本发明涉及一种自由活塞缓冲机构，包括安装底板、内套筒、单向阀、弹簧、缓冲橡胶滑块和末端限位环；安装底板安装在风洞压缩管的末端，用来定位、安装其他的缓冲机构部件；自由活塞碰撞自由活塞缓冲机构后，橡胶滑块向后运动弹簧被压缩提供缓冲力，同时B腔减小，B腔内压力上升，B腔内气体提供缓冲力。本发明实现了自由活塞激波风洞中对末端仍然具有高速度的自由活塞的有效缓冲，且排除了压缩管末端内腔压力变化对缓冲作用的影响，结构紧凑，能提高此类风洞运行的安全性。
1.一种自由活塞缓冲机构，自由活塞(7)在压缩管(8)内移动，其特征在于：包括安装底板(1)、内套筒(2)、单向阀(3)、弹簧(4)和缓冲橡胶滑块(5)；
所述底板(1)为圆环结构，固定在压缩管(8)尾端；
所述内套筒(2)与底板(1)垂直设置，侧壁后段设置单向阀(3)；
缓冲橡胶滑块(5)与套设弹簧(4)套设在内套筒(2)外部，弹簧(4)设置在缓冲橡胶滑块(5)与底板(1)之间；
内套筒(2)的外壁、压缩管的管径内壁、缓冲橡胶滑块(5)的后端面以及安装底板(1)的前端面形成封闭空间；当内套筒(2)内的气体压力大于所述封闭空间内的气体压力时，气体能够通过单向阀(3)进入所述封闭空间；自由活塞(7)以一定的速度运行至压缩管(8)后端碰撞缓冲橡胶滑块(5)。
2.如权利要求1所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：还包括末端限位环(6)，限制缓冲橡胶滑块(5)的轴向位置。
3.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：所述缓冲橡胶滑块(5)的内壁面与内套筒(2)的外壁面形成滑动摩擦副，缓冲橡胶滑块(5)的外壁面与压缩管内壁面留有间隙。
4.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：所述缓冲橡胶滑块(5)包括底盘(5.1)和橡胶块(5.2)；底盘(5.1)包括底环、侧壁和橡胶块固定环，底环为圆环，底盘的侧壁为圆筒，底环垂直设置在底盘的侧壁的底端，橡胶块固定环为圆环结构设置在底盘的侧壁的中后部，橡胶块固定环的外径小于底环的外径；橡胶块(5.2)设置在底环上，底盘的侧壁外，与底盘(5.1)构成圆筒形。
5.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：自由活塞(7)在压缩管(8)中沿轴向运动，自由活塞缓冲机构与压缩管(8)同轴安装。
6.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：安装底板(1)上表面外环侧设置安装止口，与压缩管(8)末端的止口相配合固定；安装底板的上表面内环侧设置定位止口安装内套筒(2)。
7.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：所述的弹簧(4)，为大直径圆柱螺旋弹簧或碟簧。
8.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：所述的弹簧(4)为碟簧，在簧片上设置多个通气孔。
9.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：应用于风洞中，安装底板(1)夹持在压缩管(8)的末端与膜片(10)夹持机构之间。
10.如权利要求1或2所述的自由活塞缓冲机构，其特征在于：安装底板(1)与内套筒(2)的内径相同，均不小于激波管(11)的内径。
一种自由活塞缓冲机构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种自由活塞缓冲机构，应用于自由活塞激波风洞中需要缓冲自由活塞末端高速冲击作用的环境，属于缓冲机构领域。
背景技术
