CN101067432A - 带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础 - Google Patents

Abstract

带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，本发明属于超低频隔振领域，空气弹簧隔振基础因空气弹簧横、纵向刚度相互耦合导致横、纵向超低频隔振性能无法兼顾。本发明产品包括：基体(5)、一组空气弹簧(4)、供气系统(1)、高度控制系统(2)、多个磁悬浮单元(3)、低刚度扶正装置(6)，供气系统(1)与高度控制系统(2)输入端相连，高度控制系统(2)输出端与每个空气弹簧(4)分别相连，磁悬浮单元(3)直接与供气系统(1)相连，磁悬浮单元(3)和空气弹簧(4)串联安装于所述的基体(5)之下，由空气弹簧(4)与磁悬浮单元(3)串联支撑基体(5)，基体(5)侧面安装低刚度扶正装置(6)。本发明可在不改变隔振系统承载能力的条件下，更适于超大型空气弹簧隔振基础。

Description

带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础

技术领域

本发明属于超低频隔振领域，尤其是一种空气弹簧隔振基础。

背景技术

空气弹簧隔振基础由于其低频隔振效果好、对负载变化不敏感、使用寿命长等优点而被广泛应用于振动隔离领域。随着超精密加工与测量、微纳米技术和超大规模集成电路制造精度水平的不断提高，对振动隔离的超低频性能提出了更高的要求。然而目前的空气弹簧隔振基础因空气弹簧横、纵向刚度相互耦合导致横、纵向超低频隔振性能无法兼顾，这在很大程度上限制了其在超低频隔振领域的进一步应用。

专利US5779010”Suspended low-frequency horizontal pendulum isolatorfor vibration isolation systems”提出将空气弹簧与单摆机构串联以支撑台体。由于单摆机构的横向刚度远小于空气弹簧横向刚度而纵向刚度远大于空气弹簧的纵向刚度，两者串联后等效横向刚度接近单摆机构横向刚度，等效纵向刚度接近空气弹簧纵向刚度，因而隔振系统的横向刚度取决于单摆的横向刚度、纵向刚度取决于空气弹簧的纵向刚度。它可解决因空气弹簧横、纵向刚度耦合带来的隔振系统横向隔振和纵向隔振不能兼顾的问题。但是单摆机构的横向隔振能力很大程度上取决于单摆的臂长，臂长越长隔振效果越好，欲获得超低的隔振频率就会导致系统隔振系统会有庞大的尺寸，这也是它的一个很大的弱点，此外它的承载能力不高，不适于承载超大型隔振基础。

专利CN1487216A “倒摆式气动隔振器”利用密封气囊的柔性实现与地面的垂直隔振，依靠倒摆的水平摆动实现水平隔振。它也可解决因空气弹簧横、纵向刚度耦合带来的隔振系统横向隔振和纵向隔振不能兼顾的问题。但是由于它的所有承载都将施加到底座内的滚珠之上，因而其承载能力不高，不适于承载超大型隔振基础。

此外国内外很多学者提出采用主动控制方法实现超低频隔振(1.K.G.AHN，et al.A Hybrid-type Active Vibration Isolation System Using Neural Networks.Journal of Sound and Vibration.1996，192(4)，793-805.；2.Yoshiya Nakamura，etal.Development of Active 6-DOF Microvibration Control System Using GiantMagnetostrictive Actuator.SPIE 1999，229-240)，其原理是采用主动作动器和空气弹簧并联，选用适当的主动控制策略控制作动器的运动，达到减振的目的。这种方法的缺点是控制原理复杂、实现困难、可能导致系统不稳定。

在此之前由发明人提出的“一种带有气体润滑单元的空气弹簧隔振基础”具有优良的超低频隔振性能和良好的承载能力，但由于气体润滑单元的承载能力的限制，使得它只适合用于质量相对较小的中、小型或大型隔振基础，而无法满足超大型隔振基础对承载能力的要求。

发明内容

本发明提出一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，以满足超大型隔振基础对承载能力的要求，可在不改变隔振系统承载能力的条件下，大幅度提高隔振基础的横、纵向超低频隔振性能，可有效解决已有空气弹簧隔振基础横、纵向隔振不能兼顾的问题。

