气体脉冲器的制作方法

本发明涉及一种气体脉冲器，尤其涉及应用于强声波领域的气体脉冲器。

背景技术：

现有技术中，气体脉冲器(气体脉冲发生器)具有广泛的应用，人们也进行了很多研究。例如，提出了通过电磁阀高速控制高压气源开关来获得气体脉冲的方法，也提出了机械旋转式脉冲气发生器的方案等。

对于通过电磁阀获得气体脉冲的方法，一般认为其存在密封不可靠有泄露现象、电磁阀高频切换的频率有限适用范围窄以及寿命短、工作可靠性差等缺点。

对于机械旋转式脉冲气发生器，一般来说，现有技术的结构比较复杂等。

参考文献：专利文献cn107402194a，cn102966643a

在现有技术中，本发明人注意到，存在固体镶嵌润滑轴承，但是所有固体镶嵌润滑轴承都没有高压气体脉冲开关功能；存在气体脉冲开关器，但是脉冲开关器都不能同时具有封严性能优异的轴承功能。本发明人研究了双金属固体润滑轴承在气体脉冲器中的应用。

气体脉冲发生器在发射高压脉冲气流时，脉冲发生器转子处于非对称受力状态，几十倍标准大气压的高压气体使轴承承受很大的径向作用力，也会导致滑动轴承过度磨损。当轴承滑动速度水平较高，径向载荷也较大时，控制轴承发热量的pv值也处于较高水平，轴承非常容易产生过热胶合问题。即双金属固体润滑轴承在气体脉冲器中的应用同时面临磨损失效和胶合失效问题。

而且，在强声波应用技术领域，特别是强声增雨技术，需要一种结构简单、性能可靠安全、能够迅速产生强大的连续气体脉冲的气体脉冲发生器。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述问题提出的，其目的在于提供一种气体脉冲器，通过巧妙设计，其能够成功规避高速大口径双金属固体润滑轴承的胶合失效问题，并有效减轻磨损失效问题。

本发明的又一目的在于提供一种气体脉冲器，其能够有效减小双金属无油轴承的发热量。

本发明的目的还在于提供一种气体脉冲器，其能够提供强大气体脉冲强度和强间断脉冲的强声波。

为了实现上述目的，根据本发明的一种气体脉冲器，包括电机及控制系统、支撑架、壳体、进气端盖、进气口、出气端盖和出气口，其特征在于，还包括：弹性连接系统；以及转子副，其包括开有排气孔的转子与同样开有排气孔的固体润滑转子套，具有气体止开开关作用，所述固体润滑转子套被固定静止地安装在所述壳体内，所述转子在所述固体润滑转子套内由所述电机通过所述弹性连接系统连接被驱动旋转，通过控制所述转子的转速来控制高压气体脉冲频率，通过设定流入气体的压强和流量，来控制气体脉冲的强度。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，所述转子采用多作用工作模式，即所述转子一周开有多个排气孔，使得所述转子旋转一周的过程中，产生多个气体脉冲。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，所述固体润滑转子套采用多通道并联工作模式，即所述固体润滑转子套上开有多个排气孔，其中一个排气孔正对所述出气口安装，所述固体润滑转子套上的多个排气孔沿周向的分布相位与所述转子上的多个排气孔的分布相位相同，使得当所述转子在转动过程中，多对所述转子和所述固体润滑转子套上的排气孔同时开启，或同时关闭，实现多通道并联工作，增大气体脉冲强度，气体从所述固体润滑转子套的多个排气孔排出后，经过所述固体润滑转子套和所述壳体之间的气道，以并联形式汇集到所述出气口，从所述出气口喷出，形成脉冲射流。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，在所述转子的轴端与所述壳体之间安装单向推力球轴承，用于使所述转子在内部承受高压气体作用、外部与所述固体润滑转子套之间仅保留极小间隙的情况下产生较低阻力扭矩。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，所述单向推力球轴承的轴圈与所述转子的轴端采用过盈配合，所述单向推力球轴承的座圈和所述壳体之间采用间隙配合。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，所述单向推力球轴承与所述壳体及转子轴的连接形式，使得所述单向推力球轴承的轴圈和座圈能够通过滚珠实现自动对心，确保轴承不受径向作用力。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，所述转子和所述固体润滑转子套上开有的多个排气孔都为方形孔，方形孔沿周向均匀分布，方形孔的长边沿所述转子及所述固体润滑转子套的轴向，所述转子及所述固体润滑转子套上方形孔的长度相等，也可以不等，方形孔的短边沿所述转子及所述固体润滑转子套的周向，所述转子上的短边长度小于所述固体润滑转子套上的短边长度，短边长度的合理选择决定高压气体排气开启过程和关闭过程的时间比。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，所述高压气体排气开启过程和关闭过程的时间比大于等于1。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，在所述壳体上设置润滑油道，润滑油道开口位于气体脉冲器壳体正上方，以使所述转子轴端与所述壳体之间安装的所述单向推力球轴承能够长久平稳运行。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，所述弹性连接系统包括:

