CN112901698A - 一种等温空气弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等温空气弹簧，包括主气室、副气室和连通所述主气室和副气室的阻尼孔；所述主气室内填充有导热体，所述导热体为等温材料。本发明的空气弹簧基于等温容腔原理，在现有空气弹簧主气室中加入等温材料，确保了主气室在充放气时保持恒温，为实现隔振力学模型的准确建立、隔振系统的精确控制创造有利条件。

Description

一种等温空气弹簧

技术领域

本发明涉及气动技术领域，具体涉及一种等温空气弹簧。

背景技术

带附加气室的空气弹簧作为空气弹簧的类型之一，其以在设备隔振中的优越性受到国内外学者的广泛关注与研究，其结构由空气弹簧(主气室)、附加气室(副气室)和阻尼孔组成，橡胶气囊是空气弹簧主要部件。空气弹簧工作时，橡胶气囊的形变会使主副气室间产生压差而产生气体的交换，通过阻尼孔的限制气体流动的速度从而起到衰减振动的作用。在空气弹簧工作中主气室的充气与放气过程中的压力响应、温度变化是评估空气弹簧性能的关键要素。

空气弹簧性能的评估通常通过建立空气弹簧隔振力学模型实现，但建立有关压力、温度两个因素的隔振力学模型比较复杂，因此很多学者为简化模型通常忽略空气弹簧主气室在充气和放气过程中气体温度变化，只考虑压力响应；另外现有空气弹簧系统的设计未考虑等温充放气的技术设计，因此造成理论模型的建立与实际工况不相符，从而造成空气弹簧隔振力学模型构建不准确、隔振系统的控制效果不佳等问题。

因此，如何提供一种能够实现等温充放气的等温空气弹簧是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种等温空气弹簧，在现有空气弹簧主气室中加入等温材料(铜丝/多孔质)，确保了主气室在充放气时保持恒温。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种等温空气弹簧，包括主气室、副气室和连通所述主气室和副气室的阻尼孔；所述主气室内填充有导热体，所述导热体为等温材料。

本发明的空气弹簧基于等温容腔原理，即在主气室中加入等温材料，使主气室充放气过程中容腔内部温度基本保持不变，为实现隔振力学模型的准确建立、隔振系统的精确控制创造有利条件。

优选的，所述等温材料均匀填充在所述主气室内，所述等温材料的填充密度为0.1-0.5kg/L。

优选的，所述等温材料为铜丝。

优选的，所述等温材料为与所述主气室内部相同结构，且与所述主气室过盈配合。

优选的，所述等温材料为多孔质材料，孔径为40-90μm。

优选的，所述多孔质材料由不锈钢粉末烧结而成。

本发明还提出了一种等温材料的参数优化方法，包括如下步骤：

步骤一，确定等温材料参数，根据等温材料参数构建主气室横截面导热模型；

步骤二，确定优化目标函数及约束条件，优化目标函数为在给定的主气室容积及阻尼孔直径条件下，当主气室横截面积中心的温度为最高时的等温材料参数值；约束条件为主气室在充放气过程中壁面温度大于预设值；

步骤三，根据等温材料参数、优化目标函数和约束条件，利用非支配排序遗传算法对主气室横截面积中心温度进行迭代计算，产生符合目标函数值的等温材料参数的解集。

本发明使用非支配排序遗传算法对等温材料参数进行优化确定，进一步提高了主气室充放气的等温性能。

优选的，所述步骤一中，所述等温材料参数为铜丝参数，包括：铜丝直径、填充密度和填充质量；或，所述等温材料参数为多孔质材料参数，包括：横截面积、体积和孔径。

优选的，所述步骤二中，约束条件为主气室在充放气过程中壁面温度大于0℃。

优选的，所述步骤三具体包括：

种群个体为等温材料的尺寸参数，采用浮点数进行编码，创建初始化种群，并设定迭代次数；

将主气室充放气壁面温度进行升序排列，从等温材料参数中选择随机选择固定个参数作为父方或母方进行交叉变异操作，以产生新的种群，进行目标函数值的计算；重复上述步骤直至迭代计算结束，产生符合目标函数值的等温材料参数的解集。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明在现有空气弹簧主气室中加入等温材料(铜丝/多孔质)，确保了主气室在充放气时保持恒温，通过非支配排序遗传算法确定等温材料的最优参数，提升了空气弹簧隔振力学模型的建立的准确性及隔振系统控制的有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；