[0002] 自由活塞激波风洞中，于压缩管中高速运行的自由活塞是风洞驱动段的核心部件，用于向前压缩产生符合试验要求的高温高压气体。但高速运行的自由活塞在运动到压缩管末端时，往往任具有较高的速度，这样会在压缩管末端较高压力的状态下发生直接碰撞。若活塞第一次运行到压缩管末端时速度不足，则会在活塞前端高压作用下反弹，待反弹一定距离后，活塞前压力迅速下降到很低的状态，活塞又被后端的压力重新加速，而此时活塞前端压力很低，且气体流入下游激波管、试验段等部件中，压力不会再升高，故活塞会以较高速度运动到压缩管末端，发生反弹碰撞。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自由活塞缓冲机构，对活塞产生足够且稳定的缓冲作用，防止自由活塞或末端的夹膜机构结构被撞坏，是自由活塞激波风洞安全运行的保证。
[0004] 本发明目的通过如下技术方案予以实现：
[0005] 提供一种自由活塞缓冲机构，自由活塞在压缩管内移动，其特征在于：包括安装底板、内套筒、单向阀、弹簧和缓冲橡胶滑块；
[0006] 所述底板为圆环结构，固定在压缩管尾端；
[0007] 所述内套筒与底板垂直设置，侧壁后段设置单向阀；
[0008] 缓冲橡胶滑块与套设弹簧套设在内套筒外部，弹簧设置在缓冲橡胶滑块与底板之间；
[0009] 内套筒的外壁、管径内壁、缓冲橡胶滑块的后端面以及安装底板的前端面形成封闭空间；当内套筒内的气体压力大于所述封闭空间内的气体压力时，气体能够通过单向阀进入所述封闭空间；自由活塞以一定的速度运行至压缩管后端碰撞缓冲橡胶滑块。
[0010] 优选的，还包括末端限位环，限制缓冲橡胶滑块的轴向位置。
[0011] 优选的，所述缓冲橡胶滑块的内壁面与内套筒的外壁面形成滑动摩擦副，外壁面与压缩管内壁面留有间隙。
[0012] 优选的，所述缓冲橡胶滑块包括底盘和橡胶块；底盘包括底环、侧壁和橡胶块固定环，底环为圆环，侧壁为圆筒，底环垂直设置在侧壁的底端，橡胶块固定环为圆环结构设置在侧壁的中后部，橡胶块固定环的外径小于底环的外径；橡胶块设置在底环上，侧壁外，与底盘构成圆筒形。
[0013] 优选的，自由活塞在压缩管中沿轴向运动，自由活塞缓冲机构与压缩管同轴安装。
[0014] 优选的，安装底板上表面外环侧设置安装止口，与压缩管末端的止口相配合固定；上表面内环侧设置定位止口安装内套筒。
[0015] 优选的，所述的弹簧，为大直径圆柱螺旋弹簧或碟簧。
[0016] 优选的，所述的弹簧为碟簧，在簧片上设置多个通气孔。
[0017] 优选的，安装底板夹持在压缩管的末端与膜片夹持机构之间。
[0018] 优选的，安装底板与内套筒的内径相同，均不小于激波管的内径。
[0019] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0020] (1)本发明自由活塞缓冲机构的解决了自由活塞直接碰撞和反弹碰撞两种碰撞形式下，压缩管末端压力变化很大影响高压气缓冲作用的问题。利用橡胶垫环缓冲、高压气体环腔缓冲、大直径弹簧缓冲三种组合缓冲形式，提供高效、稳定的缓冲作用，保证了自由活塞在末端较高速度撞击时不会发生结构损坏。
[0021] (2)本发明利用弹簧提供的缓冲力与腔内气体提供的缓冲力综合叠加，提供与滑块位移接近线性的缓冲力，保证了总缓冲力平稳增加。
[0022] (3)本发明实现了对自由活塞激波风洞中在末端仍然具有高速度的自由活塞的有效缓冲，且排除了压缩管末端内腔压力变化对缓冲作用的影响，结构紧凑，能提高此类风洞运行的安全性。
附图说明
[0023] 图1是本发明自由活塞缓冲机构结构示意图；
[0024] 图2本发明自由活塞缓冲机构碰撞后结构示意图；
[0025] 图3为本发明自由活塞缓冲机构安装示意图；
[0026] 图4为缓冲橡胶滑块结构示意图；
[0027] 图5为本发明缓冲力变化曲线示意图。
具体实施方式
[0028] 下面将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细的说明。
[0029] 结合图3，风洞本体包括压缩管8和激波管11，膜片10通过夹持机构保持在压缩管8和激波管11之间。自由活塞7设置在压缩管8内，可以沿轴向自由移动至压缩管8末端，如果运行到压缩管8末端仍有较高的速度，自由活塞7会与膜片10夹持机构发生直接碰撞，产生损伤。因此本发明增加自由活塞缓冲机构9，设置在压缩管8尾段，膜片10夹持机构的前部。
