CN101021240A - 高压大载荷空气弹簧 - Google Patents

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高压大载荷空气弹簧，涉及一种以压力高于1MPa的压缩空气作为弹性体的隔振器。由橡胶囊体、盖板、碟形法兰、密封圈、囊内填充物组成。碟形法兰可调整固有频率和提高空气弹簧大变形情况时的承载。囊体的芳纶骨架层在中间法兰上绕一圈后由外法兰和压紧法兰压紧硫化成三法兰一体化式结构，芳纶骨架层内外有硫化胶层。橡胶囊体与盖板之间由囊体上的密封带、O形密封圈及聚四氟乙烯密封圈密封。盖板上装有的填充物在橡胶囊体内起六向自限位和调整固有频率的作用。本发明芳纶骨架强度大、空气弹簧承压高、承载大，承载能力可达100吨；接头抗拔脱性好、密封气密性好，具有自限位能力，固有频率可调、隔振性能好，可用作舰艇和潜艇大型机械设备的减振降噪。

Description

高压大载荷空气弹簧
技术领域
本发明涉及一种以压力高于1MPa的压缩空气作为弹性体的隔振器。
背景技术
振动是普遍存在的现象，振动可以来源于自然界，也可以来源于人类的生产活动。在舰船、铁路机车、车辆等工业领域，由于机械设备的振动会影响环境的舒适性，严重的会造成设备的破坏。为了减小振动的危害，隔振是投资不大，却行之有效的方法。常用的隔振器有橡胶隔振器、金属隔振器(螺旋弹簧隔振器、蝶簧隔振器、板簧隔振器、钢丝绳隔振器以及金属橡胶隔振器等)、低压小载荷空气弹簧。国内外现有的空气弹簧有囊式和膜式两类，囊体与盖板的接口结构形式主要有卷边式、法兰挤压式和自密封式，都不能满足高内压时接口的抗拔脱要求，且工作压力较低，最大工作压力不超过0.7MPa，若要提高承载能力，其体积尺寸必然较大，因此现有的空气弹簧最大承载能力不超过10吨。而且国内外现有的空气弹簧其密封性、囊体强度、囊体与上下盖板的抗拔脱性、安全可靠性等都较差。对于舰船、潜艇等对体积尺寸、安全可靠性要求高的场合，现有的空气弹簧显然不能满足要求。在体积尺寸要求严格的条件下，要提高载荷只能提高工作压力。高内压条件下，空气弹簧的密封性、强度、抗拔脱性以及安全可靠性等要求更高。
经理论和实验研究表明，对空气弹簧囊体骨架层进行特殊设计，采用新型高性能骨架材料可以实现空气弹簧的高内压、高强度以及大承载能力；设计新型密封结构、采用多重密封技术、设计新型接头结构可以实现空气弹簧抗拔脱以及气密性等要求。这种高内压大载荷空气弹簧可以有效地应用于舰船设备的减振降噪，且可以提供良好的减振降噪效果。
目前，这种具有适用于舰船使用的各种优良性能的高内压大载荷空气弹簧国内外还没有相关产品。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种空间尺寸小、内压高、承载能力强、密封性能好、接头可靠性高、具有弹性自限位能力、减振性能优良的高压大载荷空气弹簧。
本发明目的的实现方式是，高压大载荷空气弹簧，橡胶囊体17由内胶层21、外胶层19、中间的帘线骨架层20构成，帘线骨架层20的帘线沿囊体三法兰接头结构23的中间法兰13绕一圈，并由外法兰12和压紧法兰14压紧固定构成三法兰抗拔脱及密封接头结构，三法兰接头结构23中固定有衬套3，碟形法兰15通过紧固螺钉16固定在压紧法兰14上，橡胶囊体17通过紧固螺钉2与上盖板5以及下盖板18锁紧，之间用密封圈9、10和密封结构22密封，橡胶囊体17内有上填充物6和下填充物4，上填充物通过紧固螺钉7固定在上盖板5上，下填充物4通过紧固螺钉8固定在下盖板18上，上盖板5或者下盖板18上开有气孔11和安装孔1。
本发明的碟形法兰可调整固有频率和提高空气弹簧大变形情况时的承载；囊体的帘线骨架层在中间法兰上绕一圈后由外法兰和压紧法兰压紧硫化成三法兰一体化式结构，芳纶骨架层内外硫化有内外胶层，强度大；囊体与盖板之间有囊体上的密封带、O形密封圈以及聚四氟乙烯密封圈三次密封，三次密封气密性好；盖板上装有填充物，填充物在囊内起六向弹性自限位和调整固有频率的作用。本发明帘线骨架强度大、空气弹簧承压高、承载大、气密性好、接头抗拔脱性好，具有自限位能力，固有频率可调，隔振性能好，可用作舰艇和潜艇大型机械设备的减振降噪。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是上下盖板接口示意图
图3是上填充物结构示意图
图4是图3的A-A向视图
图5是下填充物结构示意图
图6是图5的B-B向视图
具体实施方式
参照图1、2，本发明由橡胶囊体17、碟形法兰15、上下盖板5、18、高性能密封圈9、10以及橡胶囊体内的上、下填充物6、4五部分组成。
橡胶囊体17由内胶层21、外胶层19以及帘线骨架层20硫化成整体结构，骨架层采用芳纶纤维帘线，其强度与钢丝相当，比尼龙、聚酯等高三倍左右。在气囊相同结构尺寸的条件下，采用芳纶纤维帘线的橡胶囊体比采用普通尼龙、聚酯等帘线的橡胶囊体承压高三倍左右，承载能力同样高三倍左右，故能实现高压大载荷，保证强隔振器的内压达到3MPa，实现隔振器的大承载能力，满足舰船对空间尺寸限制的要求。芳纶纤维与其它材料性能比较见表1。
