CN101008426A - 线性防偏摆双腔室空气弹簧 - Google Patents

Abstract

线性防偏摆双腔室空气弹簧，主要用于超精密试验台、超精密机床和光学平台等设备的隔振。本发明的主要技术特征是活塞的下部通过迷宫式密封与压圈密封配合；活塞的中部与压圈构成空气轴承，从而达到了抛弃传统橡胶密封方式的目的。该线性防偏摆双腔室空气弹簧由迷宫密封或磁流体密封代替了橡胶密封，消除了橡胶对空气弹簧固有频率和阻尼特性的极大影响，然后通过活塞上空气轴承的气膜均化作用，可以使活塞始终保持在气缸的中心，消除了活塞和负载的安装偏心问题，避免了偏摆振动，最后由于排除了橡胶的弹性影响因素，因此完全可以设计出固有频率极低的双腔室空气弹簧。

Description

线性防偏摆双腔室空气弹簧

技术领域

本发明涉及一种空气弹簧，主要用于超精密试验台、超精密机床和光学平台等设备的隔振，属于超精密设备及测量技术领域。

背景技术

在超精密加工、IC制造和光学检测过程中来自外部和内部的振动会危害设备达到其最终性能，所以这些领域内的设备广泛采用各种各样的隔振器来达到隔除振动的目的，其中空气弹簧以其简单可靠、成本低廉和性能优异得到了广泛的应用，它可以和其它主动隔振组成混合型隔振器，也可以单独使用。空气弹簧的结构形式主要有单腔室和双腔室两种，其中双腔室空气弹簧由于其固有频率不随负载质量大小而变化，实现了结构上的解耦，而在超精密试验台、超精密机床和光学平台领域中得到了大量的应用。

现有双腔室空气弹簧大体结构是圆柱形或方柱形的外型，并通过固定隔板分为上腔室和下腔室，固定的隔板上根据实际需要加工一定数量的节流孔，上腔室顶部通过环状橡胶和圆形活塞连接。工作时负载或外部的振动引起活塞上下振动，上腔室压力发生变化促使空气在上下腔室之间流动，流动的空气经过节流孔时节流产生阻尼，达到消除振动幅值的目的。

双腔室空气弹簧是通过空气经过上/下腔室之间的节流孔产生阻尼。该类型空气弹簧隔振器的动力学分析在各种文献中都有讨论，这些文献主要通过流体连续方程推导出其传递率公式：

$\frac{x_p\left(s\right)}{x_{\mathrm{base}}\left(s\right)}=\frac{\frac{{\mathrm{nP}}_0{A}_p^2}{V_{t0}}(s+\frac{{\mathrm{nP}}_0{C}_r{n}_0}{V_b})}{m_p{s}^3+\frac{m_p{\mathrm{np}}_0{C}_r{n}_0(V_{t0}+V_b)}{V_{t0}{V}_b}{s}^2+\frac{{\mathrm{nP}}_0{A}_P^2}{V_{t0}}s+\frac{n^2{P}_0^2{n}_0{C}_r{A}_P^2}{V_{t0}{V}_b}}$

其中常数 $C_r=\frac{\mathrm{\π}{d}^4}{128\mathrm{\μl}}$ ；空气粘度常数μ＝1.824E-5Pa*s；P₀＝上下腔室初始压力；m_p＝负载质量；A_p＝活塞面积；V_b＝下腔室体积；V_t0＝上腔室初始体积；多变常数n＝1.4；n₀＝节流孔数目；1＝节流孔长度；d＝节流孔直径；

空气弹簧性能本身是一个非线性的问题，这样会造成理论分析和实际空气弹簧的性能存在很大差距。多数研究文献指出非线性主要来自于空气的紊流和橡胶密封部件，为了解决非线性的问题，通常的解决方案主要集中在减少紊流带来的非线性因素：