[0030] 结合图1，适用于自由活塞激波风洞中缓冲自由活塞运动末端冲击作用的自由活塞缓冲机构包括安装底板1、内套筒2、单向阀3、弹簧4、缓冲橡胶滑块5、末端限位环6。自由活塞7在压缩管8中沿轴向运动，活塞轴线与压缩管重合，缓冲机构与压缩管8同轴安装。碰撞后的示意图参见图2。
[0031] 安装底板1为圆环结构，内径与夹膜机构通气直径相同，不小于激波管11的内径，安装底板1夹持在压缩管8的末端与膜片10夹持机构之间；安装底板1上表面设置安装止口，与压缩管8末端的止口相配合固定，保证安装底板1轴线与压缩管8轴线重合。安装底板左侧为膜片10，右侧设置定位止口等结构用来定位、安装内套筒2。
[0032] 内套筒2为长筒状结构。由安装底板1的定位止口安装在安装底板1上。内套筒内径与夹膜机构通气直径相同，用于引出试验气流。外直径与缓冲橡胶滑块5配合，提供橡胶滑块的运动约束。内套筒前端设置螺纹，用于安装末端限位环6。
[0033] 单向阀3按照内套筒径向安装在其后部的筒壁中。缓冲橡胶滑块(5)的后端面、安装底板1的前端面，内套筒2的外壁面以及压缩管8的内壁面形成密闭环腔B。内套筒2内部空间与压缩管末端空间相通，为A腔。单向阀的气流通路方向为从内套筒内表面向外表面的方向，用于在活塞压缩压缩管末端气体引起内套筒内腔即A腔压力升高时，一部分高压气体通过单向阀从A腔流入内套筒外腔即B腔，形成缓冲气体。当安装底板后夹持的膜片破裂，尤其是活塞反弹后发生二次冲击时，A腔的压力下降很大，封闭在B腔内的高压气体被单向阀阻挡不会快速泄出，保证了缓冲气体的压力，即缓冲机构缓冲性能的稳定。
[0034] 弹簧4套装在压缩管内壁面和内套筒外壁面间，为大直径圆柱螺旋弹簧、碟簧等。为碟簧时，需在簧片上设置足够的通气孔，使B腔空间不被分隔。弹簧套装在内套筒外，由压缩管内壁面定位、约束。弹簧用于保持未发生冲击时缓冲橡胶滑块位于内套筒前部，并在碰撞发生时，提供一部分缓冲作用力。
[0035] 结合图4，缓冲橡胶滑块5为一块环状压铸在底盘5.1上的中等硬度橡胶块5.2。底盘5.1包括底环、侧壁和橡胶块固定环，底环为圆环，侧壁为圆筒，底环垂直设置在侧壁的底端，橡胶块固定环为圆环结构设置在侧壁的中后部，橡胶块固定环的外径小于底环的外径。橡胶块5.2设置在底环上，侧壁外，与底盘5.1构成圆筒形。
[0036] 底盘5.1侧壁内壁面与内套筒2的外壁面形成滑动摩擦副，外壁面与压缩管内壁面有一定间隙。缓冲橡胶滑块5用于缓冲活塞接触缓冲机构产生的冲击，并提供部分缓冲作用。
[0037] 末端限位环6为内螺纹圆环，螺旋紧定在内套筒前端外壁上的螺纹副上，用于限定缓冲橡胶滑块的轴向运动，不会脱出内套筒。
[0038] 开始风洞试验后，自由活塞向后运动，对压缩管8内的气体产生压缩作用，导致A腔内的压力迅速升高，一部分高压气体通过单向阀从A腔流入B腔，使B腔内压力升高，压力达到与A腔内压力最高值相当。当膜片10破裂后A腔内的压力迅速降低，自由活塞7碰撞自由活塞缓冲机构9后，橡胶滑块5向后运动弹簧被压缩提供缓冲力，同时B腔减小，B腔内压力上升，B腔内气体提供缓冲力。
[0039] 结合图5，横轴为橡胶滑块5的位移，纵轴F为缓冲力大小，其中曲线1为弹簧提供的缓冲力，曲线3为B腔内气体提供的缓冲力，曲线2为弹簧和B腔内气体提供的总缓冲力，随着橡胶滑块5的位移增加，提供的总缓冲力平稳增加。由该图可以看出，到压缩末端，弹簧无法提供足够的缓冲力，但压缩气体提供了更大的缓冲力，保证了总的缓冲效果。
[0040] 本发明适用于大直径，重活塞的末端缓冲，压缩气体提供的缓冲力最高可达7*106N。
[0041] 以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0042] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
