阅读说明：本技术 一种恒压变容式气动系统储气装置 (Constant-pressure variable-volume type pneumatic system gas storage device ) 是由 王志文 王虎 熊伟 童郑人 董欣 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种恒压变容式气动系统储气装置,恒压储气气缸的无杆腔侧用于接收来自空压机的压缩空气并向用气回路输出恒压压缩空气；受压气缸的无杆腔侧密封有压缩惰性气体；所述异形凸轮为中空结构；所述异形凸轮设置有豁口Ⅰ和豁口Ⅱ,所述豁口Ⅰ包括限位边Ⅰ以及曲线滑动边,活塞杆Ⅰ端部设置横杆Ⅰ,所述横杆Ⅰ两端分别位于两个所述豁口Ⅰ内且能够沿所述曲线滑动边滑动；所述豁口Ⅱ包括限位边Ⅱ以及直线滑动边,所述受压气缸的活塞杆Ⅱ端部设置横杆Ⅱ,所述横杆Ⅱ两端分别位于两个所述豁口Ⅱ内且能够沿所述直线滑动边滑动。本发明的技术方案解决了传统定容式储气罐功能单一,无法实现恒压输出压缩空气特性,不能满足降压节能需求的问题。(The invention provides a constant-pressure variable-volume pneumatic system air storage device.A rodless cavity side of a constant-pressure air storage cylinder is used for receiving compressed air from an air compressor and outputting constant-pressure compressed air to an air use loop; compressed inert gas is sealed at the side of the rodless cavity of the pressurized cylinder; the special-shaped cam is of a hollow structure; the special-shaped cam is provided with a gap I and a gap II, the gap I comprises a limiting edge I and a curve sliding edge, a cross rod I is arranged at the end part of a piston rod I, and two ends of the cross rod I are respectively positioned in the two gaps I and can slide along the curve sliding edge; opening II includes spacing limit II and the limit that slides of straight line, II tip of the piston rod of pressurized cylinder set up horizontal pole II, II both ends of horizontal pole are located two respectively in opening II and can follow the limit that slides of straight line. The technical scheme of the invention solves the problems that the traditional constant volume type air storage tank has single function, cannot realize the characteristic of outputting compressed air at constant pressure and cannot meet the requirements of pressure reduction and energy conservation.)

一种恒压变容式气动系统储气装置

技术领域

本发明涉及机械组件技术领域，具体而言，尤其涉及一种恒压变容式气 动系统储气装置。

背景技术

气动技术使用压缩空气作为工作介质，空气廉价，但是压缩空气却是 昂贵的能源载体，为生产压缩空气需要消耗大量的电能，其中50％～85％ 的电能都以热能的形式浪费掉。在整个气动系统中，需要通过空压机获得 压力较大的压缩空气，将压缩空气存储于储气罐中，然后经过减压阀，再 将压缩空气送入工作气路中，可见气动系统中最高的压力区间位于空压机 和减压阀之间，空压机增加空气压力，减压阀将压缩空气压力降低并稳定在工作气路所需的压力值，中间必须有储气罐对压缩空气存储缓冲。在压 缩空气的压力一高一低的变化过程中，增加了对能量的消耗。最理想的情 况是产气侧压力等于用气侧压力，而传统的定容式储气罐主要用来储气， 缓冲稳压和分离杂质，无法实现气动系统中产气侧和用气侧的动态平衡，也 就无法实现理想的降压节能。

目前正在研究的能够实现降压节能的方法主要是通过空压机(集群) 先进控制来实现产气侧和用气侧的压缩空气和流量的近实时平衡，但是当 前气动系统恒压变量节能控制的实际应用效果并不理想，主要存在以下四 个缺点：(1)压力流量预测算法不够准确，先进控制技术的核心在于高 精度的压力流量预测算法，但是当前并没有一种很好的预测算法被提出； (2)不具有普适性，目前已有的压缩机(集群)控制技术普适性差、实 际应用限制条件多；(3)要使用笨重的大体积储气罐，恒压变量控制系 统中传统储气罐的储气压力低，能量密度小，为满足间歇性大流量工况需 求，就必须使用比传统控制系统容量大得多的储气罐；(4)压缩空气生 产成本高，大多数中小企业仍未意识到压缩空气生产的高成本才是气动系 统全生命周期总成本的绝对主导因素。