1)腔室内光滑且没有阳拦物。

2)节流孔结构平滑且厚度小。

3)增加节流孔数量，让空气流动近似层流。

4)限制负载的大位移，通常商业双腔室空气弹簧活塞行程为10μm的量级。

而对于橡胶带来的非线性，通常难以进行有效的理论分析，绝大多数文献中空气弹簧的理论公式没有包括橡胶的因素。由于橡胶可以看成一个弹簧阻尼元件，其较大的弹簧和阻尼系数对空气弹簧的固有频率和传递率都有极大的影响，致使实际固有频率和共振峰值等结果与理论公式估算的结果存在很大的差别，同时由于橡胶的弹性和阻尼因素的存在，会造成空气弹簧无法做到极低的固有频率，目前世界上空气弹簧固有频率最低只能做到0.5到1Hz左右，无法进一步实现更低的固有频率。

另外，空气弹簧存在一个重要的缺陷，如图1所示的第二个共振峰，这是由于活塞或负载安装偏心会引起空气弹簧活塞的偏摆振动，要消除这种振动只有通过对活塞的精细同心装调才能达到目的，但是这种装调费工费时不利于工业化制造。

发明内容

本发明的目的是本着消除橡胶密封带来的非线性因素的影响和抑制由于活塞/负载放置偏心所带来的偏摆振动问题，提供一种线性防偏摆双腔室空气弹簧，以消除橡胶密封带来的非线性因素的影响和抑制由于活塞/负载放置偏心带来的偏摆振动，进一步完善双腔室空气弹簧的功能结构，使得各种文献中提出的理论公式可以准确计算分析该空气弹簧的动力学问题。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种线性防偏摆双腔室空气弹簧，含有缸体、活塞、设置在缸体顶部且于活塞配合的压圈以及设置在缸体内的隔板，该隔板将缸体内腔分割成上腔室和下腔室，其特征在于：所述活塞的下部通过非接触式密封与压圈密封配合；活塞的中部与压圈构成空气轴承，该空气轴承包括均布在压圈中部的径向工艺孔、开在工艺孔末端的节流孔以及与所述工艺孔相连通的环槽，该环槽顶部用密封环密封，并在任一工艺孔上安装气嘴。

本发明中所述活塞下部与压圈配合的非接触式密封可采用迷宫密封或磁流体密封。

在上述技术方案的基础上，本发明所述的活塞形状为圆形或方形；并在活塞的上部设有限位板。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明通过迷宫密封或磁流体密封代替了橡胶密封，消除了橡胶对空气弹簧固有频率和阻尼特性的极大影响，因此完全可以通过理论推导公式对空气弹簧的性能进行分析预测，其理论和实际结果差别很小。②本发明通过活塞上空气轴承的气膜均化作用，使活塞始终保持在气缸的中心，消除了活塞和负载的安装偏心问题，避免了偏摆振动。③本发明所述空气弹簧排除了橡胶的刚度影响因素，因此完全可以设计出固有频率极低的空气弹簧隔振器。④本发明所述空气弹簧环境适应性强，依然使用压力空气作为动力，可适用于其他诸如超精密机床、光学平台等领域。

附图说明

图1为现有空气弹簧理论传递率计算结果和实测图。

图2为本发明提供的线性防偏摆双腔室空气弹簧的主剖视图。

图3为本发明中压圈的结构示意图。

图4为本发明中活塞的轴侧视图。

图中：1-活塞；2-压圈；4-O型密封圈；5-第一气嘴；8-隔板；9-缸体；12-底板；13-下腔室；14-节流孔；15-上腔室；16-第一密封环；17-第二密封环17；18-限位板；20-气浮轴承工作面；21-迷宫密封叶片；22-气浮轴承节流孔；25-压圈下部的内表面；26-工艺孔；27-环槽；28-第二气嘴；29-压圈上部内表面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、具体结构和工作过程作进一步的说明。

