双腔室空气弹簧性能研究

　　在超精密加工/检测、IC制造及光学领域中,环境振动通过地面振动传递到超精密设备上,对设备的测量子系统或结构件造成危害,从而影响设备的高精度运行[1-3]。地面传递的振动主要集中在20Hz以下,其波长较长,通过隔振沟的方式难以实现隔断[4],因此隔振器成为这些超精密设备的一个必要子系统。在各种隔振器中,空气弹簧作为结构简单、性价比很高的隔振器得到了广泛的应用,与此同时出现了针对更为优化性能的大量研究文献。在这些研究文献中,应用于汽车火车及舰船领域中囊式空气弹簧的研究文献占大多数[5-8],他们研究了气囊结构参数、节流孔参数、对其刚度和动态性能的影响。在加工/检测、IC制造及光学领域中主要使用的空气弹簧与囊式空气弹簧存在区别,其负载的振动幅值较小,负载质量较轻,因此结构中没有较大的空气囊,而是紧凑的密封圈,从而尽量减少了系统的非线性。Daniel B. Debra研究了线性节流器的空气弹簧[9], C. Erin通过N-S方程推导出了系统的传递函数[10],对于存在的误差通过测试方式得到橡胶密封圈等效刚度和阻尼,然后将等效刚度和阻尼加入到理论分析中,得到了很好的分析精度。国内针对此空气弹簧的研究较少,本文将借鉴C. Erin的理论,加入节流孔数目因素,经过推导和试验对空气弹簧进行研究。

　　1　理论分析

　　双腔室空气弹簧结构基本构成如图1所示。其主体是圆形或者方形的缸体,中部通过隔板分为上下腔室,上下腔室内部充满了压力空气,隔板上设计节流孔,活塞通过柔性的橡胶密封圈与缸体上部连接。其减振原理是活塞或缸体受到外界扰动发生上下振动时,上下腔室内部空气产生压力差,压力差使空气往复通过腔室间节流孔(Flow restrictor)产生节流效应,将振动能量转化为热能,从而达到衰减振动的目的。空气弹簧能够实现低频大阻尼值、高频小阻尼值的阻尼能力,理论上能够提供0~∞的阻尼值[4]。节流孔数量会对空气弹簧传递率产生影响,同样的也会对新型空气轴承阻尼性能产生影响,所以首先分析节流孔数目对空气弹簧的影响是十分必要的。考虑节流孔数量的影响,按照C.Erin的理论推导过程,加入节流孔数目参数进行推导。针对图1所示空气弹簧,活塞和负载设定支撑在上腔室上方。

　　2　应用分析与实验

　　初步给定主要参数为负载质量mp=118 kg,上下腔室初始压强P0=303 975 Pa,活塞有效面积Ap=0.002 826 m2,上腔室初始体积Vt0=0.000 508 68 m3,下腔室体积Vb=4×0.000 508 68 m3,节流孔长度l=10×d。

　　图2显示了空气弹簧下腔室与上腔室体积比(Vb/Vt0)对空气弹簧传递率的影响可以看出随着体积的增大,系统固有频率降低同时共振峰值也随之下降,但是此比值会受到实际加工和结构空间的限制。图3为选定下/上腔室体积比空气弹簧中节流孔直径对系统传递率的影响,随着节流孔直径的增大系统的固有频率降低,但是对共振峰值而言节流孔直径存在一个最佳值,过大过小的直径都会增加系统的共振峰值。