并联阻尼油缸的隔振装置的制作方法

本发明涉及隔振技术领域，特别是指一种并联阻尼油缸的隔振装置。

背景技术：

空气弹簧和倒摆(又叫倒立摆)因具有制造加工简单、成本低廉和隔振性能良好等突出优点而被广泛应用于各种精密和超精密机械领域隔振系统中。空气弹簧具有较低的垂直刚度而被广泛应用于各种垂直方向的隔振机构中，倒摆具有较低的水平刚度而被广泛应用于各种水平方向的隔振机构中，二者串联使用后的隔振器等效水平刚度近似为倒摆的水平刚度，等效垂直刚度近似为空气弹簧的垂直刚度，隔振器垂直和水平方向同时实现了低刚度。

隔振器垂直方向和水平方向的刚度减小时，固有频率会降低，起始隔振频率也随之降低，隔振带宽变大，低频段隔振性能显著提高，但是，系统隔离地基振动能力与直接干扰衰减能力存在固有矛盾，当刚度降低时隔振器对直接干扰变得非常敏感，受到较大扰动后很难回复到初始的平稳状态，系统的稳定性大大降低。目前，很多空气弹簧采用双腔室设计，在腔室之间设置阻尼孔来增加阻尼从而提高系统的稳定性。当空气弹簧联合倒摆使用时，双腔室空气弹簧的设计只能增加垂直方向的阻尼而不能增加水平方向的阻尼，系统水平方向的稳定性问题依然无法解决。

专利文献CN1487216A“倒摆式气动隔振器”公开了一种倒摆与空气弹簧串联的隔振器，通过调整四个水平弹簧的刚度，垂直方向和水平方向的固有频率均可达到1.16Hz左右。专利文献CN102072275 A“基于球头连杆的气浮式正倒摆串联机构的空气弹簧隔振器”公开了一种单摆机构与倒摆机构串联构成正倒摆串联机构，正倒摆串联机构再与空气弹簧串联，形成气浮式正倒摆串联的空气弹簧隔振器，该隔振器可通过调节空气弹簧内部的气体压力来实现隔振器总刚度的实时调节，以满足不同的工程实际需要。但上述两种发明中，都没有考虑隔振器系统的稳定性问题，更没有相关的结构设计。

技术实现要素：

本发明提供一种并联阻尼油缸的隔振装置，其能同时实现隔振器垂直方向和水平方向的低固有频率并兼顾隔振器的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种并联阻尼油缸的隔振装置，包括倒摆、空气弹簧和阻尼油缸，其中：

所述倒摆包括倒摆摆杆、顶板、上活塞和下活塞，所述倒摆摆杆的顶端与所述顶板固定连接，所述倒摆摆杆的底端设置有第一定位面，所述上活塞的中部设置有第一透孔，所述下活塞的中部设置有U形槽，所述倒摆摆杆穿过所述上活塞和下活塞位于所述U形槽中，所述U形槽的底部设置有与所述第一定位面相配合的第二定位面；

所述空气弹簧包括上下两端开口的环状本体、设置在所述环状本体下方的底板、设置在所述环状本体上方的压环和橡胶膜片、以及所述上活塞和下活塞，所述上活塞和下活塞位于所述环状本体内，所述橡胶膜片为圆盘状，所述橡胶膜片的中部设置有与所述第一透孔相对应的第二透孔，所述橡胶膜片的内边缘固定设置于所述上活塞和下活塞之间，所述橡胶膜片的外边缘固定设置于所述压环和环状本体之间，所述橡胶膜片的内边缘和外边缘之间为自由段，从而使得所述底板、环状本体、橡胶膜片和下活塞内形成所述空气弹簧的腔室；

所述阻尼油缸包括上下两端开口的油缸筒，所述油缸筒下方设置有油缸底板，所述油缸筒上方设置有油缸盖板，所述油缸筒内设置有阻尼油，所述油缸盖板上设置有圆形通孔，所述通孔内插设有活塞杆，所述圆形通孔的内径大于所述活塞杆的外径，所述活塞杆的顶端与所述顶板固定连接，所述活塞杆的底端设置有油缸活塞，所述油缸活塞与所述油缸筒之间具有一定间隙，所述油缸底板的一端延伸与所述环状本体固定连接。

