CN205715062U - 一种具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸，活塞杆为中空状，活塞、活塞杆之间形成杆内容腔；所述杆内容腔与杆外容腔相互连通而且对外部相对封闭，形成缸内气容；所述缸内气容充入并保持有用于返程的压缩气体，形成返程复位气体弹簧，用其取代现有的双作用气缸，节能效果极为显著；用其取代现有的单作用气缸，具有缸体纵向长度尺寸小、重量轻、行程不受局限等优点。本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧单作用气缸，可以为社会有关领域，提供一种节能、环保、生产效率高、通用化程度高的新型气动执行元件。

Description

一种具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸

技术领域

本实用新型涉及气缸领域，主要涉及一种利用缸内气容形成返程复位气体弹簧的单作用气缸。

背景技术

目前，双作用气缸在社会各领域中应用的数量，远远超过单作用气缸。但是，有一个非常重要的经济指标问题，长期以来为绝大多数人所忽视：双作用气缸返回行程浪费的能量，太严重了。

现有双作用气缸之所以返程浪费能量极其严重，在于活塞杆直径d与活塞直径D比值过小，大中型气缸d/D比值一般为20%左右。这就造成气缸的最大回程力，非常接近于其工作行程的最大作用力（设气压传动***额定压力为p，气缸工作行程最大作用力F₁=πD²p/4，最大回程力 F₂=π(D²-d²)p/4；二者之比为F₂/F₁=(D²-d²)/D²=[D²-(0.2D)²)]/D²=0.96=96%）。然而，气缸回程仅需要克服相关运动部位的摩擦力，因该摩擦力而导致的所需返程力，一般都在工作行程最大作用力F₁=πD²p/4的10%以内，低摩擦气缸甚至能够做到在1%以内。因此，现有大中型气缸的返回行程，存在很大的力冗余，而力冗余即意味着能量浪费。

另外，根据气缸耗能计算公式E=pV，也能够反映出现有双作用气缸严重浪费能量的状况。设气缸最大行程为L，气缸无杆腔容积V₁=πD²L/4,有杆腔容积V₂=π(D²-d²)L/4；二者之比为 V₂/V₁=(D²-d²)/D²=[D²-(0.2D)²)]/D²=0.96=96%。这就意味着，现有大中型气缸的返程耗能，高达工作行程耗能的96%左右。而克服相关运动部位摩擦力所需的能量，仅仅为工作行程耗能的10%甚至1%以内，大量的能量被无谓浪费掉了。

从能源总体利用率方面来看，目前气动传动***效率约为20%左右，而液压传动***效率约为40%,前者仅为后者的一半左右。在这一方面，双作用气缸返程耗能浪费巨大，是最为关键的影响因素。

传统双作用气缸存在的如此大的回程力冗余与能量浪费，不仅无谓消耗能源，而且还会产生很大的回程冲击力与噪声污染。一般情况下，现有双作用气缸的端盖上，都需要设置结构甚为复杂的缓冲装置，而换向阀出口都需要加***器。这无疑相应提高了制造成本。

鉴于双作用气缸的返回行程，耗能过多且浪费严重，因此，对于大型与特大型气缸，用单作用气缸取代双作用气缸，具有非常明显的节能效果。因为相对于双作用气缸，单作用气缸返程耗能甚微，甚至在工程概念上可以做到不耗能。这是因为，单作用气缸的返程力，是利用了复位弹簧在气缸工作行程中得到压缩而积蓄的势能，仅需要克服气缸相关密封部位的摩擦力即可。这一摩擦力，相对于气缸的额定输出力甚小，在工程计算上完全可以忽略不计。

但是，现有的单作用气缸存在以下严重缺点：（一）复位弹簧为固态物质材料制造，一般需要占据有杆腔大约50%的轴向空间，因此，现有单作用气缸的缸体长度，约为双作用气缸的2倍。由于缸体长度过长，造成消耗材料过多，总体结构笨重。（二）由于复位弹簧需要占据轴向空间，造成现有的单作用气缸，既不可能在小行程条件下做到纵向尺寸很小，如超薄气缸；又不可能行程很长，如超长行程气缸。（三）复位弹簧的最小返程力，无法根据每只气缸的具体摩擦力进行调整，选取上具有较大的盲目性。为了保险起见，工程师往往选取过大的弹簧返程力，从而导致一定的不经济因素。

