阅读说明：本技术 一种防分离自由活塞 (Separation-preventing free piston ) 是由 廖振洋 钟涌 李理 张扣立 吕治国 常雨 孔荣宗 于 2019-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种防分离自由活塞。该防分离自由活塞的活塞本体是一个上游端面开口下游端面封闭的圆筒,圆筒的上游端和下游端分别加工有环形台阶轴,环形台阶轴内安装支撑环；支撑环与压缩管之间间隙配合；侧挡板分别安装在支撑环的外侧,通过螺钉固定在活塞本体上；缓冲头整体为台阶轴状,通过双头螺柱和螺母安装在安装活塞本体的下游端面；缓冲头的上游与压缩管之间为间隙配合,还加工有钩形槽组；缓冲头的下游外径与压缩管之间具有较大间隙；通过密封圈实现活塞本体与支撑环之间,支撑环与压缩管之间,活塞本体与缓冲头之间的密封。该防分离自由活塞结构简单,运行可靠,拆装方便,适用于活塞驱动的激波风洞、炮风洞和膨胀风洞。(The invention discloses a separation-preventing free piston. The piston body of the separation-preventing free piston is a cylinder with an opening on the upstream end surface and a closed downstream end surface, the upstream end and the downstream end of the cylinder are respectively processed with an annular step shaft, and a support ring is arranged in the annular step shaft; the support ring is in clearance fit with the compression pipe; the side baffles are respectively arranged on the outer sides of the support rings and are fixed on the piston body through screws; the buffer head is integrally in a step shaft shape and is arranged on the downstream end surface of the piston body through a stud and a nut; the upstream of the buffer head is in clearance fit with the compression pipe, and a hook-shaped groove group is also processed; a larger gap is formed between the downstream outer diameter of the buffer head and the compression pipe; sealing between the piston body and the support ring, between the support ring and the compression pipe, and between the piston body and the buffer head is realized through the sealing ring. The separation-preventing free piston is simple in structure, reliable in operation, convenient to disassemble and assemble and suitable for shock tunnels, cannon tunnels and expansion tunnels driven by pistons.)

一种防分离自由活塞

技术领域

本发明属于高超声速试验设备技术领域，具体涉及一种防分离自由活塞。

背景技术

在活塞驱动的激波风洞、炮风洞、膨胀风洞等带有活塞驱动器的脉冲式风洞运行过程中，自由活塞在发射后一般在压缩管内经过加速、急剧减速、停止、再加速，最后以一定速度撞击在压缩管底部停止。为了缓冲自由活塞撞击压缩管底部产生的巨大冲击力，在自由活塞头部安装耐冲击的缓冲材料，由缓冲材料吸收碰撞时的能量是一种常用的方式。缓冲材料一般采用超弹阻尼材料，由于活塞本体材料与缓冲材料的物理特性差异巨大，难以进行可靠的连接，在自由活塞运动过程中，尤其是急减速和反弹过程中，极易发生缓冲材料与活塞本体分离、脱落，导致试验失败，甚至发生安全事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种防分离自由活塞。

本发明的防分离自由活塞，其特点是，所述的自由活塞包括活塞本体、密封圈Ⅰ、支撑环、密封圈Ⅱ、侧挡板、缓冲头、密封圈Ⅲ、螺母和双头螺柱；

活塞本体：为活塞主体，是一个上游端面开口下游端面封闭的圆筒，圆筒的直径小于压缩管内径，圆筒的上游端和下游端分别加工有环形台阶轴，环形台阶轴内安装支撑环；

支撑环：有2个，为圆环形，分别安装在活塞本体上游端和下游端的环形台阶轴内，支撑环与压缩管之间间隙配合，用于支撑和定位活塞本体，防止高速运动的活塞本体与压缩管内壁直接接触；

侧挡板：有2个，为圆环形，分别安装在2个支撑环的外侧，通过螺钉固定在活塞本体上，用于防止支撑环脱落；

缓冲头：整体为台阶轴状，通过双头螺柱和螺母安装在安装活塞本体的下游端面；缓冲头的上游与压缩管之间的间隙配合，还加工有钩形槽组；缓冲头的下游外径与压缩管之间的间隙高度为2％～10％的压缩管直径；

