本实用新型专利技术双作用节能气缸，将气缸活塞杆直径d与活塞直径D的比值，由现有双作用气缸的15%～30%，大幅度提高到80%～98%；回程耗能由占工作行程耗能的91%～97.75%左右，相应降低到工作行程耗能的4%～36%，实现了大幅度节能。本实用新型专利技术能够为国民经济有关领域，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。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及气缸领域，主要涉及一种双作用节能气缸的活塞杆直径d与活塞直径D的比值与结构。
技术介绍
现有双作用气缸活塞杆直径d与活塞直径D比值的力学设计方法，是基于材料力学的强度、刚度与压杆稳定理论。根据上述理论设计的活塞杆直径d与活塞直径D的比值，一般在15%～30%的范围内；小型气缸一般为30%左右，大中型气缸一般为15%～20%。设系统额定压力为p，则气缸工作行程作用力为F1=πD2p/4，返回行程作用力F2=π(D2-d2)p/4。例如，设d/D=0.20，则返回行程作用力与工作行程作用力之比为F1/F2=(D2-d2)/D2=[D2-(0.2D)2)]/D2=0.96=96%。然而，气缸回程仅需要运动组件克服相关运动部位的摩擦力。对于不同密封结构与不同压力的气缸来说，因摩擦力导致的所需返程力，约在工作行程作用力F1=πD2p/4的3%～30%的范围内。因此，现有气缸的返回行程，存在很大的力冗余，力冗余约为工作行程作用力的66%～93%(96%-30%=66%，96%-3%=93%)。力冗余无疑意味着能量浪费。再设气缸的最大行程为L，则其无杆腔的容积为V1=πD2L/4，有杆腔的容积为V2=π(D2-d2)L/4。同样，对于d/D=0.20的气缸，有杆腔与无杆腔的容积之比为V1/V2=(D2-d2)/D2=[D2-(0.2D)2)]/D2=0.96=96%。根据气缸的耗能计算公式E=FL=pV，可知该现有气缸的回程耗能，为工作行程耗能的96%左右。而根据克服相关摩擦力所需要的回程耗能，仅为工作行程耗能的3%～30%。能量浪费极为严重，高达工作行程耗能的66%～93%(96%-30%=66%，96%-3%=93%)。从能源总体利用率方面来看，目前气动传动系统效率仅为20%左右，而液压传动系统效率约为40%，前者仅为后者的一半左右。在这一方面，气缸返程耗能浪费巨大，是最为关键的影响因素。传统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装消音器。这无疑相应提高了制造成本。以材料力学经典的强度、刚度与压杆稳定理论，来设计计算双作用气缸活塞杆直径d与活塞直径D比值的力学设计方法，可以说是自气缸诞生以来，专业技术人员心理上形成的习以为常、根深蒂固以致熟视无睹的具有根本性、方向性错误的力学设计方法，与固疾性的技术偏见。
技术实现思路
本技术的目的是，彻底摒弃以材料力学经典的强度、刚度与压杆稳定理论来设计计算双作用气缸活塞杆直径d与活塞直径D比值的力学设计方法，采用基于运动组件克服相关摩擦所需回程力的力学设计方法，来设计计算活塞杆直径d与活塞直径D的比值。由于d与D之比大幅度提高，气缸有杆腔容积与无杆腔容积之比相应大幅度降低，从而实现气缸回程大幅度节能，且回程冲击力与噪声污染也显著减小。为达上述目的，本技术采用的创新方案是：一种双作用节能气缸，其活塞杆直径d与活塞直径D的比值，由现有的15%～30%提高到80%～98%。优选地，气缸的活塞-活塞杆组件，包围有起节材减重作用的内部空腔。由于上述创新方案的运用，本技术与现有技术相比具有下列优点：1、由于d与D的比值，由现有双作用气缸的15%～30%，大幅度提高到80%～98%；回程耗能由占工作行程耗能的91%～97.75%左右，相应降低到工作行程耗能的4%～36%，实现了大幅度节能。2、活塞杆直径d与活塞直径D的比值的大幅度减小，意味着回程力的大幅度减小，所以对后端盖的冲击很小，可以省去结构甚为复杂的回程缓冲装置；而换向阀出口的噪音很小，可以省去消音器。