电机轴与所述转子之间通过电机轴连轴套和转子连接板传递扭矩，采用十字弹性连接形式,

连接板整体嵌于所述转子的连接端凹窝内，电机轴连轴套端部嵌于连接板内孔，在一对垂直的方向上分别采用大间隙配合，在另一对垂直的方向上采用小间隙配合，实现十字弹性连接，

连接板四个内角进行倒内圆角处理，释放应力，以增加连接板疲劳寿命，

连接板材料选择65mn弹簧钢，连接板的厚度范围为6～8mm。

根据本发明所述的气体脉冲器，优选地，电机轴连轴套采用一体成型设计，连轴套与平键之间采用过盈配合，平键与电机轴之间采用间隙配合，电机轴连轴套在机加工成型时先用铣刀铣出u形槽，再用拉刀拉出键槽，电机轴连轴套不设计成盲孔，如果非要设计成盲孔，可以把轴套从中截断，设计成两个零件，两个零件之间通过过盈压配到一起。

技术效果：

根据本发明的气体脉冲器，由于采用由开有排气孔的转子与同样开有排气孔的固体润滑转子套构成的转子副，转子采用多作用工作模式，固体润滑转子套采用多通道并联工作模式，因此本发明的结构既具有封严性能优异的轴承功能，又具有高压气体脉冲开关功能，能够成功规避高速大口径双金属固体润滑轴承的胶合失效问题和有效减轻磨损失效问题，能够获得可以有效减小双金属无油轴承的发热量、能够使高压气体射流产生强间断脉冲、引起脉冲器出气口附近空气发生强振荡、从而引起频率可调的强声波的技术效果，可用于但不限于强声波增雨、消雾、除尘等领域。

从以下结合附图对实施例的描述中，本发明的上述和/或其它方面将变得清楚和更容易理解。

附图说明

图1是根据本发明的气体脉冲器的结构示意图。

图2是用于说明根据本发明的多作用设计概念示意图。

图3是用于说明根据本发明的多通道并联设计概念示意图。

图4示出根据本发明的气体脉冲器一个实施例的四作用、四通道并联结构的剖面示意图。

图5a示出根据本发明的十字弹性连接方式结构实现示意图。

图5b示出根据本发明的转子结构示意图。

图6示出根据本发明的电机轴连轴套结构示意图。

图7示出根据本发明的气体脉冲器的一个设计实例图。

附图标记说明：

1、电机组件；2、紧固螺栓；3、壳体紧固螺栓；4、托架；5、转子连接板；6、转子组件；7、进气端盖耐油纸垫；8、进气端盖；9、壳体组件；10、出气端盖耐油纸垫；11、出气端盖；12、壳体；13、通气孔；14、转子；15、转子套；16、出气口；17、转子排气孔；18、转子套排气孔；19、电机轴；20、电机轴连轴套；21、十字弹性板；22、平键；23、键槽；24、u形槽；25、进气口。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施例，但是本发明的范围不局限于说明的具体实施例。

图1是根据本发明的气体脉冲器的结构示意图。如图1所示，本发明的气体脉冲器的结构包括：电机组件1；紧固螺栓2；壳体紧固螺栓3；托架4；转子连接板5；转子组件6；进气端盖耐油纸垫7；进气端盖8；壳体组件9；出气端盖耐油纸垫10；出气端盖11等。

电机组件1可以包括直流伺服电机，用于驱动气体脉冲器的气体脉冲发生部壳体12内的转子14旋转。壳体紧固螺栓3用于将气体脉冲器的气体脉冲发生部的壳体12紧固在托架(或者支撑架)4上。托架(或者支撑架)4用于牢固支撑电机组件1和气体脉冲器的气体脉冲发生部。转子连接板5用于通过与电机轴连轴套20配合在电机组件1的电机轴19与气体脉冲器的气体脉冲发生部壳体12内的转子14之间传递扭矩。转子组件6包括转子副，转子副由开有通气孔13的转子14与同样开有通气孔13的固体润滑转子套15构成，其位于气体脉冲器的气体脉冲发生部的壳体12的内部。

图7示出根据本发明的气体脉冲器的一个设计实例图。气体脉冲器包括进气端盖8、进气口25、出气端盖11、出气口16、壳体12、托架(或者支撑架)4和直流伺服电机等部分。在本说明书中，将进气端盖8、进气口25、出气端盖11、出气口16、壳体12以及壳体12内部的各组件部分假设为气体脉冲器的气体脉冲产生部。

