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1、
空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)及分類
近年來,非線性課題一直是各學(xué)科的研究前沿,在隔振領(lǐng)域也不例外。隨著隔振設(shè)計(jì)中對隔振系統(tǒng)各種性能指標(biāo)要求的提高,迫使人們不斷探索新型的隔振器。非線性隔振器能夠自動避開共振,有效抑制振動幅值、隔離沖擊,因而受到廣泛的關(guān)注。線性隔振器卻不能自動避開共振。
非線性隔振器的剛度是隨隔振器變形量的不同而變化的,因而由非線性隔振器組成的隔振系統(tǒng)其固有頻率與振動幅值有關(guān)。如果隔振器是非線性硬特性的,固有頻率隨振幅的增加而上升;如果隔振器是非線性軟特性的,固有頻率隨振幅的增加而下降。當(dāng)設(shè)備在啟動過程中經(jīng)過共振點(diǎn)時(shí),被隔振設(shè)備的振動幅值將出現(xiàn)峰
2、值,高出靜態(tài)位移許多倍。隨著振幅的迅速增長,由非線性隔振器組成的隔振系統(tǒng)其固有頻率將上升或下降,從而避開共振頻率。對于線性隔振器,其剛度值是不變的,只能通過阻尼作用控制共振振幅。但是過了共振點(diǎn)之后,隔振器的隔振效率因?yàn)樽枘岬淖饔枚陆怠?
此外非線性隔振器還能有效防止沖擊。對于非線性硬特性的隔振器其剛度隨變形量的增加而上升,遇到?jīng)_擊時(shí),簧上載荷的加速度隨變形量的增加而增大,因而在較小的變形下沖擊速度迅速降低。對于非線性軟特性的隔振器其剛度隨變形量的增加而降低,因而能夠起到緩沖作用,但隔振器的變形量較大。在很多情況下不允許有太大的變形量,就應(yīng)該選擇非線性硬特性隔振器來防止沖擊。
3、
根據(jù)上述分析,空氣彈簧是一種理想的隔振元件??諝鈴椈墒窃谌嵝悦荛]容器中加入壓力空氣,利用空氣壓縮的非線性恢復(fù)力來實(shí)現(xiàn)隔振和緩沖作用的一種非金屬彈簧。它具有優(yōu)良的非線性硬特性,因而能夠有效限制振幅,避開共振,防止沖
擊??諝鈴椈筛粽裣到y(tǒng)的固有頻率可以設(shè)計(jì)得很低,甚至達(dá) 1Hz 以下,而橡膠隔振器的自振頻率一般為 5-7 H z 。所以空氣彈簧的隔振效率比起其它隔振元件高得多,而且能夠隔離低頻振動。特別是因?yàn)榭諝鈴椈筛粽裣到y(tǒng)容易實(shí)施主動控制,作為一種具有可調(diào)非線性靜、動態(tài)剛度及阻尼特性的隔振元件,空氣彈簧的應(yīng)用越來越廣泛。
1.2 空氣彈簧的分類及特點(diǎn)
4、
1.2.1 空氣彈簧的分類
目前國內(nèi)、外對空氣彈簧的分類方法很不統(tǒng)一,大致有下列幾種:
(一) 按橡膠囊的曲數(shù)分類
空氣彈簧按橡膠囊的曲數(shù)分為單(一)曲,雙(二)曲,三曲, , n 曲,如圖 1-3 和圖 1-4 所示。隨著曲數(shù)的增加,剛度變小,空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻
率也相應(yīng)減小。但這不僅給制造上帶來了麻煩,而且還會引起橡膠囊的彈性不穩(wěn),因此一般只使用到 4 曲。
