油泵将液压油压入多级活塞内部以实现功能，在地面设备或民用领域被广泛使用。但由于这种方式需要外置储油腔与加压装置，体积大且较为笨重，不适用于对体积与重量要求较高的航空航天领域。目前，就国内火工品领域而言，火工阻尼作动筒普遍为单级结构，行程较小。
阻尼力与活塞运动速度相关，作动筒启动时活塞由静止开始加速，故初始状态阻尼小。由于火药燃烧剧烈，燃气推力大，但此时阻尼小，致使其初始冲击较大。在航天领域，特别是卫星上带精密设备荷载的位移驱动，要求整个运动全程冲击小，即启动及到位时冲击小，目前常规的仅带到位变阻尼的火工阻尼结构并不适应用于上述工况。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有火工液压阻尼作动筒有效行程占比(行程/作动筒本体)较小且仅有到位缓冲，无法满足大行程低冲击驱动需求的问题，提供一种空间利用率高、行程较大的二级火工液压阻尼作动筒，且启动及到位均带变阻尼降冲击功能。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒：包括壳体、一级活塞、液压油、芯级活塞、前封头、挡圈；壳体与一级活塞的活塞杆之间的容腔装有液压油形成储油腔Ⅰ，一级活塞与芯级活塞之间的容腔内装有液压油形成储油腔Ⅱ，两个储油腔通过一级活塞上径向设置的过油孔相通；所述的前封头安装在储油腔Ⅰ右端部，挡圈安装在一级活塞右端部，前封头内孔左端与芯级活塞左端锥台加工有一定锥度，前封头的内孔的内表面为锥面，内孔的孔径由左至右逐渐减小，芯级活塞左端的锥台外表面为锥面，锥台的外径由左至右逐渐增大。
所述壳体内径、一级活塞的内径与小端外径三者之间存在一定关系，即：壳体与一级活塞的活塞杆之间组成的环状储油腔Ⅰ的截面积等于储油腔Ⅱ的截面积等于一级活塞内腔截面积。
一级活塞在壳体中可运动的距离小于芯级活塞在一级活塞中可运动的距离。所述壳体、一级活塞、与芯级活塞之间均为间隙配合，依次嵌套后可沿轴向相互运动，壳体和一级活塞之间设置有O形密封圈，芯级活塞和一级活塞之间设置有O形密封圈，在运动过程中实现动密封。
所述一级活塞包括活塞盘和活塞杆，靠近活塞盘的位置径向布置有过油孔，过油孔的长径比不大于2/1，能够在保证结构强度与加工工艺性的同时减轻液体粘度对液体流速的影响。
前封头内外两侧均布置有凹槽用于安装O形密封圈，其中前封头与一级活塞之间设置有O形密封圈，前封头与壳体之间设置有O形密封圈；前封头外侧O形密封圈与壳体压紧后实现静密封，前封头内侧O形密封圈与一级活塞的活塞杆配合实现动密封，同时前封头实现了一级活塞的限位；挡圈安装在一级活塞右端部实现对芯级活塞的限位。
所述前封头外侧与一级活塞的活塞杆为间隙配合，导向的同时依靠O形密封圈实现动密封，在前封头靠近储油腔Ⅰ的内侧加工有锥面，大口朝向储油腔Ⅰ，且锥面的轴向长度等于一级活塞上过油孔中心与活塞盘右端面的距离，过油孔在进入锥面后受锥面遮挡，液体流速逐渐减小以实现到位强缓冲。
所述芯级活塞包括锥台和活塞盘，芯级活塞尾部靠近储油腔Ⅱ的一侧加工有锥台，锥台与活塞盘相接，锥台高度等于一级活塞上过油孔中心与活塞盘右端面的距离。作动筒在启动时，由于锥台对过油孔的遮挡效果，致使液体流速逐渐增大以实现启动时降冲击。
两个储油腔内装满液压油(无气泡)，液压油的总体积等于壳体与一级活塞组成的容腔的最大值和一级活塞与芯级活塞组成容腔的最小值。