发明内容

根据上述提出传统定容式储气罐功能单一，无法实现恒压输出压缩空气 特性，不能满足降压节能的需求的技术问题，而提供一种恒压变容式气动系 统储气装置。本发明主要使用异形凸轮实现恒压变容储气，不需要高级的控 制方式，即可实现气动系统降压节能，能够取代传统的定容式储气罐。

本发明采用的技术手段如下：

一种恒压变容式气动系统储气装置，包括恒压储气气缸、受压气缸和异 形凸轮；

所述恒压储气气缸的无杆腔侧为压缩空气存储区，用于接收来自空压机 的压缩空气并向用气回路输出恒压压缩空气；

所述受压气缸的无杆腔侧密封有压缩惰性气体；

所述异形凸轮为中空结构，所述恒压储气气缸和所述受压气缸分别设置 于所述异形凸轮的两侧；

所述异形凸轮朝向所述恒压储气气缸的一端设置有两个呈中心对称的豁 口Ⅰ，所述豁口Ⅰ包括一条与所述恒压储气气缸的活塞杆Ⅰ相平行的限位边 Ⅰ以及一条曲线滑动边，所述活塞杆Ⅰ端部设置与所述活塞杆Ⅰ相互垂直的 横杆Ⅰ，所述横杆Ⅰ两端分别位于两个所述豁口Ⅰ内且能够沿所述曲线滑动 边滑动；

所述异形凸轮朝向所述受压气缸的一端设置有两个呈中心对称的豁口 Ⅱ，所述豁口Ⅱ包括一条与所述受压气缸的活塞杆Ⅱ相平行的限位边Ⅱ以及 一条直线滑动边，所述活塞杆Ⅱ端部设置与所述活塞杆Ⅱ相互垂直的横杆Ⅱ， 所述横杆Ⅱ两端分别位于两个所述豁口Ⅱ内且能够沿所述直线滑动边滑动；

所述豁口Ⅰ与所述豁口Ⅱ的位置一一对应。

进一步地，所述异形凸轮满足如下关系式：

其中，θ为所述异形凸轮的转角；k₁为所述曲线滑动边上某一点所在切 线的斜率；k₂为所述直线滑动边的斜率；R为所述异形凸轮的旋转半径；p_close0为所述受压气缸中预充惰性气体的气压值；v_close0为所述受压气缸中预充惰性 气体的体积；P_open为所述恒压储气气缸中需要输出的恒压压缩空气的气压 值；n为多变指数；所述恒压储气气缸与所述受压气缸的横截面积相等，且 所述恒压储气气缸的活塞面积等于所述受压气缸的活塞面积，即式中的A。

进一步地，所述压缩空气存储区设置两个气路通孔，分别为与空压机相 连通的进气口和与用气回路相连通的出气口；所述进气口用于接收来自空压 机的压缩空气，所述出气口用于向用气回路输出恒压压缩空气；所述恒压储 气气缸的有杆腔一侧直接与大气相通。

进一步地，所述受压气缸的无杆腔侧设置一个可被密封的气路通孔，所 述气路通孔在被密封前，通过所述气路通孔向所述受压气缸的无杆腔通入压 缩空气；所述受压气缸的有杆腔直接与大气相通。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的恒压变容式气动系统储气装置，可以取代传统定容式储气 罐完成储气、缓冲稳压、分离杂质的功能；本发明不需要使用传统定容式储 气罐加高级控制的方法即可实现降压节能，与传统定容式储气罐相比，增加 了恒压输出压缩空气能力，只需使用简单的双位控制方法，即可适应现阶段 气动系统降压节能的需求，并且结构简单易于将现有的传统定容式储气罐升 级为本发明产品，满足中小企业以极低成本完成产品改造升级的需求。