参考图1和图7，本发明气体脉冲器的工作原理是：连续高压气体从气体脉冲器的进气口25中吹入，将该恒压连续压缩空气，通过由电机驱动处于旋转状态的开有通气孔13的转子14和处于静止状态的同样开有通气孔13的转子套15上出气孔的规律开闭，形成脉冲射流。当气体脉冲器转子14开孔与转子套15开孔存在重叠时，高压气体从气体脉冲器内部通过转子副形成脉冲射流；当气体脉冲器转子14开孔与转子套15开孔错位时，高压气体被密闭在气体脉冲器内部，形成射流间断；射流和间断重复出现形成气体脉冲射流。气体脉冲从气体脉冲器的出气口16射出。

根据本发明的气体脉冲器，其包括脉冲器转子副、弹性连接系统、电机及控制系统(未图示)，其脉冲发生原理是基于一对具有气体止开开关作用的脉冲器转子副，转子副由开有通气孔13的转子14与同样开有通气孔13的固体润滑转子套15构成。根据本发明，可以通过控制气体脉冲器转子14的转速，来控制高压气体脉冲频率；可以通过设定流经脉冲器气体的压强和流量，来控制气体脉冲的强度。气体脉冲器能够使高压气体射流产生强间断脉冲，引起脉冲器出口附近空气发生强振荡，从而引起强声波。

根据本发明的气体脉冲器，脉冲器转子14采用多作用工作模式。图2示出用于说明根据本发明的多作用设计概念示意图。作为一个优选实施例，在图2中，转子14一周开有3个通气孔13，使得转子14在壳体12内沿旋转箭头方向旋转一周的过程中，在图中的气流方向上，产生3个气体脉冲射出。与转子14一周只开有1个通气孔13的单作用设计相比，这种多作用设计的技术效果是：在一定脉冲频率下降低了大直径转子14线速度，也就是说，在获得一定脉冲频率的气体脉冲时只需转子14工作在较底转速水平，从而有效减小双金属无油轴承的发热量。通常，在气体脉冲频率为mhz时，转子14工作转速为m/n*60rpm，n可设计为2、3、4等。本例图2中，n设计为3。

根据本发明的气体脉冲器，脉冲器固体润滑转子套15采用多通道并联工作模式。图3示出用于说明根据本发明的多通道并联设计概念示意图。如图3所示，固体润滑转子套15固定静止地安装在壳体12内，转子14在转子套15内按图示的转子14旋转方向旋转，转子14与固体润滑转子套15之间仅保留极小间隙，转子套15与壳体12之间有气道。作为一个优选实施例，在图3中，转子套15上开有3个排气口，转子14上也开有3个排气口，转子套15上的3个排气口沿周向的分布相位与转子14上的3个排气口的分布相位相同，其中，转子套15固定静止地安装在壳体12内，其上的一个排气口必须正对气体脉冲器出气口16安装。当转子14在转子套15内转动过程中，这3对转子14和转子套15上的排气口会同时开启或者同时关闭，气体从转子套15的3个排气口排出后，经过转子套15和壳体12之间的气道，以并联形式汇集到脉冲器出口，沿气流方向从出口喷出，形成脉冲射流。这种多通道并联结构设计的技术效果是：在相同脉冲气流强度下，可以降低转子14直径，也就是说，当转子14在转动过程中，n对转子14和转子套15上的排气口同时开启或者同时关闭，实现多通道并联工作，由此增大气体脉冲强度。气体从转子套15的n个排气口排出后，经过转子套15和壳体12之间的气道，以并联形式汇集到脉冲器出口，从出口喷出，形成脉冲射流。根据本发明，n可设计为2，3，4等。本例图3中，n设计为3。

图4示出根据本发明的气体脉冲器的一个具体实施例，其是气体脉冲器的气体脉冲产生部沿径向的剖面示意图，采用了四作用、四通道并联结构。如图4所示，转子套排气孔18为4个，转子排气孔17为4个，转子套15上的4个排气孔沿周向的分布相位与转子14上的4个排气孔的分布相位相同，转子14在电机驱动下在固体润滑转子套15内沿旋转箭头方向围绕转子14转动中心旋转，转子14与固体润滑转子套15之间仅保留极小间隙，转子套15静止固定在气体脉冲器的壳体12内，转子套15的一个排气孔正对气体脉冲器的出气口16安装，在转子套15和壳体12之间具有气道。当转子14在转子套15内转动过程中，这4对转子14和转子套15上的排气孔会同时开启或者同时关闭，气体从转子套15的4个排气孔排出后，经过转子套15和壳体12之间的气道，以并联形式汇集到气体脉冲器出气口16，从出气口16喷出，形成脉冲射流。