表1芳纶纤维与其它材料性能比较
Figure A20071005163500041
帘线骨架层20除了可以采用芳纶帘线外，还可以采用碳纤维帘线类高强度纤维帘线；帘线骨架层20可以采用四层、六层或八层结构，且两层帘线之间相互呈规定的角度交错布置。
橡胶囊体17的骨架层帘线沿囊体三法兰接头结构23的中间法兰13绕一圈，然后采用外法兰12和压紧法兰14共同压紧在中间法兰13上，最后硫化成一体化的整体结构，实现接头结构的抗拔脱和高可靠性。采用三法兰一体化接头结构后，囊体和上下盖板的密封采用两组密封圈9、10和橡胶囊体17上的密封结构22进行密封。两组密封圈9、10的内圈密封圈9采用O形密封圈，外圈密封圈10采用密封性能好、寿命长的高性能聚四氟乙烯密封圈，采用三次密封实现高压大载荷空气弹簧的高气密性。
高压大载荷空气弹簧的减振性能主要决定于固有频率，可以通过碟形法兰15的导向角度和其内部填充物的大小来调整，空气弹簧的填充率越大、碟形法兰的导向角越大，空气弹簧的固有频率越大。碟形法兰15呈碟形，其作用一方面可以用于调整空气弹簧的固有频率，另一方面可以在瞬态强冲击载荷作用时，空气弹簧产生较大的压缩变形，此时空气弹簧气压升高且有效承载面积增大，碟形法兰15与橡胶囊体17接触，提高空气弹簧的承载能力，提高空气弹簧的可靠性。碟形法兰15安装在压紧法兰14上，碟形法兰纵剖面的圆弧与橡胶囊体纵剖面的圆弧在接触点处相外切，碟形法兰15纵剖面的圆弧半径比橡胶囊体17纵剖面的圆弧半径大，圆弧形纵剖面结构比直线性形纵剖面结构对空气弹簧性能的调整作用更大。
参照图1、3、4、5、6，橡胶囊体内有上、下填充物6、4，上填充物6通过紧固螺钉7固定在上盖板5上，下填充物4通过紧固螺钉8固定在下盖板18上。
上填充物6中间和外部为非金属结构25、29，中间为金属结构。非金属结构可以是橡胶、聚酯等高弹性材料，由高弹性材料构成的非金属结构可以与上填充物金属结构粘合成整体结构。上填充物6有凸台26，中间和上部有导向柱24。
下填充物4中部有卡板27，上下有导向圈28。上填充物6的表面有橡胶弹性体缓冲层25。安装时，将上填充物6插入下填充物4后再旋转90度，上填充物6的凸台26被下填充物4中部的卡板27卡住，上填充物6的导向柱24被下填充物4的导向圈28包含，上下填充物相互之间有橡胶弹性体缓冲层，实现高内压大载荷空气弹簧的六向弹性自限位。舰船在大风浪中摇摆以及舰船受强冲击作用时，位移限制结构可以有效的限制舰船设备的大位移，从而保护与设备连接的管路以及电缆的安全性，且橡胶弹性体可以缓慢限制舰船设备的大位移，不至于由于位移限制结构的金属刚性碰撞造成舰船设备的撞击破坏。
下面举出本发明具体实施例：本发明具体实施例外形尺寸为：长460mm，宽440mm，高200mm。橡胶囊体壁厚8mm，采用四层1500den/1×3规格的芳纶帘线骨架层，空气弹簧纵剖面的圆弧半径为35mm，碟形法兰纵剖面的圆弧半径为40mm。囊内容积的填充率可调范围为0～90％，若囊内填充设计成如图3、4、5、6所示的限位结构，填充率可调范围为40～90％。1500den/1×3规格的芳纶帘线的性能见表2。
表2芳纶帘线性能指标
Figure A20071005163500061
经试验测试，在空气弹簧充气压力为1～3MPa时，空气载荷的承载能力为8～25吨。空气弹簧充内压到25MPa时，空气弹簧未见泄露和破损，橡胶囊体的强度、接头结构的抗拔脱、密封性以及可靠性得到保证。空气弹簧充内压3MPa，静置60天，压力降低小于5％。空气弹簧囊内填充和碟形法兰导向角度对空气弹簧固有频率的影响情况见表3和表4。实施实例碟形法兰导向角度为27.3度，不安装碟形法兰相当于导向角度为0度。
表3囊内填充对空气弹簧实施实例固有频率的影响测试结果
无填充 初始载荷kN     108.7     126.7     141.2
固有频率Hz     3.38     3.34     3.28
60％填充 初始载荷kN     108.5     124.4     138.7
固有频率Hz     3.92     3.84     3.81
70％填充 初始载荷kN     104.6     120.1     134.6
固有频率Hz     4.19     4.14     4.08
80％填充 初始载荷kN     105.9     120.7     134.3
固有频率Hz     4.67     4.63     4.55
表4碟形法兰导向角度和囊内填充对空气弹簧实施实例固有频率的影响测试结果
        导向角度27.3度            导句角度0度
60％填充 初始载荷kN  134.0  152.1  168.2  133.3  149.8  165.3
固有频率Hz  4.28  4.19  4.15  3.59  3.56  3.52
80％填充 初始载荷kN  132.2  148.3  164.4  130.3  145.8  163.0
固有频率Hz  4.69  4.63  4.57  4.23  4.19  4.15

