一种大型带附加气室的空气弹簧的制作方法

本实用新型涉及一种大型带附加气室的空气弹簧，属于空气弹簧领域。

背景技术：

空气弹簧是在柔性密闭容器中加入压力空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。它是典型的非线性系统，主要表现在材料非线性、几何非线性和状态非线性。而空气弹簧作为一种较为常用的支撑隔振部件，其在地基设计上使用越来越广泛。

目前，国内外减振地基大多采用砂石隔振型式，这种隔振形式在弹簧承载成熟前使用较为广泛，地基直接沉于砂土之上。利用松软的砂土吸收振动产生的能量。这种隔振方式一阶隔振频率约为15—30Hz，由于混凝土本体与建筑物仍是相连的，在共振时容易激起建筑物的振动，隔振效果较差。

对于运输车辆或高铁车厢等大型构件，其谐振频率更低，要求其试验频率降低，为了提高隔振效果，降低隔振频率，采用空气弹簧减振的方式，用空气弹簧将隔振基础托起与建筑地面或设施脱离，从而达到减振目的，空气弹簧一阶谐振频率多为1.3-1.5hz，因此采用此方式减振可以达到更低的使用频率，而通过增加空气弹簧内部容积即加装附加气室，增设相应的阻尼，可以将频率限定为1hz以下，同时可以有效地减轻地基的摆动与振动，可应用于大型减振地基与大型产品的特殊试验，但此种结构型式的建造与后期的维护成本太高。

国内外一般均采用德国CFM-Schiller GRB2480-1200ZV带附加气室空气弹簧结构型式，将大型基础与建筑周围地基隔离，多采用压力电磁阀与机械限位相结合的形式，控制地基气浮高低位置，此方式在国内有多家军工企业已经应用。但是，德国CFM-Schiller GRB2480-1200ZV带附加气室空气弹簧价格昂贵。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的上述不足，本实用新型提出一种大型带附加气室的空气弹簧，将空气弹簧的固有频率降低至0.9Hz以下，增加了空气弹簧的气体容积，减小空气弹簧的刚度，以达到降低其固有频率的作用。

(二)技术方案

一种大型带附加气室的空气弹簧，空气弹簧带中间束带式橡胶囊，空气弹簧两端连接处均有锥面，上盖与空气弹簧的上锥面配合，附加气室与空气弹簧的下锥面配合，附加气室通过连接管路及调节阀使空气弹簧与附加气室内空气导通，空气弹簧与附加气室之间具有节流孔，附加气室下部有排水孔，附加气室安装压力表；所述大型带附加气室的空气弹簧的刚度K满足下式：

式中：p为空气弹簧内压力，p0为当地大气压力，V为空气弹簧的气囊容积，A为空气弹簧的有效面积，a为空气弹簧的形状系数，m为气体的多变指数。

其中，空气弹簧的形状系数a为：

其中：R为系数；α多变系数取0，β为形状系数取π。

其中，所述带附加气室的空气弹簧的固有频率为：

其中：

N为空气弹簧个数；K为空气弹簧刚度；M为承载质量。

其中，在附加气室4与空气弹簧2相连通处设置球阀。

其中，等温过程m＝1.0，绝热过程m＝1.4，一般动态过程1<m<1.4。

其中，所述空气弹簧的承载力在0.6MPA空气压力下约为180KN，安装高度1200mm，隔震频率0.9Hz。

(三)有益效果

本实用新型涉及一种大型带附加气室的空气弹簧，将其作为支承结构，以将空气弹簧的固有频率降低至0.9Hz以下，增加了空气弹簧的气体容积，减小空气弹簧的刚度，以达到降低其固有频率的作用。本实用新型的所述带附加气室的空气弹簧完全替代了德国CFM空气弹簧，性能指标达到国外先进水平。应用前景广阔，为减震地基的应用开辟了新的领域，同时其成本仅为国外成本的十分之一。

与不带附加空气室弹簧相比.带附加空气室弹簧增加了附加气室，增大了气体的总容积和流通空间，降低了弹簧的刚度：节流孔限制气体的流动速度，是产生两气室压力差的关键元件，气体经过节流孔时会产生阻尼作用，有利于加快振动的衰减。附加气室容积的增大有利于降低空气弹簧的等效刚度和固有频率，但当附加气室容积超过空气弹簧容积2—3倍后，附加气室容积的变化对弹簧等效刚度和固有频率的降低作用不再明显。