图1为本发明实施例提供的一种等温空气弹簧的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的等温材料的参数优化方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一方面公开了一种等温空气弹簧，针对现有空气弹簧中缺乏等温充放气技术所造成的隔振力学模型建立不准确、隔振系统的控制效果不佳等问题，建立一种基于等温容腔原理的空气弹簧，即在主气室1中加入铜丝或多孔质材料。

参见图1，本实施例提供的等温空气弹簧具体包括主气室1、副气室2和连通主气室1和副气室2的阻尼孔3；主气室1内填充有导热体4，导热体4为等温材料。

本实施例中，主气室1的主要部件是橡胶气囊，其结构为圆柱形，容积为3-10L，截面积为0.01-0.09m²。副气室2由刚性材料制成，可选用铝合金、不锈钢、钛合金等材料，其结构可为方形、球形、椭圆形等。阻尼孔3的作用限制主、副气室间的气体的流动速度及流量，其孔径为0.2mm-0.5mm。

在一个实施例中，等温材料均匀填充在主气室1内，等温材料的填充密度为0.1-0.5kg/L。

本实施例中，等温材料为铜丝。铜丝的直径为10-60μm，填充的方式为均匀填充，填充质量为0.3kg-5kg，填充的铜丝间的孔隙率达到95％以上。

在一个实施例中，等温材料为与主气室1内部相同结构，且与主气室1过盈配合。

本实施例中，等温材料为多孔质材料，多孔质材料选用在1000℃以上，其孔径可为40-90μm，横截面积0.01-0.09m²，体积为3.1L-9.9L。多孔材料外壁面尺寸要大于主气室内壁尺寸0.01mm。

本实施例中，多孔质材料采用SUS316L不锈钢粉末烧结而成，将烧结而成的多孔质材料加工成与主气室内部相同的结构。

本发明另一方面还提出了第一方面中等温材料的参数优化方法，空气弹簧中充放气的等温性能直接影响空气弹簧隔振器的性能，而等温材料的结构参数(如铜丝的直径、多孔质材料的孔径、铜丝的填充密度等)的选取决定着等温性能。

包括如下步骤：

S1，确定等温材料参数，根据等温材料参数构建主气室1横截面导热模型。

确定等温性能优化设计中涉及的等温材料参数，用尺寸参数A表示(铜丝参数：铜丝的直径为a1、填充密度为a2、填充质量a3；多孔质材料：横截面积a1'、体积a2'、孔径a3')。

根据等温材料参数构建主气室横截面导热模型，导热模型是根据导热微分方程建立的，是对导热物体内部温度场内在规律的描述，适用于所有导热过程。与材料的导热系数、密度、比热容、容腔截面积有关。

材料的导热系数与孔隙率相关，即与铜丝填充密度或多孔质材料孔径相关；铜丝的填充密度又跟铜丝的直径及填充质量相关；多孔质材料的密度的计算离不开体积参数。多孔质横截面积又与容腔截面积相关。

本实施例中的主气室横截面导热模型中包含了a1、a2、a3，或a1'、a2'、a3'参数。

主气室横截面导热模型表示为：

铜丝导热模型：f(T,t,a1,a2,a3)

多孔质导热模型：f(T,t,a1',a2',a3')

其中，导热方程为：

r、θ为极坐标下的横截面尺寸及位置，

λ、ρ、c分别为导热系数、密度和比热容，

T为温度，t为时间。

S2，确定优化目标函数及约束条件，优化目标函数为在给定的主气室1容积及阻尼孔3直径条件下，包括主气室1横截面积中心的温度为最高、同时还可以包括加工成本系数最小时的等温材料参数值；约束条件为主气室1在充放气过程中壁面温度大于0℃。