Claims (6)

1、高压大载荷空气弹簧，其特征在于橡胶囊体(17)由内胶层(21)、外胶层(19)及中间的芳纶帘线骨架层(20)构成，帘线骨架层(20)的帘线沿囊体三法兰接头结构(23)的中间法兰(13)绕一圈，并由外法兰(12)和压紧法兰(14)压紧固定构成三法兰抗拔脱及密封接头结构，三法兰接头结构(23)中固定有衬套(3)，碟形法兰(15)通过紧固螺钉(16)固定在压紧法兰(14)上，橡胶囊体(17)通过紧固螺钉(2)与上盖板(5)以及下盖板(18)锁紧，之间用两组密封圈(9、10)和密封结构(22)密封，橡胶囊体(17)内有上填充物(6)和下填充物(4)，上填充物(6)通过紧固螺钉(7)固定在上盖板(5)上，下填充物(4)通过紧固螺钉(8)固定在下盖板(18)上，上盖板(5)或者下盖板(18)上开有气孔(11)和安装孔(1)。
2、根据权利要求1所述的高压大载荷空气弹簧，其特征在于帘线骨架层(20)采用碳纤维帘线类高强度纤维帘线。
3、根据权利要求1所述的高压大载荷空气弹簧，其特征在于帘线骨架层(20)采用四层、六层或八层结构，且两层帘线之间相互呈规定的角度交错布置。
4、根据权利要求1所述的高压大载荷空气弹簧，其特征在于碟形法兰纵剖面的圆弧与橡胶囊体纵剖面的圆弧在接触点处相外切，碟形法兰(15)纵剖面的圆弧半径比橡胶囊体(17)纵剖面的圆弧半径大。
5、根据权利要求1所述的高压大载荷空气弹簧，其特征在于两组密封圈(9、10)的内圈密封圈(9)采用O形密封圈，外圈密封圈(10)采用聚四氟乙烯密封圈。
6、根据权利要求1所述的高压大载荷空气弹簧，其特征在于上填充物(6)有凸台(26)，中间和上部有导向柱(24)，内部有填充物(29)，下填充物(4)中部有卡板(27)，上下有导向圈(28)，上填充物(6)或下填充物(4)的表面有橡胶弹性体缓冲层。
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