密封圈Ⅰ：有2个，分别安装在活塞本体的上游和活塞本体的下游，用于活塞本体与支撑环之间的密封；

密封圈Ⅱ：有2个，分别安装在2个支撑环上，用于支撑环与压缩管之间的密封；

密封圈Ⅲ：有1个，安装在活塞本体的下游端面上，用于活塞本体与缓冲头之间的密封；

双头螺柱：有1个，将缓冲头安装在活塞本体的下游端面上；

螺母：有1个，与双头螺柱配合，将缓冲头固定在活塞本体的下游端面上。

所述的活塞本体的材料为铝或合金钢。

所述的活塞本体的主体上开有螺钉孔，用于吊装活塞本体；活塞本体的上游端面开有螺钉孔，用于故障时将活塞本体从压缩管的上游端取出。

所述的支撑环的材料为铜合金。

所述的密封圈Ⅰ、密封圈Ⅱ和密封圈Ⅲ的材料为橡胶、碳纤维或铜合金。

所述的双头螺柱伸出缓冲头，用于拆卸时将活塞本体从压缩管的下游端取出。

所述的缓冲头的材料为聚氨酯。

所述的钩形槽组为在缓冲头的上游沿缓冲头轴线分布的系列钩形槽，钩形槽的底部宽度大于钩形槽的高度，钩形槽的角度为45°～80°，钩形槽的数量为n，n≥1。

本发明的防分离自由活塞安装在压缩管内，发射前，自由活塞上游储气罐充入高压驱动气体，自由活塞下游充入低压被压缩气体。自由活塞上游储气罐阀门打开后，储气罐内的高压驱动气体从上游推进自由活塞向下游加速运动。随着自由活塞的移动，自由活塞下游容积减小、压力、温度开始升高，自由活塞上游容积增大、压力、温度开始降低。当自由活塞的下游气体压力超过上游气体压力时，自由活塞开始急剧减速，但自由活塞下游压力继续升高，如果位于压缩管下游的膜片正常破裂，则压缩管下游气体流出，自由活塞以一定速度撞击在压缩管底部，如果下游膜片未正常破裂，自由活塞减速至0后，反向并向压缩管上游急加速，如此往复震荡至能量耗散。在自由活塞向压缩管下游加速过程中，活塞本体推动缓冲头运动，活塞本体与缓冲头之间无分离趋势。当自由活塞开始减速时，自由活塞下游的压力已经比较高，在压力作用下，位于缓冲头上游的钩形槽组张开，实现缓冲头与压缩管内壁间的自紧密封，同时，位于缓冲头下游的台阶径向膨大，防止钩形槽组在高压作用下过度变形。缓冲头与压缩管内壁之间的自紧密封，阻止了自由活塞下游的高温高压气体进入活塞本体与缓冲头之间，使自由活塞在急减速和急加速反弹时活塞本体与缓冲头之间始终能够保持被压紧的状态，缓冲头不会发生脱落。当自由活塞撞击在压缩管底部时，缓冲头下游发生挤压变形吸收撞击的动能。

本发明的防分离自由活塞中的活塞本体内有空腔，可以根据需要去除材料，调节自由活塞的质量、质心等参数。

本发明的防分离自由活塞中的密封圈Ⅱ直接安装支撑环上，使得活塞本体直径可以比压缩管内径小很多，而不影响密封效果，还能够有效防止自由活塞高速运动和剧烈撞击时活塞本体划伤压缩管内壁。

本发明的防分离自由活塞中的缓冲头采用阶梯轴结构，缓冲头上游台阶与压缩管内壁之间采用小间隙配合，实现高压密封，缓冲头下游台阶与压缩管内壁之间预留较大间隙，确保缓冲头撞击压缩管底部后弹性变形，缓冲了自由活塞对压缩管底部的撞击，吸收自由活塞动能。

本发明的防分离自由活塞中的钩形槽组，能够实现较大压力范围的自紧密封。

本发明的防分离自由活塞结构简单，运行可靠，拆装方便，适用于自由活塞速度大、自由活塞压缩后气体压力高的情况，特别适用于活塞驱动的激波风洞、炮风洞和膨胀风洞。

附图说明

图1为本发明的防分离自由活塞的结构示意图。

图中，1.活塞本体 2.密封圈Ⅰ 3.支撑环 4.密封圈Ⅱ 5.侧挡板 6.缓冲头 7.密封圈Ⅲ 8.螺母 9.双头螺柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的防分离自由活塞包括活塞本体1、密封圈Ⅰ2、支撑环3、密封圈Ⅱ4、侧挡板5、缓冲头6、密封圈Ⅲ7、螺母8和双头螺柱9；

活塞本体1：为活塞主体，是一个上游端面开口下游端面封闭的圆筒，圆筒的直径小于压缩管内径，圆筒的上游端和下游端分别加工有环形台阶轴，环形台阶轴内安装支撑环3；

支撑环3：有2个，为圆环形，分别安装在活塞本体1上游端和下游端的环形台阶轴内，支撑环3与压缩管之间间隙配合，用于支撑和定位活塞本体1，防止高速运动的活塞本体1与压缩管内壁直接接触；

侧挡板5：有2个，为圆环形，分别安装在2个支撑环3的外侧，通过螺钉固定在活塞本体1上，用于防止支撑环3脱落；

缓冲头6：整体为台阶轴状，通过双头螺柱9和螺母8安装在安装活塞本体1的下游端面；缓冲头6的上游与压缩管之间的间隙配合，还加工有钩形槽组；缓冲头6的下游外径与压缩管之间的间隙高度为2％～10％的压缩管直径；

密封圈Ⅰ2：有2个，分别安装在活塞本体1的上游和活塞本体1的下游，用于活塞本体1与支撑环3之间的密封；

密封圈Ⅱ4：有2个，分别安装在2个支撑环3上，用于支撑环3与压缩管之间的密封；

密封圈Ⅲ7：有1个，安装在活塞本体1的下游端面上，用于活塞本体1与缓冲头6之间的密封；

双头螺柱9：有1个，将缓冲头6安装在活塞本体1的下游端面上；

螺母8：有1个，与双头螺柱9配合，将缓冲头6固定在活塞本体1的下游端面上。

所述的活塞本体1的材料为铝或合金钢。

所述的活塞本体1的主体上开有螺钉孔，用于吊装活塞本体1；活塞本体1的上游端面开有螺钉孔，用于故障时将活塞本体1从压缩管的上游端取出。

所述的支撑环3的材料为铜合金。

所述的密封圈Ⅰ2、密封圈Ⅱ4和密封圈Ⅲ7的材料为橡胶、碳纤维或铜合金。

所述的双头螺柱9伸出缓冲头6，用于拆卸时将活塞本体1从压缩管的下游端取出。

所述的缓冲头6的材料为聚氨酯。

所述的钩形槽组为在缓冲头6的上游沿缓冲头6轴线分布的系列钩形槽，钩形槽的底部宽度大于钩形槽的高度，钩形槽的角度为45°～80°，钩形槽的数量为n，n≥1。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。