(二) 按結(jié)構(gòu)型式分類
1. 日本《空氣彈簧》一書中的分類:膠囊型空氣彈簧: 輪胎型 [ 圖 1-3 (c ]
平板型 [ 圖
5、 1-3 (a、(b ]
耳垂型 [ 圖 1-4 (b ]
2. 我國的分類:
空氣彈簧: 囊式空氣彈簧 [ 圖 1-2、1-3 ]
約束膜式空氣彈簧 [ 圖 1-4 (a ]
自由膜式空氣彈簧 [ 圖 1-4 (b ]
其他
囊式空氣彈簧 囊式空氣彈簧是由橡膠膜制成的提燈(燈籠)形結(jié)構(gòu),可以是一段或由數(shù)段串接而成,分別稱為單曲、雙曲或多曲囊式空氣彈簧。在各段之間鑲有金屬輪緣,借以承受內(nèi)壓張力的作用。
膜式空氣彈簧 膜式空氣彈簧的構(gòu)造是在金屬外筒與內(nèi)筒,或缸筒與活塞之間
6、放置橡膠膜,通過膜的變形實(shí)現(xiàn)整體伸縮。在外筒的內(nèi)壁與內(nèi)筒的外壁上預(yù)先給出適當(dāng)?shù)膬A斜或曲面,據(jù)此橡膠膜伸縮時(shí)可沿該壁面發(fā)生變形,受壓面積隨變形而變化。這就可以獲得在額定高度下很軟,而在大位移時(shí)變硬的特性,即合適的非線性彈性特性。膜式空氣彈簧又分為約束膜式和自由膜式。
(三) 按角度是否變化分類
1. 只有內(nèi)角發(fā)生變化,外角不發(fā)生變化的空氣彈簧,稱為內(nèi)角變型空氣彈簧;
2. 只有外角發(fā)生變化,內(nèi)角不發(fā)生變化的空氣彈簧,稱為外角變型空氣彈簧;
3. 內(nèi)角和外角都發(fā)生變化的空氣彈簧,稱為雙變角型空氣彈簧;
4. 內(nèi)角和外角都不發(fā)生變
7、化的空氣彈簧,稱為不變角型空氣彈簧。
(a
(b
(c
圖 1-3 囊式空氣彈簧橡膠囊模型
(a 雙曲 (b 三曲 (c 單曲
(a (b
圖 1-4 膜式空氣彈簧橡膠囊模型
(a 約束膜式 (b 自由膜式
1.2.2 空氣彈
8、簧的特點(diǎn)
空氣彈簧由于其特殊的材料和獨(dú)特的結(jié)構(gòu),因而具有金屬彈簧和橡膠彈簧所沒
有的特點(diǎn):
1)空氣彈簧具有優(yōu)良的非線性硬特性,能夠有效限制振幅,避開共振,防止
沖擊??諝鈴椈傻姆蔷€性特性曲線可按實(shí)際需要進(jìn)行理想設(shè)計(jì),使其表現(xiàn)為在額定載荷附近具有較低
的剛度值。
2)由于空氣彈簧所采用的介質(zhì)主要是空氣,因而容易實(shí)施主動控制。
3)空氣彈簧的剛度 k 隨載荷 P 而變,所以在不同載荷下,其隔振系統(tǒng)固有頻
率 ω幾乎不變,隔振效果也幾乎不變。
螺旋鋼彈簧的載荷 P —撓度 x 特性
9、曲線如圖 1-5 所示,它是一條直線,即剛度不變。在承受不同載荷時(shí),螺旋鋼彈簧 —— 質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率相差很大,固有頻率計(jì)算公式為:
ω =k鋼 ?g P (1-3)
式中: ω為系統(tǒng)的固有頻率( H z ); k 鋼為螺旋鋼彈簧的垂向剛度; P 為簧上載荷; g 為重力加速度。
載荷 P —頻率 ω曲線如圖 1-6 所示,可以看出:系統(tǒng)固有頻率 ω隨載荷 P 的增加而降低。即:重載時(shí)系統(tǒng)固有頻率低,輕載時(shí)固有頻率高。換言之,如果重載時(shí)隔振性能好,則輕載時(shí)隔振性能差,二者不可兼顧。