所述的变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒还包括燃气发生器，燃气发生器安装位置不限于图1中径向安装的方式，可布置在作动筒侧面，也可布置在作动筒轴向，能将燃气排入壳体内的动力腔即可。工作时，燃气推动一级活塞运动压缩环形容腔内的液压油，使其进入一级活塞内部驱动芯级活塞实现二级阻尼作动；一级活塞启动与到位时，利用锥面对过油孔的遮挡程度的变化实现变阻尼效果，启动时过油面积由小变大，到位时过油面积由大变小，降低启动及到位的冲击。
本发明所述的变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒的工作原理为：工作时，燃气发生器产生燃气推动一级活塞运动，一级活塞运动时压缩环形容腔内的液压油，通过一级活塞左端的过油孔产生阻尼效果，使其进入一级活塞内部驱动芯级活塞实现二级阻尼作动；作动筒启动时，受芯级活塞锥面遮挡效果，此时阻尼力较大，随着一级活塞运动，芯级活塞锥面与过油孔的间隙越来越大，对过油孔的遮挡效果越来越弱，阻尼力逐渐减小，启动时阻尼力由大变小，实现推力输出的由小变大以实现启动时降冲击；由于液体的不可压缩特性，液压油进入一级活塞内部后作用于芯级活塞，驱使其运动，作动筒工作到位时，过油孔被前封头锥面遮挡，阻尼力逐渐增大以实现到位强缓冲。
文中所述的左端为靠近燃气发生器的一端，右端为远离燃气发生器的一端。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明提出了一种空间利用率高，有效行程大的二级火工液压阻尼作动方案，通过采用一级活塞与壳体之间的空间以及一级活塞与芯级活塞的空间储油、径向布置过油孔的方案，使得每级活塞的运动行程占比均大于原有针孔阻尼结构，利用液体的不可压缩特性实现的两级活塞作动，使得作动筒输出的总行程相较于已有火工液压阻尼作动结构得到了质的提高；
(2)本发明通过利用芯级活塞的外锥面对过油孔的遮挡实现启动时阻尼由大变小；利用前封头内锥面对过油孔的遮挡实现了到位变阻尼由小变大，降低了启动及到位冲击，启动及到位两次变阻尼效果极大的降低了火工品工作时对于荷载的冲击，相较于现有火工阻尼作动筒阻尼效果单一，本发明更能适用在精密设备的驱动；
(3)本发明的两级活塞同步运动，始终由芯级活塞输出力，相较于传统二级活塞在一级活塞运动到位时由于燃气作用面积突变导致推力突变，本发明工作全程输出推力均匀稳定。
附图说明
图1为本发明提供的二级火工液压阻尼推力筒原理结构图；
图2为本发明提供的二级火工液压阻尼推力筒工作到位状态原理结构图；
图3为本发明提供的二级火工液压阻尼推力筒的一级活塞结构图；
图4为本发明提供的二级火工液压阻尼推力筒的芯级活塞结构图。
附图标记：
1、壳体；2、一级活塞；3、液压油；4、芯级活塞；5、前封头；6、挡圈；7、燃气发生器；8、O形密封圈；9、O形密封圈；10、O形密封圈；11、O形密封圈；21、活塞盘；22、过油孔；23、活塞杆；41、锥台；42、活塞盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
作动筒驱动荷载运动时，最大冲击出现在荷载开始运动及到位时。阻尼力与活塞运动速度的相关，作动筒启动时活塞由静止开始加速，故初始状态阻尼力小。由于火药燃烧剧烈，燃气推力大，但此时阻尼小，荷载加速度大，致使其初始冲击较大；到位时荷载由一定速度突然停止，故冲击较大。在航天领域，特别是卫星上带精密设备荷载的位移驱动，要求整个运动全程冲击小，即启动及到位时冲击小。