进一步的，所述第一定位面和第二定位面均为弧形凹槽，所述第一定位面和第二定位面之间设置有滚球，所述滚球的初始位置位于所述第一定位面和第二定位面的中心；

或者，所述第一定位面为弧形凸面，所述第二定位面为弧形凹槽。

进一步的，所述橡胶膜片的自由段为鼓起圆弧状。

进一步的，所述橡胶膜片的内部冲有帘布。

进一步的，所述油缸活塞完全淹没在所述阻尼油中。

进一步的，所述橡胶膜片、压环、上活塞、环状本体、下活塞、倒摆摆杆、底板同轴安装，所述活塞杆、油缸盖板、油缸筒和油缸活塞同轴安装。

进一步的，所述压环与环状本体之间、所述环状本体与所述底板之间、所述上活塞与所述下活塞之间均设置有密封圈。

进一步的，所述倒摆摆杆与所述顶板之间、所述橡胶膜片与所述压环和所述环状本体之间、所述环状本体与所述底板之间、所述油缸盖板与所述油缸筒之间、所述油缸底板与所述油缸筒之间、所述油缸底板与所述环状本体之间均采用螺钉连接，所述橡胶膜片与所述上活塞和所述下活塞之间采用螺栓或者螺钉连接。

进一步的，所述滚球、第一定位面和第二定位面的材质为钢或者硬质合金。

进一步的，所述油缸活塞与所述油缸筒之间的间隙为8mm～12mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明的并联阻尼油缸的隔振装置，应用时，在空气弹簧和倒摆串联使用的基础上再并联一个阻尼油缸，当来自地基环境的垂直振动传递到空气弹簧时，引起腔室内气体的往复运动，从而实现弹性缓冲作用，达到垂直方向振动隔离的目的，当来自地基环境的水平振动传递到倒摆时，引起倒摆往复运动，从而实现弹性缓冲作用，达到水平方向振动隔离的目的，阻尼油缸中通过添加阻尼油能获得粘滞阻尼，当有较大外界扰动作用于隔振装置时，由于阻尼油缸中阻尼油的粘滞性，隔振装置能快速回复到初始的平稳状态，阻尼油缸不仅能增加垂直方向的阻尼，还能增加水平方向的阻尼，不仅结构简单紧凑，而且使整个隔振装置同时兼顾了良好的隔振性能和较强的稳定性。

附图说明

图1为本发明的并联阻尼油缸的隔振装置的原始状态结构示意图；

图2为本发明的并联阻尼油缸的隔振装置的工作状态结构示意图；

图3为本发明的并联阻尼油缸的隔振装置的垂直方向实测隔振传递率曲线图；

图4为本发明的并联阻尼油缸的隔振装置的水平方向实测隔振传递率曲线图；

图5为本发明的并联阻尼油缸的隔振装置的垂直方向实测扰动回复时间曲线图；

图6为本发明的并联阻尼油缸的隔振装置的水平方向实测扰动回复时间曲线图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种并联阻尼油缸的隔振装置，如图1-6所示，包括倒摆、空气弹簧和阻尼油缸，其中：

倒摆包括倒摆摆杆1、顶板2、上活塞3和下活塞4，倒摆摆杆1的顶端与顶板2固定连接，倒摆摆杆1的底端设置有第一定位面5，上活塞3的中部设置有第一透孔，下活塞4的中部设置有U形槽，倒摆摆杆1穿过上活塞3和下活塞4位于U形槽中，U形槽的底部设置有与第一定位面5相配合的第二定位面6；