顺便提及的是，中国发明专利申请号为201410260757.4 的一种单作用推力缸，虽然能够做成超薄气缸，但不能做成长行程气缸，而且结构复杂。

由于上述缺点的存在，使得单作用气缸，特别是单作用大中型气缸，在社会各领域中的应用数量，远远不及双作用气缸，从而造成了大量的能源浪费。

发明内容

本实用新型的目的是，克服现有弹簧势能复位单作用气缸总体结构笨重，以及现有双作用气缸返程严重浪费能量的缺点，创新设计出一种总体尺寸及重量与双作用气缸相当的单作用气缸，为社会有关领域提供一种节能、环保、通用化程度高的新型气动执行元件。

为达上述目的，本实用新型采用的创新方案是：一种具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸，其活塞杆为中空状，活塞、活塞杆之间形成杆内容腔；所述杆内容腔与杆外容腔相互连通而且对外部相对封闭，形成缸内气容；所述缸内气容充入并保持有用于返程的压缩气体，形成返程复位气体弹簧。

由于上述创新方案的运用，本实用新型与现有气缸相比具有下列优点：

1、本实用新型气缸，利用缸内气容形成返程复位气体弹簧，由于气体为非固态物质，不需要占据任何轴向空间，几乎没有重量，用其代替现有的弹簧返程复位式单作用气缸，能够显著缩短缸体纵向尺寸，节约材料，降低重量；用其代替现有的双作用气缸，能够实现大幅度节能，可显著提高气缸使用企业的经济效益。

2、本实用新型气缸在小行程条件下，可以像现有双作用气缸一样做成超薄气缸；而本实用新型的中空状活塞杆的直径与刚度，较现有气缸的实心活塞杆有了大幅度提高，因而可以做成超长行程气缸。也就是说，本实用新型不仅极为显著地扩大了单作用气缸的应用范围，而且提高了双作用气缸的功能，可以全面取代现有的单作用与双作用气缸，具有很高的通用化程度。

3、本实用新型气缸在工作行程中，有杆腔内始终存在气容背压，没有压缩空气排出，所以不产生出口噪音，运动平稳性好，对前端盖的冲击力小；此外，返回行程的返程推力较小，故作用在气缸后端盖上的冲击力也很小。因此，气缸前、后端盖上的缓冲装置及相应的消音器，一般可以省略或简化，从而降低制造成本。

4、本实用新型气缸的返程复位气体弹簧的返程推力，可以根据具体气缸的实际摩擦力大小，来调整及确定返程时缸内气容的压力，所以能够做到最小的返程力冗余。这一点，是现有的弹簧复位返程的单作用气缸，无论如何也做不到的。

需要特别说明的是，本实用新型气缸中的返程复位气体弹簧，与现有的气体弹簧，如氮气弹簧等，有着本质的区别。现有气体弹簧，如氮气弹簧等，是一个相对独立的封闭部件，根本无法在气缸内部使用。而本实用新型气缸中的返程复位气体弹簧，是利用缸内气容自然形成，不需要占据任何轴向空间。

附图说明

本实用新型一种具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸的结构原理图如下，其中图1为工作行程状态，图2为返回行程状态。

图中，1、活塞；2、活塞杆；3、杆内容腔；4、杆外容腔；5、空气流通孔6、二位三通换向阀7、压力开关。

具体实施方式

附图1与2是本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧单作用气缸的一个具体实施例。下面，结合该具体实施例，来对本实用新型的技术方案作进一步阐述。

本实用新型单作用气缸具体实施例的工作原理是：气缸的活塞杆2为中空状，与活塞1形成杆内容腔3；活塞1、活塞杆2与缸体等自然形成杆外容腔4；活塞1与活塞杆2的交接处，设有空气流通孔5，使得杆内容腔3与杆外容腔4实现互通；互通的杆内容腔3与杆外容腔4，由于活塞1与活塞杆2的密封结构而实现对外部相对封闭，形成缸内气容；缸内气容充入并保持有用于返程的压缩气体，形成返程复位气体弹簧。