本发明的技术解决方案是：

带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，其组成包括：基体(5)、一组空气弹簧(4)、供气系统(1)、高度控制系统(2)、多个磁悬浮单元(3)、低刚度扶正装置(6)，所述的供气系统(1)与所述的高度控制系统(2)输入端相连，所述的高度控制系统(2)输出端与每个所述的空气弹簧(4)分别相连，所述的磁悬浮单元(3)直接与所述的供气系统(1)相连，所述的磁悬浮单元(3)和所述的空气弹簧(4)串联安装于所述的基体(5)之下，由所述的空气弹簧(4)与所述的磁悬浮单元(3)串联支撑所述的基体(5)，所述的基体(5)侧面安装所述的低刚度扶正装置(6)。

所述的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，所述的磁悬浮单元(3)置于空气弹簧(4)之上或者之下。

所述的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，所述的低刚度扶正装置(6)是柔性气囊或者金属螺旋弹簧或者非金属橡胶。

所述的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，所述的磁悬浮单元(3)是由一对电磁铁(7)或者永磁铁(8)组成，两个电磁铁(7)或者永磁铁(8)布置方式是串联方式，并且相对面为同极性。

本发明具有以下特点和良好效果：

本发明采用新颖的串联隔振结构，利用磁悬浮单元横向承载能力趋近于零而纵向承载能力高于空气弹簧的特性，不仅使隔振基础的横向刚度降低为其侧面的低刚度扶正装置的刚度，而且使纵向刚度变为磁悬浮单元和空气弹簧串联等效刚度。

本发明的控制原理属于开环控制，相比主动控制系统省去了检测环节和反馈环节，既节约了成本又不存在稳定性问题。

本发明将磁悬浮单元和空气弹簧原本相互独立的装置有机整合成为一个整体，使其功能和结构相融合。利用磁悬浮单元横向承载能力趋近于零而纵向承载能力高于空气弹簧的特性，不仅使隔振基础的横向刚度降低为其侧面的低刚度扶正装置的刚度，而且使纵向刚度达到磁悬浮单元和空气弹簧串联等效刚度，可同时实现隔振基础的横、纵向超低频隔振，解决了现有空气弹簧隔振基础横、纵向隔振性能相互影响、无法兼顾的问题。通过设计合理的磁悬浮单元和选择合适的低刚度扶正装置，可使得隔振基础纵向固有频率降至0.7Hz以下，横向固有频率降至0.2Hz～0.5Hz。这是区别于现有技术的创新点之一；

本发明采用磁悬浮单元和空气弹簧组成的串联结构支撑基体，利用磁悬浮单元的纵向承载能力高于空气弹簧的纵向承载能力的特性，可有效保证隔振基础具有很强的承载能力，克服了现有的单摆或者倒摆与空气弹簧串联结构承载能力差的缺点，满足了大型和超大型隔振基础在进行超低频隔振的同时对承载能力的特殊要求，更适合用于质量和体积都很大的超大型隔振基础。这是区别于现有技术的创新点之二。

本设计方案采用十分简单的结构，仅在传统空气弹簧隔振基础中加入磁悬浮单元和低刚度扶正装置，即可解决目前空气弹簧隔振基础横、纵向隔振不能兼顾的问题，提高隔振基础双向超低频隔振性能。对比主动控制技术，本发明可省去检测环节和反馈环节，既节约了成本又不存在稳定性问题，而且结构简单、易于实现。

附图说明

附图1是本发明的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础结构示意图；

附图2是本发明的高度控制系统原理示意图；

附图3是本发明中磁悬浮单元和空气弹簧串联布置方式示意图，其中磁悬浮单元位于空气弹簧之上；

附图4是本发明中磁悬浮单元和空气弹簧串联布置方式示意图，其中空气弹簧位于磁悬浮单元之上；

附图5是本发明的磁悬浮单元结构示意图；由两个电磁铁串联组成，相对面为同极性；

附图6是本发明的磁悬浮单元结构示意图；由两个永磁铁串联组成，相对面为同极性；

附图7是本发明的磁悬浮单元结构示意图；由一个电磁铁和一个永磁铁串联组成，相对面为同极性；

图中，1气路系统、2高度控制系统、3磁悬浮单元、4空气弹簧、5基体、6低刚度扶正系统、7电磁铁、8永磁铁、9高度控制器、10位移传感器、11三位电磁阀。

具体实施方式

本发明的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础的系统结构及工作原理结合实施例及附图详细说明如下：

本发明的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础一实施例，结构如图1所示，包括：基体5、多个空气弹簧4、多个磁悬浮单元3，磁悬浮单元3与空气弹簧4组成的串连结构支撑基体5，基体5侧面布置低刚度扶正装置6。