空气弹簧包括上下两端开口的环状本体7、设置在环状本体7下方的底板8、设置在环状本体7上方的压环9和橡胶膜片10、以及上活塞3和下活塞4，上活塞3和下活塞4位于环状本体7内，橡胶膜片10为圆盘状，橡胶膜片10的中部设置有与第一透孔相对应的第二透孔，橡胶膜片10的内边缘固定设置于上活塞3和下活塞4之间，橡胶膜片10的外边缘固定设置于压环9和环状本体7之间，橡胶膜片10的内边缘和外边缘之间为自由段，从而使得底板8、环状本体7、橡胶膜片10和下活塞4内形成空气弹簧的腔室11；

阻尼油缸包括上下两端开口的油缸筒12，油缸筒12下方设置有油缸底板13，油缸筒12上方设置有油缸盖板14，油缸筒12内设置有阻尼油15，油缸盖板14上设置有圆形通孔18，通孔18内插设有活塞杆16，圆形通孔18的内径大于活塞杆16的外径，活塞杆16的顶端与顶板2固定连接，活塞杆16的底端设置有油缸活塞17，油缸活塞17与油缸筒12之间具有一定间隙，油缸底板13的一端延伸与环状本体7固定连接。

本发明的并联阻尼油缸的隔振装置，应用时，在空气弹簧和倒摆串联使用的基础上再并联一个阻尼油缸，当来自地基环境的垂直振动传递到空气弹簧时，引起腔室内气体的往复运动，从而实现弹性缓冲作用，达到垂直方向振动隔离的目的，当来自地基环境的水平振动传递到倒摆时，引起倒摆往复运动，从而实现弹性缓冲作用，达到水平方向振动隔离的目的，阻尼油缸中通过添加阻尼油能获得粘滞阻尼，当有较大外界扰动作用于隔振装置时，由于阻尼油缸中阻尼油的粘滞性，隔振装置能快速回复到初始的平稳状态，阻尼油缸不仅能增加垂直方向的阻尼，还能增加水平方向的阻尼，不仅结构简单紧凑，而且使整个隔振装置同时兼顾了良好的隔振性能和较强的稳定性。

优选的，定位结构采用以下两种结构方式：

结构方式1：

如图1和图2所示，第一定位面5和第二定位面6均为弧形凹槽，第一定位面5和第二定位面6之间设置有滚球19，滚球19的初始位置位于第一定位面5和第二定位面6的中心；

结构方式2：

第一定位面为弧形凸面，第二定位面为弧形凹槽。

当来自地基环境的水平振动传递到倒摆机构时，引起倒摆往复运动，这种结构能够更好地实现弹性缓冲作用，达到水平方向振动隔离的目的。应当理解的是，定位结构除了采用上述结构方式外，还可以采用本领域技术人员容易想到的结构方式，均不影响本发明技术方案的实施。

进一步的，橡胶膜片10的自由段为鼓起圆弧状。当来自地基环境的垂直振动传递到空气弹簧机构时，引起腔室内气体的往复运动，这种结构能够更好地实现弹性缓冲的作用，达到垂直方向振动隔离的目的。另外，橡胶膜片10的内部冲有帘布，优选的，帘布采用高强度、耐疲劳、耐冲击的材质。这样能够增加橡胶膜片的牢固度，提高使用寿命。

为了保持较强的稳定性，油缸活塞17完全淹没在阻尼油15中。这样当系统受到较大的扰动时，油缸活塞在阻尼油中往复运动，从而能够更好地提供较大的额外阻尼，使系统也能快速消耗较大扰动的能量。

作为本发明的一种改进，橡胶膜片10、压环9、上活塞3、环状本体7、下活塞4、倒摆摆杆1、底板8同轴安装，活塞杆16、油缸盖板14、油缸筒12和油缸活塞17同轴安装。这种结构能够使整个系统更好地工作，从而更好地实现隔振。

为了防止因腔室11内气体的泄露引起设备的损坏或能源的浪费，压环9与环状本体7之间、环状本体7与底板8之间、上活塞3与下活塞4之间均设置有密封圈，优选的，密封圈采用橡胶材质。

本发明中，倒摆摆杆1与顶板2之间、橡胶膜片10与压环9和环状本体7之间、环状本体7与底板8之间、油缸盖板14与油缸筒12之间、油缸底板13与油缸筒12之间、油缸底板13与环状本体7之间均采用螺钉连接，橡胶膜片10与上活塞3和下活塞4之间采用螺栓或者螺钉连接。这种连接方式能够更好地起到紧固和便于安装拆卸的作用，另外，螺栓除了起到紧固作用外，还可以承受较大的受力。