10、
P
圖 1-5 螺旋鋼彈簧的
載荷 —— 撓度曲線圖 1-6 螺旋鋼彈簧的載荷 —— 頻率曲線
空氣彈簧的載荷 P —撓度 x 特性曲線如圖 1-7 所示,它是非線性的,就是說垂向剛度是變化的,且垂向剛度隨著載荷的增加而變大。理論和實(shí)踐證明:空氣彈簧的工作高度不變時(shí),無論輕載還是重載其固有頻率幾乎不變??諝鈴椈傻墓逃蓄l率計(jì)算公式為:
ω =k氣 ?g P (1-4)
式中: K 氣為空氣彈簧的垂向剛度。
由式( 1-2)知,當(dāng)載荷 P 增加時(shí), K 氣也變大,而固有頻率 ω在數(shù)值上基本
11、不變,如圖 1-8 所示。所以無論是重載還是輕載都能保證很好的隔振效果。
P
圖 1-7 空氣彈簧的
載荷 —— 撓度曲線圖 1-8 空氣彈簧的載荷 —— 頻率曲線
4)空氣彈簧的剛度具有可調(diào)性,可借助改變氣室的容積或內(nèi)腔壓力來改變系
統(tǒng)的剛度。不管載重量多少,都可以根據(jù)需要改變空氣壓力,來調(diào)節(jié)空氣彈簧剛
度,也可以用增加輔助空氣室的辦法增加其內(nèi)容積,以減小剛度。
5)對于同樣大
12、小的空氣彈簧,當(dāng)內(nèi)壓力改變時(shí),可以得到不同的承載能力。
這使得同一種空氣彈簧可以適應(yīng)多種載荷的要求,因此經(jīng)濟(jì)性好??諝鈴椈稍诔惺?
垂向載荷的同時(shí),也能承受一定橫向載荷和傳遞扭矩。
6)增大空氣彈簧的總?cè)莘e,能降低隔振系統(tǒng)的固有頻率,這是空氣彈簧獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 空氣彈簧本體的容積,由于結(jié)構(gòu)空間的大小受到一定的限制,不可能太大,為降低隔振系統(tǒng)的固有頻率,可以設(shè)輔助空氣室,輔助空氣室可以布置在遠(yuǎn)離空氣彈簧的地方。輔助空氣室的容積增大,即增大了空氣彈簧的總?cè)莘e,空氣彈簧隔振系統(tǒng)的固有頻率降低。
7)空氣彈簧可以利用高度控制閥系統(tǒng),使空氣彈簧在不同載荷下
13、,保持工作
高度基本不變。同樣,也可以通過高度控制閥的作用,使空氣彈簧在一定的載荷下
具有不同的高度,因而能適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)上的要求。
8)空氣彈簧能吸收高頻振動,隔音性能極好。
空氣彈簧主要是由橡膠囊和空氣組成的。在振動過程中,橡膠囊由于伸縮、翹曲,有很小的內(nèi)摩擦,所以很難傳遞高頻振動??諝夂拖鹉z不容易傳遞聲音,因此具有很好的隔音性能。而鋼彈簧既容易傳遞高頻振動,又容易傳遞聲音。
9)若在空氣彈簧主氣室和輔助氣室之間設(shè)置節(jié)流孔,當(dāng)空氣彈簧振動變形
時(shí),主、輔氣室之間將產(chǎn)生壓力差,空氣流過節(jié)流孔由于阻力而吸收一部分能量,
因而具有阻尼作用。合適的節(jié)流孔徑能改善隔振系統(tǒng)的阻尼特性,有效地抑制共振
振幅。
10)空氣彈簧重量輕。其本體除了橡膠囊和幾乎沒有重量的空氣以外,就是上
蓋和下蓋,因此比鋼彈簧輕得多。