此实用新型适用于高铁车厢、专用运输车辆整车道路模拟试验、强度校核、模态分析等试验，也适用于大型振动试验台、大型结构件的地基的减震设计。

附图说明

图1一种大型带附加气室的空气弹簧外形图。

图2一种大型带附加气室的空气弹簧等效模型图。

图3一种大型带附加气室的空气弹簧结构示意图。

图中，1-上盖、2-空气弹簧、3-调节阀、4-附加气室、5-排水孔、6-压力表、7-橡胶囊。

具体实施方式

参见图1，一种大型带附加气室的空气弹簧，空气弹簧2带中间束带式橡胶囊，空气弹簧2两端连接处均有锥面，上盖1与空气弹簧2的上锥面配合，附加气室4与空气弹簧2的下锥面配合，附加气室4通过连接管路及调节阀3使空气弹簧2与附加气室4内空气导通，空气弹簧2与附加气室4之间具有节流孔，附加气室4下部有排水孔5，附加气室4安装压力表6；所述大型带附加气室的空气弹簧的刚度K满足下式：

式中：p为空气弹簧内压力，p0为当地大气压力，V为空气弹簧的气囊容积，A为空气弹簧的有效面积，a为空气弹簧的形状系数，m为气体的多变指数。

其中，空气弹簧的形状系数a为：

其中：R为系数；α多变系数取0，β为形状系数取π。

其中，带附加气室的空气弹簧的固有频率为：

其中：

N为空气弹簧个数；K为空气弹簧刚度；M为承载质量。

其中，在附加气室4与空气弹簧2相连通处设置球阀。

锥面的配合保证空气弹簧内部充气时，室内空气不易出现外泄的现象，从而使整套系统具有相应的承载力。所述导通孔就是节流孔，它的大小影响到整个系统的阻尼，通过调节阀3实现了节流孔的可调，这样更利于操作、方便调节。排水孔5可将长期使用过程中，气泵或气室内残留的水排出缸体内。所述压力表6方便人工检查与安全检测气室内空气压力。

其中，等温过程m＝1.0，绝热过程m＝1.4，一般动态过程1<m<1.4。

其中，所述空气弹簧2的承载力在0.6MPA空气压力下约为180KN，安装高度1200mm，隔震频率0.9Hz。空气弹簧2选用国产产品，与德国CFM-Schiller GRB2480-1200ZV的性能基本一致，可以实现互换性。该空气弹簧2是目前国内承载能力最大的空气弹簧，其最大特点是橡胶囊中间有一束带，对橡胶囊的横向尺寸进行限制。和普通囊式空气弹簧相比，这种空气弹簧刚度更小，配置适当容积附加气室振动频率可降低至1Hz以下。

大型带附加气室的空气弹簧建模过程为：参见图2，将带附加气室的空气弹簧气系统看作弹簧和阻尼的并联振动系统，在考虑节流孔直径、附加气室容积以及簧上质量等因素共同作用下，研究以上因素对系统的等效刚度、等效阻尼和固有频率等力学特性的影响规律，可将带附加气室空气弹簧简化为一弹簧与阻尼并联的等效模型。见图2，K、c分别表示系统的等效刚度系数和等效阻尼系数，m表示承载质量。

与不带附加空气室弹簧相比.带附加空气室弹簧增加了附加气室，增大了气体的总容积和流通空间，降低了弹簧的刚度：节流孔限制气体的流动速度，是产生两气室压力差的关键元件，气体经过节流孔时会产生阻尼作用，有利于加快振动的衰减。

附加气室容积的增大有利于降低空气弹簧的等效刚度和固有频率，但当附加气室容积超过空气弹簧容积2—3倍后，附加气室容积的变化对弹簧等效刚度和固有频率的降低作用不再明显。

在空气弹簧基础上增加附加气室，通过一管路将两气室相连，并在两气室间设一节流孔，空气弹簧受激励作用发生振动时，气室内空气在压力差的作用下，会经节流孔在两气室间产生交换，对于带附加气室空气弹簧还存在节流孔流量特性的非线性问题：

在节流孔直径较小时，弹簧等效刚度和固有频率保持最大值基本不变，当节流孔直径增大到一定范围内，弹簧等效刚度和固有频率均迅速降低到最小值，之后随节流孔的增大，两者均保持最小值基本不变；随节流孔直径的增大系统阻尼比先增大后减小。

在节流孔直径较大时，附加气室容积的变化对系统阻尼比的影响较小，但在节流孔有效作用下，增大附加气室容积会明显增大空气弹簧等效阻尼比。

在附加气室与空气弹簧相连通处，通过增加球阀，控制球阀的开关程度，从而控制两个气室之间的节流孔面积，可以实现对系统的等效刚度、等效阻尼和固有频率等力学特性的调节，从而调节系统阻尼的作用，以达到有效消耗与抵销振动产生的能量作用。