基于上述发明构思，本发明公开了一种变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒，如图1所示，该推力筒包括：壳体1、一级活塞2、液压油3、芯级活塞4、前封头5、挡圈6、燃气发生器7与O形密封圈8～11，壳体1与一级活塞2的活塞杆之间的容腔装有液压油3形成储油腔Ⅰ，一级活塞2与芯级活塞4之间的容腔内装有液压油3形成储油腔Ⅱ，两个储油腔通过一级活塞2上径向设置的过油孔22相通；所述的前封头5安装在储油腔Ⅰ右端部，挡圈6安装在一级活塞2右端部，前封头5内孔左端与芯级活塞4左端锥台加工有一定锥度，前封头5的内孔的内表面为锥面，内孔的孔径由左至右逐渐减小，芯级活塞4左端的锥台外表面为锥面，锥台的外径由左至右逐渐增大。两个储油腔内装满液压油，液压油3的总体积等于壳体1与一级活塞2组成的容腔的最大值和一级活塞2与芯级活塞4组成容腔的最小值。
所述的壳体1、一级活塞2、与芯级活塞4均为间隙配合，依次嵌套后可沿轴向相互运动，壳体1和一级活塞2之间设置有O形密封圈11，芯级活塞4和一级活塞2之间设置有O形密封圈10，在运动过程中实现动密封。
如图3所示，所述一级活塞2包括活塞盘21、过油孔22和活塞杆23，靠近活塞盘21的位置径向布置有过油孔22，过油孔的长径比不大于2/1，能够在保证结构强度与加工工艺性的同时减轻液体粘度对液体流速的影响。
所述的前封头5内外两侧均布置有凹槽用于安装O形圈8、9，其中前封头5与一级活塞2之间设置有O形密封圈8，前封头5与壳体1之间设置有O形密封圈9；前封头外侧O形圈9与壳体1压紧后实现静密封，前封头内侧O形圈8与一级活塞2的活塞杆配合实现动密封，同时前封头5实现了一级活塞1的限位；挡圈6安装在一级活塞2端部实现对芯级活塞4的限位。
所述前封头5外侧与一级活塞2的活塞杆23为间隙配合，导向的同时依靠O形密封圈8实现动密封，所述前封头5靠近储油腔Ⅰ的内侧加工有一定锥度，大口朝向储油腔Ⅰ，锥面与一级活塞2活塞杆23的最大间隙约为过油孔孔径的2倍，锥面的轴向长度等于一级活塞2上过油孔22中心与活塞盘21右端面的距离，斜度一般取1：5～1：3。
如图4所示，所述芯级活塞4包括锥台41和活塞盘42，所述芯级活塞4尾部靠近储油腔Ⅱ的一侧加工有锥台41，锥台41与活塞盘42相接，无台阶，锥台高度等于一级活塞2上过油孔22中心与活塞盘21右端面的距离，锥台的斜度与前封头5内侧锥面相同。作动筒启动时，受芯级活塞4锥面遮挡效果，此时阻尼力较大，随着一级活塞2运动，芯级活塞4锥面与过油孔的间隙越来越大，对过油孔的遮挡效果越来越弱，阻尼力逐渐减小以实现启动时降冲击；作动筒工作到位时，过油孔被前封头5锥面遮挡，阻尼力逐渐增大以实现到位强缓冲。
壳体1与一级活塞2的活塞杆之间组成的环状储油腔Ⅰ的截面积等于一级活塞2内腔截面积，且一级活塞2在壳体1中可运动的距离略小于芯级活塞4在一级活塞2中可运动的距离，距离约小于2％。上述约束条件能够在实现尽量大行程占比的同时，保证作动筒工作到位后一级活塞2与前封头5端面贴合，以承受到位后的燃气推力，避免到位后燃气推力持续压迫液压油导致泄露隐患。
由于液压传动***在实现阻尼的同时起了类似于动滑轮的作用，两级活塞在运动过程中等比展开，一级活塞与芯级活塞速度比为1：2，在燃气压力一定的情况下，输出推力始终相同，输出推力大小等于燃气作用在一级活塞上推力的0.5倍。
所述的变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒，依靠燃气发生器7内的火药燃烧产生的高温高压燃气驱动以实现功能，燃气发生器安装位置不限于图1中径向安装的方式，亦可布置在作动筒轴向，能将燃气排入壳体1内的动力腔即可。
工作时，燃气发生器7产生燃气推动一级活塞2运动，一级活塞2运动时压缩环形容腔内的液压油3，使其通过一级活塞根部的过油孔产生阻尼效果；由于受芯级活塞4锥面的遮挡效果，启动时阻尼力由大变小，实现推力输出的由小变大以降低冲击。由于液体的不可压缩特性，液压油3进入一级活塞内部后作用于芯级活塞4，驱动其运动，如图2所示，在一级活塞快运动到位时，过油孔进入前封头5并被前封头遮挡，阻尼力逐渐增大以实现到位强缓冲，液压油流速降低实现变阻尼。