3、由于气缸的活塞-活塞杆组件，包围有起节材减重作用的内部空腔，与采用实心活塞杆的气缸相比，能够大幅度节约材料降低制造成本。此外，本技术双作用节能气缸，还具有一个因d/D值大幅度提高而带来的优点，即活塞杆刚度有了大幅度提高，一般不会存在现有长行程气缸的活塞杆容易产生的压杆失稳问题。附图说明附图1、2为现有双作用气缸结构与纵向剖面耗能示意图，其中图1为工作行程耗能，图2为返回行程耗能；附图3、4为本技术双作用节能气缸结构与纵向剖面耗能示意图，其中图3为工作行程耗能，图4为返回行程耗能。两种气缸的运动组件均为活塞-活塞杆组件。附图5、6、7为现有双作用气缸与本技术双作用节能气缸的横截面耗能对比图.其中图5为工作行程耗能，图6为现有双作用气缸返回行程耗能，图7为本技术双作用节能气缸返回行程耗能。图中，1＇、现有双作用气缸无杆腔；1、本技术双作用节能气缸无杆腔；2＇、现有双作用气缸有杆腔；2、本技术双作用节能气缸有杆腔；3＇、现有双作用气缸活塞；3、本技术双作用节能气缸活塞；4＇、现有双作用气缸活塞杆；4、本技术双作用节能气缸活塞杆；5、本技术双作用节能气缸活塞-活塞杆组件内部空腔。图5、6、7最能直观地反映出本技术双作用节能气缸的节能效果。以气缸工作行程耗能100%计，现有d/D=0.20的双作用气缸回程耗能为96%，本技术d/D=0.80～0.98%双作用节能气缸回程耗能为4%～36%。相对节能60%～92%(96%-36%=60%，96%-4%=92%)。为了从数量上说明本技术双作用节能气缸，相对于现有双作用气缸的具体节能效果，我们以某气动压力机使用的D=320mm，额定压力p=0.6MPa，气缸寿命总行程L总=5000×103m的气缸为例，现有D=320mm双作用气缸的活塞杆直径，一般为d1=50mm(d1/D=0.16)，若采用本技术双作用节能气缸，可将活塞杆直径增加到d2=310mm(d2/D=0.97)。现有双作用气缸的回程总耗能为E1=π(D2-d12)pL总=π(0.322-0.052) × 0.6×106×5000×103/4=235385×106(N•m)本技术双作用节能气缸的回程总耗能为E2=π(D2-d22)pL总=π(0.322-0.312) × 0.6×106×5000×103/4=14844×106(N•m)节能总量为E1- E2=235385×106-14844×106=220541×106(N•m)。需要注意的是，上述计算的节能量，并不是该气缸实际节约的电能。因为，电动机在将电能转化为其输出轴的机械能的过程中，要产生能量形式转换损失。目前我国YE2系列高效率三相异步电动机的电能-机械能转换效率平均值为η电-机=0.9。此外，电动机也不可能完全满负荷运转，就存在一个功率因数的问题，一般电动机的功率因数能够达到cosφ=0.90，可以说就很高了。此外，空气压缩机在将电机轴输入的机械能转化为气体压力能的过程中，要再一次产生能量形式转换损失。目前效率最高的活塞式空气压缩机，机械能-压力能转换效率η机-压效率也低于70%，有30%以上的能量损耗掉了。我们取较高的效率值η电-机=0.9，cosφ=0.90，η机-压=0.7，则采用本技术双作用节能气缸，取代现有的参数如上述的双作用气缸，返程节约的总电能为220541×106/η电-机本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双作用节能气缸，其特征在于：活塞杆直径d与活塞直径D的比值，由现有的15%～30%提高到80%～98%。
【技术特征摘要】
1.一种双作用节能气缸，其特征在于：活塞杆直径d与活塞直径D的比值，由现有的15%～30%提高到80%～98%...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟康民，吕良训，窦云霞，
申请(专利权)人：苏州普来可瑞机电技术有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32
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