根据本发明，气体脉冲器的转子14和固体润滑转子套15上都开有n个排气孔(口)，n为2，3，4等。根据本发明，优选地，n个排气孔(口)都应设计为方形孔，方形孔沿周向均匀分布。这是因为，本发明人发现方形孔是排气气门开启效率最大的开孔方式。

根据本发明，方形孔的长边沿转子14及转子套15的轴向，转子14及转子套15上方形孔的长度相等，也可以不等(如不等则会降低排气效率)，其长度越长越好，长度越长，排气门开启和关闭的速度越大，气流的间断性越强，长度极值受限于转子14及转子套15的强度及刚度。方形孔的短边沿转子14及转子套15的周向，优选地，转子14上的短边长度小于转子套15上的短边长度。短边长度的合理选择决定了高压气体排气开启过程和关闭过程的时间比。合理选择短边的长度比，即转子14开孔的短边与转子套15开孔的短边的长度比，能够使得高压空气排气量和气体脉冲间断强度之间取得很好的平衡。

根据本发明的气体脉冲器，优选地，高压气体排气开启过程和关闭过程的时间比大于等于1。排气气门开启过程定义为从排气门开始开启、到完全开启、到开始关闭、最后到完全关闭的过程。排气门关闭过程定义为排气门完全关闭状态。在本发明人的设计实例中，当周向开孔数n＝3时，排气气门开启过程角设置范围为60°～80°，排气气门关闭过程角设置范围为60°～40°；当周向开孔数n＝4时，排气气门开启过程角设置范围为45°～55°，排气气门关闭过程角设置范围为45°～35°。

在本发明的气体脉冲器中，为了使转子14在内部承受高压气体作用、外部与固体润滑转子套15之间仅保留极小间隙的情况下产生较低阻力扭矩，在转子14轴端与壳体12之间安装单向推力球轴承。单向推力球轴承的轴圈与转子14轴端采用过盈配合，单向推力球轴承的座圈和壳体12之间采用间隙配合。单向推力球轴承与壳体12及转子14轴的连接形式，使得单向推力球轴承的轴圈和座圈能够通过滚珠实现自动对心，确保轴承不受径向作用力。

单向推力球轴承的驱动扭矩进行核算，核算方法为

其中，d为轴承直径，p为轴承所受轴向压力，μ为球轴承摩擦系数。在本发明的设计实例中，带入具体数值，计算得到驱动力矩约为1n·m。这将为驱动电机选型提供参考。

为了使转子14轴端与壳体12之间安装的单向推力球轴承能够长久平稳运行，在脉冲发射器壳体12上设置了润滑油道，润滑油道开口位于气体脉冲器的脉冲产生部的壳体12正上方(未图示)。

由于单向推力球轴承本身对本领域技术人员来说是已知结构，这里不予以赘述。

根据本发明的气体脉冲器，电机轴19与转子14之间通过电机轴连轴套20和转子14连接板传递扭矩，采用十字弹性连接形式。图5a、图5b示出根据本发明的十字弹性连接方式结构实现示意图。如图5a、图5b，其示出了电机轴19、电机轴连轴套20、平键22、转子14和十字弹性板21之间的连接关系，为了下面说明的理解，还示出了水平方向大间隙配合、垂直方向大间隙配合的含义。

如图5a、图5b所示，连接板整体匹配地嵌于转子14的连接端凹窝内，电机轴连轴套20端部嵌于连接板内孔，在一对垂直的方向上分别采用大间隙配合，在另一对垂直的方向上采用小间隙配合，实现十字弹性连接。

为增加连接板疲劳寿命，根据本发明，连接板四个内角进行倒内圆角处理，释放应力。

根据本发明，连接板材料需要具有较好的弹性，选择65mn弹簧钢，连接板需要有足够的强度，因此需要厚度大于5mm，在本发明的设计实例中，连接板的厚度范围为6～8mm。

如图5a、图5b所示，电机轴连轴套20采用一体成型设计，连轴套20与平键22之间采用过盈配合，设计效果是平键22不会沿电机轴19方向移动，若发生移动，前后也均受约束；平键22与电机轴19之间采用间隙配合，设计效果是电机轴19在静止状态不受其他作用力，方便更换电机。

图6示出根据本发明的电机轴连轴套20结构示意图。参见图6，电机轴连轴套20在机加工成型时可先用铣刀铣出u形槽24，再用拉刀拉出键槽23。从加工工艺上考虑，连轴套20不能设计成盲孔。如果非要设计成盲孔，那也可以把轴套从中截断，设计成两个零件，两个零件之间通过过盈压配到一起。

上面结合具体实施例说明了本发明，应当理解，本发明不限于公开的具体实施例。能够改进本发明以进行改变、替换或者等同配置，但是其是与本发明的精神和范围相当。因此，本发明范围不应被看着由前述说明书限制。