由于磁悬浮单元3横向承载能力趋近于零，因而它与空气弹簧4串联等效横向刚度为零，等效纵向刚度为，

$k=\frac{k_1\×k_2}{k_1+k_2}\≤k_1$

其中k为等效纵向刚度，k₁为空气弹簧4纵向刚度，k₂为磁悬浮单元3纵向刚度。因此磁悬浮单元3和空气弹簧4组成的串联结构支撑基体5，可使隔振基础横向刚度趋近于零而纵向刚度也有一定程度的下降，为了保证隔振基础横向稳定，在基体5侧面布置低刚度扶正装置6。通过设计合理的磁悬浮单元3和选择合适的低刚度扶正装置6，可同时大幅提高隔振基础的横、纵向超低频隔振性能。

高度控制系统2作用是调节基体5的纵向位置以克服负载变化对隔振基础性能造成的影响。目前应用比较广泛的高度控制方式为反馈控制，如图2所示。它包括：高度控制器9、位移传感器10和三位电磁阀11。高度控制器9依据安装在基体5上的位移传感器10反馈的高度信号控制三位电磁阀11使得气路实现充气(供气系统1直接与空气弹簧3相连)、保持、排气(空气弹簧3直接与大气相连)三种状态。

图3和图4例举了两种磁悬浮单元3与空气弹簧4的串联布置方式，磁悬浮单元3既可以安装在基体5与空气弹簧4之间，也可以安装在空气弹簧4与地面之间。整个系统安装方便结构紧凑。

图5、图6和图7说明了磁悬浮单元三种实现方式。图6中的磁悬浮单元是由两个电磁铁组成，这两个电磁铁串联布置并且同极性相对；图7中的磁悬浮单元是由两个永磁铁组成，这两个永磁铁串联布置并且同极性相对；图8中的磁悬浮单元是由一个电磁铁和一个永磁铁组成，这两个磁铁串联布置并且同极性相对。

本发明中的磁悬浮单元的承载能力是依靠两个磁铁之间的斥力提供的。对于电磁铁而言，斥力的大小取决于线圈的安匝数、铁芯的有效横截面积、磁铁之间的气隙高度等；对于永磁铁而言，斥力的大小取决于永磁铁的材料、磁化方向的长度、磁铁的面积、磁铁间的气隙高度等。而磁铁在磁悬浮列车中的广泛应用，也从理论和实际应用的角度说明了其承载能力要高于空气弹簧的承载能力。故而采用空气弹簧和磁悬浮单元串联支撑基体，可保证隔振系统具有强的承载能力，从而克服现有的单摆或者倒摆与空气弹簧串联结构承载能力差的缺点，满足了超大型隔振基础在进行超低频隔振的同时对承载能力的要求。另外本发明的空气弹簧隔振基础对比主动控制技术可省去检测环节和反馈环节，既节约了成本又不存在稳定性问题。

以上结合附图对本发明的具体实施方式做了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求书基础上进行的。

Claims (5)

1.一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，其组成包括：基体(5)、一组空气弹簧(4)、供气系统(1)、高度控制系统(2)、多个磁悬浮单元(3)、低刚度扶正装置(6)，其特征是：所述的供气系统(1)与所述的高度控制系统(2)输入端相连，所述的高度控制系统(2)输出端与每个所述的空气弹簧(4)分别相连，所述的磁悬浮单元(3)直接与所述的供气系统(1)相连，所述的磁悬浮单元(3)和所述的空气弹簧(4)串联安装于所述的基体(5)之下，由所述的空气弹簧(4)与所述的磁悬浮单元(3)串联支撑所述的基体(5)，所述的基体(5)侧面安装所述的低刚度扶正装置(6)。

2.根据权利要求1所述的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，其特征是：所述的磁悬浮单元(3)置于空气弹簧(4)之上或者之下。

3.根据权利要求1或2所述的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，其特征是：所述的低刚度扶正装置(6)是柔性气囊或者金属螺旋弹簧或者非金属橡胶。

4.根据权利要求1或2所述的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，其特征是：所述的磁悬浮单元(3)是由一对电磁铁(7)或者永磁铁(8)组成，两个电磁铁(7)或者永磁铁(8)布置方式是串联方式，并且相对面为同极性。

5.根据权利要求3所述的一种带有磁悬浮单元的空气弹簧隔振基础，其特征是：所述的磁悬浮单元(3)是由一对电磁铁(7)或者永磁铁(8)组成，两个电磁铁(7)或者永磁铁(8)布置方式是串联方式，并且相对面为同极性。

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