图2为本发明提供的线性防偏摆双腔室空气弹簧实施例的主剖视图。该线性防偏摆双腔室空气弹簧，含有缸体9、活塞1、设置在缸体顶部且于活塞配合的压圈2以及设置在缸体内的隔板8，隔板8中部布置了一定数量的节流孔14，该隔板将缸体内腔分割成上腔室15和下腔室13；这样当活塞1上下振动时，缸体9内部的压力空气就会通过节流孔14在上腔室15和下腔室13之间来回流动，压力空气通过节流孔14时产生节流阻力，从而达到衰减振动的目的。

活塞1的下部通过非接触式密封与压圈2密封配合，最好采用迷宫密封或磁流体密封。活塞的中部与压圈构成空气轴承，该空气轴承包括均布在压圈中部的径向工艺孔26、开在工艺孔末端的气浮轴承节流孔22以及与所述工艺孔相连通的环槽27，该环槽顶部用第二密封环17密封，在任一工艺孔安装有第二气嘴28。底板12通过螺栓与缸体9连接，为了保证密封在底板12和缸体9中加入了O型密封圈；在隔板8和缸体9之间加入了O型密封圈保证密封；缸体9上部使用螺栓安装固定了压圈2，在缸体9和压圈2之间加入O型密封圈保证密封；活塞1放置在压圈2中部空心部分；缸体9上部安装了向其内部供气的第一气嘴5。

如图3所示，本发明所示的空气弹簧中压圈2的示意图。压圈2在径向开有一定数量的工艺孔26，工艺孔26术端开有气浮轴承节流孔22，所有工艺孔26通过轴向的环槽27联通，环槽27顶部使用密封环17密封，任意选取一个工艺孔26作为供气口安装第二气嘴28，通过第二气嘴28向工艺孔26内提供压力空气，其余工艺孔26使用第一密封环16密封。

图4为本发明提供的线性防偏摆双腔室空气弹簧中活塞的轴侧视图。活塞1顶部设置了安装负载的安装孔19，在活塞的上部安装有限位板18，当空气弹簧不工作时，活塞1下降，限位板18停在图2中所示压圈2的表面上；活塞1中部为气浮轴承工作面20，气浮轴承工作面20和图2中所示的气浮轴承节流孔22配合组成完整的气浮轴承，当压力空气通过图3中所示气浮轴承节流孔22后，气浮轴承工作面20和图3中所示压圈2上部内表面29之间形成气膜，由于气膜具有均化作用，可以自动保持活塞1和压圈2的同心，消除了活塞或负载带来的偏心，从而抑制了偏摆振动；在活塞1下部为迷宫密封叶片21，迷宫密封叶片21和图3中所示的压圈2下部内表面25组成了迷宫密封，该迷宫密封将气浮轴承中的压力空气和上腔室15中压力空气分隔开，这种就完全抛弃了传统的橡胶密封，消除了一个重要的非线性因素。

Claims (4)

1.一种线性防偏摆双腔室空气弹簧，含有缸体(9)、活塞(1)、设置在缸体顶部且与活塞配合的压圈(2)以及设置在缸体内的隔板(8)，该隔板将缸体内腔分割成上腔室(15)和下腔室(13)，其特征在于：所述活塞的下部通过非接触式密封与压圈(2)密封配合；活塞的中部与压圈构成空气轴承，该空气轴承包括均布在压圈中部的径向工艺孔(26)、开在该工艺孔末端的气浮轴承节流孔(22)以及与所述工艺孔相连通的环槽(27)，该环槽顶部用密封环(17)密封，在任一工艺孔上安装第二气嘴(28)。

2.按照权利要求1所述的线性防偏摆双腔室空气弹簧，其特征在于：所述活塞下部与压圈配合的非接触式密封为迷宫密封或磁流体密封。

3.按照权利要求1或2所述的线性防偏摆双腔室空气弹簧，其特征在于：在活塞的顶部设有限位板(18)。

4.按照权利要求3所述的线性防偏摆双腔室空气弹簧，其特征在于：所述的活塞形状为圆形或方形。

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