文中左端为靠近燃气发生器7的一端，右端为远离燃气发生器7的一端。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种变阻尼的二级火工液压阻尼推力筒，其特征在于：包括壳体(1)、一级活塞(2)、液压油(3)、芯级活塞(4)、前封头(5)、挡圈(6)和燃气发生器(7)；
壳体(1)、一级活塞(2)、与芯级活塞(4)依次嵌套后沿轴向相互运动；其中，壳体(1)、一级活塞(2)、芯级活塞(4)之间均为间隙配合，一级活塞(2)在壳体(1)中运动的距离小于芯级活塞(4)在一级活塞(2)中运动的距离；
一级活塞(2)包括：活塞盘Ⅰ(21)和活塞杆(23)；其中，活塞杆(23)上靠近活塞盘Ⅰ(21)的位置径向布置有过油孔(22)，过油孔(22)的长径比不大于2/1，在保证结构强度与加工工艺性的同时减轻液体粘度对液体流速的影响；
壳体(1)与一级活塞(2)的活塞杆(23)之间的容腔形成储油腔Ⅰ，一级活塞(2)与芯级活塞(4)之间的容腔形成储油腔Ⅱ，储油腔Ⅰ和储油腔Ⅱ内装有液压油(3)，并通过一级活塞(2)上径向设置的过油孔(22)相通；储油腔Ⅰ和储油腔Ⅱ的截面积相同；储油腔Ⅰ和储油腔Ⅱ内液压油的总体积等于壳体(1)与一级活塞(2)组成的容腔的最大值和一级活塞(2)与芯级活塞(4)组成容腔的最小值之和；
芯级活塞(4)包括：锥台(41)和活塞盘Ⅱ(42)；锥台(41)与活塞盘Ⅱ(42)相接，锥台(41)高度等于一级活塞上过油孔(22)中心与活塞盘Ⅰ(21)右端面的距离；作动筒在启动时，由于锥台(41)对过油孔(22)的遮挡效果，致使液体流速逐渐增大以实现启动时降冲击；
前封头(5)安装在储油腔Ⅰ右端部，前封头(5)外侧与一级活塞(2)的活塞杆(23)为间隙配合；前封头(5)的内孔的内表面为锥面，内孔的孔径由左至右逐渐减小，前封头(5)的内孔的锥面的轴向长度等于一级活塞(2)上过油孔(22)中心与活塞盘Ⅰ(21)右端面的距离，过油孔(22)在进入锥面后受锥面遮挡，液体流速逐渐减小以实现到位强缓冲；
挡圈(6)安装在一级活塞(2)右端部，实现对芯级活塞(4)的限位；
前封头(5)与一级活塞(2)之间设置有第一O形密封圈(8)，与一级活塞(2)的活塞杆(23)配合实现动密封，同时实现对一级活塞(2)的限位；
前封头(5)与壳体(1)之间设置有第二O形密封圈(9)，实现静密封；
芯级活塞(4)和一级活塞(2)之间设置有第三O形密封圈(10)，壳体(1)和一级活塞(2)之间设置有第四O形密封圈(11)，在运动过程中实现动密封；
燃气发生器(7)布置在壳体(1)侧面或布置在壳体(1)的轴向；
作动筒驱动荷载运动时，最大冲击出现在荷载开始运动及到位时；阻尼力与活塞运动速度相关，作动筒启动时活塞由静止开始加速，故初始状态阻尼力小；由于火药燃烧剧烈，燃气推力大，但此时阻尼小，荷载加速度大，致使其初始冲击较大；到位时荷载由一定速度突然停止，故冲击较大；工作时，燃气发生器(7)产生燃气推动一级活塞(2)运动压缩环形容腔内的液压油，使液压油进入一级活塞(2)内部驱动芯级活塞(4)实现二级阻尼作动；一级活塞(2)启动与到位时，利用锥面对过油孔(22)的遮挡程度的变化实现变阻尼效果，启动时过油面积由小变大，到位时过油面积由大变小，降低启动及到位的冲击。
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