优选的，滚球19、第一定位面5和第二定位面6的材质为钢或者硬质合金。采用钢或者硬质合金这种硬质材料，能够更好地实现隔振功能。另外，环状本体7和压环9也采用钢或者硬质合金等硬质材料。

进一步的，油缸活塞17与油缸筒12之间的间隙为8mm～12mm。这样方便油缸活塞在油缸筒内进行摆动，实现水平方向的隔振。

本发明的并联阻尼油缸的隔振装置工作原理如下：

如图2所示，工作时，空气弹簧的腔室11中充入压缩气体(压缩空气的气压与负载有关，可灵活选择)后，上活塞3、下活塞4、倒摆摆杆1、顶板2以及负载在橡胶膜片10的作用下浮起。当受到来自垂直方向的扰动时，橡胶膜片10发生变形，引起腔室11内的压缩气体体积发生变化，利用气体的可压缩性使机械能转化为热能消耗掉，实现垂直方向的隔振效果。当受到来自水平方向的扰动时，橡胶膜片10也发生变形，引起倒摆摆杆1、顶板2以及负载产生水平运动，上活塞3和下活塞4产生偏转，随后在腔室11内部气体压力的作用下回复到原来的初始位置，由于系统水平方向固有频率较低，也可实现水平方向的隔振效果。当系统受到较小的扰动时，空气弹簧内部气体的阻尼足够消耗掉扰动的能量，当系统受到较大的扰动时，仅在空气弹簧内部气体较小的阻尼作用下，系统会无法消耗掉扰动的能量或消耗得过慢，从而会失去原先稳定的状态或回复初始位置时间过长。并联阻尼油缸后，在受到较大的扰动时，阻尼油缸中的油缸活塞17在阻尼油15中往复运动，由于阻尼油15的动力黏度系数较高，具有很强的粘滞性，从而能提供较大的额外阻尼，使系统也能快速消耗较大扰动的能量，保持较强的稳定性。因此，本发明提供的并联阻尼油缸的隔振装置，不仅能同时实现垂直和水平方向的振动隔离，还具有很强的抗扰动能力，具有很强的稳定性。

现有串联倒摆的空气弹簧隔振器垂直方向一般能实现1～2Hz左右的固有频率，如图3所示，本发明中的空气弹簧垂直方向能实现低至1.25Hz的固有频率；现有串联倒摆的空气弹簧隔振器水平方向一般只能实现1Hz以上的固有频率，如图4所示，本发明中的倒摆水平方向能实现低至0.75Hz的固有频率。

阻尼油缸中通过添加不同粘度的阻尼油能获得不同大小的粘滞阻尼，从而满足不同实际情况的需求。阻尼油缸中的阻尼油优选为高动力粘度系数的优质硅油，使用条件必须禁水、禁油和禁粉尘等杂物，且阻尼油在阻尼油缸中不能出现泄漏，如果阻尼油缸中的阻尼油出现进水、进油、进粉尘等杂物或泄漏时，应立刻更换或添加阻尼油，否则会影响整个装置的隔振性能，严重的情况会造成设备的损坏和财产的损失。当有较大外界扰动作用于隔振装置时，阻尼油缸中高动力粘度系数(高粘滞性)的阻尼油能快速消耗掉扰动能量使隔振装置快速回复到初始的平稳状态。现有串联倒摆的空气弹簧隔振器中并未考虑隔振器的稳定性问题，如图5和图6所示，本发明中的隔振装置分别受到垂直方向和水平方向的较大扰动时，均能在5～10秒内快速回复，具有很强的稳定性。

本发明的隔振装置承载能力主要依赖于空气弹簧，而由于气体的可压缩性，冲入空气弹簧腔室内的气体压力可达标准大气压的数倍或数十倍，从而本发明的承载范围非常大，为0～5吨。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。