综上，应用本发明的技术方案使用异形凸轮实现恒压变容储气，不需要 高级的控制方式，即可实现气动系统降压节能，能够取代传统的定容式储气 罐。因此，本发明的技术方案解决了传统定容式储气罐功能单一，无法实现 恒压输出压缩空气特性，不能满足降压节能的需求的问题。

基于上述理由本发明可在储能和气动节能等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述恒压变容式气动储气装置的结构示意图。

图2为本发明所述恒压变容式气动储气装置的纵向剖面图。

图3为本发明所述异形凸轮结构示意图。

图中：1、恒压储气气缸；2、活塞杆Ⅰ；3、异形凸轮；4、活塞杆Ⅱ； 5、受压气缸；6、横杆Ⅰ；7、限位边Ⅰ；8、曲线滑动边；9、横杆Ⅱ；10、 限位边Ⅱ；11、直线滑动边。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本 发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意 图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外 明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当 在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步 骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布 置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描 述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对 于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在 适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这 里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不 是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意 到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一 个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、 右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关 系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、 “在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所 示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空 间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的 不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造 上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或 构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上 方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其 他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相 对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件， 仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有 特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供了一种恒压变容式气动系统储气装置，包括 恒压储气气缸1、受压气缸5和异形凸轮3；

所述恒压储气气缸1的无杆腔侧为压缩空气存储区，用于接收来自空压 机的压缩空气并向用气回路输出恒压压缩空气；所述压缩空气存储区设置两 个气路通孔，分别为与空压机相连通的进气口和与用气回路相连通的出气 口；所述进气口用于接收来自空压机的压缩空气，所述出气口用于向用气回 路输出恒压压缩空气；所述恒压储气气缸1的有杆腔一侧直接与大气相通；

所述受压气缸5的无杆腔侧密封有压缩空气；所述受压气缸5的无杆腔 侧设置一个可被密封的气路通孔，所述气路通孔在被密封前，通过所述气路 通孔向所述受压气缸的无杆腔通入压缩空气；所述受压气缸5的有杆腔直接 与大气相通；

所述异形凸轮3为中空结构，所述恒压储气气缸1和所述受压气缸5分 别设置于所述异形凸轮3的两侧；

所述异形凸轮3朝向所述恒压储气气缸1的一端设置有两个呈中心对称 的豁口Ⅰ，所述豁口Ⅰ包括一条与所述恒压储气气缸1的活塞杆Ⅰ2相平行 的限位边Ⅰ7以及一条曲线滑动边8，所述活塞杆Ⅰ2端部设置与所述活塞杆 Ⅰ2相互垂直的横杆Ⅰ6，所述横杆Ⅰ6两端分别位于两个所述豁口Ⅰ内且能 够沿所述曲线滑动边8滑动；

所述异形凸轮3朝向所述受压气缸5的一端设置有两个呈中心对称的豁 口Ⅱ，所述豁口Ⅱ包括一条与所述受压气缸5的活塞杆Ⅱ4相平行的限位边 Ⅱ10以及一条直线滑动边11，所述活塞杆Ⅱ4端部设置与所述活塞杆Ⅱ4相 互垂直的横杆Ⅱ9，所述横杆Ⅱ9两端分别位于两个所述豁口Ⅱ内且能够沿所 述直线滑动边11滑动；所述豁口Ⅰ与所述豁口Ⅱ的位置一一对应。