当二位三通换向阀6处于如图1所示左位工作时，气缸为工作行程，其无杆腔内进入压缩空气，推动活塞1与活塞杆2向右运动；杆外容腔4内的根据返程力需要而确定压力的压缩气体，通过空气流通孔5，部分流入杆内容腔3；该过程中，根据理想气体的状态方程p₁V₁T₁=p₂V₂T₂，缸内气容压力逐渐有所增加。但由于杆内容腔3的容积明显大于杆外容腔4，的容积，所以压力增加的幅度不是很大。由于背压提高，气体弹簧作用于活塞右端面的返程力也有所增加。

当二位三通换向阀6切换至右位工作时，气缸的无杆腔通向大气，杆内容腔3内的用于返程的压缩气体，通过空气流通孔5，部分流入杆外容腔4；气体弹簧作用于活塞1右端面上的返程力，推动活塞1与活塞杆2向左运动，进行返程复位。该过程中，根据理想气体的状态方程p₁V₁T₁=p₂V₂T₂，缸内气容压力逐渐有所降低，但降低幅度不是很大。如图2所示。

向缸内气容充入并保持有返程压缩气体的控制装置，可以有许多种技术方案，此处限于篇幅不予赘述。无论气缸在何种工作状态下，只要缸内气容的压力，因为泄漏等原因而低于压力开关7调整的最低压力时，控制***便会发出信号，压缩空气便会从外部充入缸内气容。而一旦缸内气容压力达到压力开关7调整的最高压力，控制***又会发出信号而停止充气。由于缸内气容形成的返程复位气体弹簧的作用力，可以根据每个气缸的实际摩擦力，来对压力开关7进行现场调整，所以能够最大限度地降低返程作用力冗余。这一点，是弹簧复位返程的现有单作用气缸，所根本不可能做到的。

需要特别提醒注意的是，对缸内气容进行充气，一般是为了补充泄漏，其次数是很少的。

由附图1、2可以看出，除了活塞杆2为中空状外，本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸，与现有双作用气缸的结构极为类似。所以在缸体纵向尺寸相同的条件下，二者行程是一样的。但本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸，返程耗能甚微，或基本不耗能；而现有双作用气缸返程耗能接近于工作行程耗能。因此，采用本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸，取代现有双作用气缸，节能效果极为显著。此外，由于本实用新型活塞杆2为中空状，其直径及刚度较现有气缸的实心活塞杆有了大幅度增加，方便于做成超长行程气缸。

当然也不难分析出，用本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸，取代现有的弹簧返程复位式单作用气缸，不仅能够显著缩短缸体纵向尺寸，降低结构重量，而且能够在小行程条件下，可以像现有双作用气缸一样做成超薄气缸。

仅从结构原理图上来看，许多人也许会认为，本实用新型具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸的制造成本，会高于现有的双作用气缸，实际情况却并非如此。这是因为，现有的双作用气缸，前后端盖上都需要设置结构甚为复杂的缓冲装置。而本实用新型气缸，由于工作行程始终存在返程气容背压，而返回行程的力较小，故而气缸前后端盖上的缓冲装置，可以省略或简化。所以其综合制造成本，反倒会低于现有的双作用气缸。此外，本实用新型气缸在工作行程中，有杆腔内没有压缩气体排出，不产生噪音，可以省掉一个消音器。

上述具体实施例，采用活塞-活塞杆组件为运动组件，但根据同一发明思路，当然也可以设计出活塞-活塞杆组件固定、缸体组件运动的双作用节能气缸。

上述实施例只是为了说明本实用新型的创新构思与技术特点，但本实用新型的保护范围并不局限于上述特定的具体实施方式。凡根据本实用新型创新构思实质与技术特点而所进行的各种等效变化或局部性的修饰，特别是活塞-活塞杆组件的等效结构变化等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有缸内返程复位气体弹簧的单作用气缸，其特征在于：活塞杆为中空状，活塞、活塞杆之间形成杆内容腔；所述杆内容腔与杆外容腔相互连通而且对外部相对封闭，形成缸内气容；所述缸内气容充入并保持有用于返程的压缩气体，形成返程复位气体弹簧。