本实施例容积为3-10L，截面积为0.01-0.09m²，阻尼孔孔径为0.2mm-0.5mm。

等温材料参数值选取范围如下：

铜丝：直径a1范围为[30μm,60μm]，填充密度a2范围为[0.1kg/L,0.3kg/L]，填充质量范围为[0.3kg,2kg]。

多孔质材料：横截面积a1'范围为[0.01m²,0.05m²]，体积a2'范围为[3.1L,5L]，孔径a3'范围为[50μm,90μm]。

执行过程中，认为时间为40s时，中心温度大于10℃时，等温材料参数值可以作为设计依据。

S3，根据等温材料参数、优化目标函数和约束条件，利用非支配排序遗传算法对主气室1横截面积中心温度进行迭代计算，产生符合目标函数值的等温材料参数的解集。

其中，非支配排序遗传算法优化模型可表示为：

Max G(A)＝(g1(A)＝P,g2(A)＝Q)；

G(A)为非支配排序遗传算法模型，Max G(A)即在加工成本系数最小的情况下，主气室横截面中心温度最高。

g1(A)、g2(A)为两个最优化目标函数；

g1(A)为主气室中心温度，g2(A)为以等温材料参数构建的加工成本模型，铜丝：g2(A)＝c1*a1+c2*a2+c3*a3；

或多孔质材料：g2(A)＝c1'*a1'+c2'*a2'+c3'*a3'；

c1、c2、c3、c1'、c2'、c3'为各等温材料参数下的成本系数。

A＝(a1,a2,a3)或A＝(a1',a2',a3')为等温材料参数。

具体执行过程如下：

S31、种群个体为等温材料的尺寸参数A＝[a1,a2,a3]或A＝[a1',a2',a3']，随机生成，范围为：10μm≤a1≤60μm；0.1kg/L≤a2≤0.5kg/L；0.3kg≤a3≤5kg；0.01m²≤a1'≤0.09m²；3.1L≤a2'≤9.9L；40μm≤a3'≤90μm。采用浮点数进行编码，创建初始化种群，初始种群及迭代次数的值为60和200。

S32、根据主气室横截面导热模型计算得到主气室1充放气壁面温度并进行升序排列，从等温材料参数中选择随机选择3个参数作为父方或母方进行交叉变异操作，以产生新的种群，进行目标函数值，即主气室1横截面积中心温度值及加工成本系数的计算；3个参数选自导热模型中的自变量(等温材料的导热系数、密度、比热容、容腔截面积)。

S33、重复上述步骤直至迭代计算结束，产生符合目标函数值的等温材料参数的解集。

S4、最后根据非支配排序遗传算法迭代计算的结果，结合实际生产加工的精度，从等温材料参数解集B中得到最优的等温性能空气弹簧的设计参数。

上述等温材料参数优化方法及优化后的最优等温材料参数可以用于空气弹簧隔振力学模型的建立，以及隔振系统控制过程。

以上对本发明所提供的等温空气弹簧进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种等温空气弹簧，包括主气室、副气室和连通所述主气室和副气室的阻尼孔；其特征在于，所述主气室内填充有导热体，所述导热体为等温材料。

2.根据权利要求1所述的等温空气弹簧，其特征在于，所述等温材料均匀填充在所述主气室内，所述等温材料的填充密度为0.1-0.5kg/L。

3.根据权利要求2所述的等温空气弹簧，其特征在于，所述等温材料为铜丝。

4.根据权利要求1所述的等温空气弹簧，其特征在于，所述等温材料为与所述主气室内部相同结构，且与所述主气室过盈配合。

5.根据权利要求4所述的等温空气弹簧，其特征在于，所述等温材料为多孔质材料，孔径为40-90μm。

6.根据权利要求5所述的等温空气弹簧，其特征在于，所述多孔质材料由不锈钢粉末烧结而成。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的等温材料的参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，确定等温材料参数，根据等温材料参数构建主气室横截面导热模型；

步骤二，确定优化目标函数及约束条件，优化目标函数为在给定的主气室容积及阻尼孔直径条件下，包括主气室横截面积中心的温度为最高时的等温材料参数值；约束条件为主气室在充放气过程中壁面温度大于预设值；

步骤三，根据等温材料参数、优化目标函数和约束条件，利用非支配排序遗传算法对主气室横截面积中心温度进行迭代计算，产生符合目标函数值的等温材料参数的解集。

8.根据权利要求7所述的等温材料的参数优化方法，其特征在于，所述步骤一中，所述等温材料参数为铜丝参数，包括：铜丝直径、填充密度和填充质量；或，所述等温材料参数为多孔质材料参数，包括：横截面积、体积和孔径。

9.根据权利要求7所述的等温材料的参数优化方法，其特征在于，所述步骤二中，约束条件为主气室在充放气过程中壁面温度大于0℃。

10.根据权利要求7所述的等温材料的参数优化方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

种群个体为等温材料的尺寸参数，采用浮点数进行编码，创建初始化种群，并设定迭代次数；

将主气室充放气壁面温度进行升序排列，从同一种等温材料参数中选择随机选择固定个参数作为父方或母方进行交叉变异操作，以产生新的种群，进行目标函数值的计算；重复上述步骤直至迭代计算结束，产生符合目标函数值的等温材料参数的解集。

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