进一步地，所述异形凸轮3满足如下关系式：

其中，θ为所述异形凸轮3的转角；k₁为所述曲线滑动边8上某一点所 在切线的斜率；k₂为所述直线滑动边11的斜率；R为所述异形凸轮3的旋转 半径；p_close0为所述受压气缸5中预充惰性气体的气压值；v_close0为所述受压气 缸5中预充惰性气体的体积；P_open为所述恒压储气气缸1中需要输出的恒压 压缩空气的气压值；n为多变指数；所述恒压储气气缸1与所述受压气缸5 的横截面积相等，且所述恒压储气气缸1的活塞面积等于所述受压气缸5的 活塞面积，即式中的A；在实际工作中，上式中的θ的取值范围、k₂、R、p_close0、 v_close0、P_open、n和A的取值均可由用户按照需要预设初始值，从而可以得到所 述曲线滑动边8上各点所在切线的斜率k₁，即可按照各参数生产所述异形凸 轮3。

进一步地，所述恒压储气气缸1和所述受压气缸5均为圆柱形气缸，所 述恒压储气气缸1所述压缩空气存储区缸径大于标准型气缸缸径。

采用本申请所述的恒压变容式气动系统储气装置，所述受压气缸5使用 前需先向其无杆腔预充有一定压力的压缩惰性气体，充入气压值的大小由工 作管路中所需的稳压值来决定，且通过充入不同压力大小的预充气压可得到 系统所需的任意稳压值；在所述储气装置工作时，所述受压气缸5通过预充 的压缩惰性气体能够为所述恒压储气气缸1提供抵抗力，当所述受压气缸5 通过所述活塞杆Ⅱ4作用在所述异形凸轮3上的水平分力等于所述恒压储气 气缸1通过所述活塞杆Ⅰ2作用在所述异形凸轮3上的水平分力时，即可实 现通过所述恒压储气气缸1输出恒压压缩空气；

本申请所述异形凸轮3是一种变形式的凸轮机构，其外观与传统凸轮有 较大差异，但二者作用原理相同；所述异形凸轮3的作用是连接所述恒压储 气气缸1和所述受压气缸5，所述恒压储气气缸1的有杆腔输出力通过所述 异形凸轮3传送至所述受压气缸5的有杆腔，通过所述异形凸轮3的变换作 用，所述恒压储气气缸1中无杆腔侧的压缩空气压力始终保持稳定；受到两 侧活塞杆的施力，所述异形凸轮3在旋转过程中，能够通过所述豁口Ⅰ和所 述豁口Ⅱ使两侧的力始终处于平衡状态且所述恒压储气气缸1中的气压保持 恒定，在此过程中，所述限位边Ⅰ7和所述限位边Ⅱ10能够分别限制所述横 杆Ⅰ6和所述横杆Ⅱ9的转动范围。

工作时，预先在受压气缸的无杆腔侧充入一定压力的压缩惰性气体并密 封，从空压机中输出的有一定压力的压缩空气经后冷却器冷却后由恒压储气 气缸的无杆腔侧的进气口进入压缩空气存储区，当压力增大到足以克服受压 气缸提供的抵抗力时，恒压储气气缸的活塞杆开始向右运动，迫使异形凸轮 发生一定角度的转动，这个转动从异形凸轮的左侧传递到异形凸轮的右侧， 使受压气缸的活塞杆Ⅱ向右运动，压缩预先在受压气缸无杆腔侧的压缩惰性 气体。在此过程中，恒压储气气缸的无杆腔侧的压力始终保持在设定的稳压值(稳压值略大于用气回路的额定工作压力)附近，压缩空气通过恒压储气 气缸无杆腔侧的出气孔持续向用气回路输出压力稳定的压缩空气。当空压机 停止工作后，随着用气回路的消耗，恒压储气气缸的活塞杆Ⅰ将被受压气缸 顶回，在此过程中，恒压储气气缸无杆腔侧的压力依然保持在稳压值附近， 直到恒压储气气缸的活塞杆Ⅰ被全部推回，活塞回到最左侧，此时恒压储气 装置中的储气量为零，压力降至大气压，气动系统停止工作。以上即为一个 完整的工作周期。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使 相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。