精密空气弹簧隔振平台固有频率的研究

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是 目前 解 决 仪 器 和 精 密 设 备 微 振 动 最 有 效 的手 段 。该 类 隔
振平 台是 由多个空气 弹簧支 撑 , 上放有精 密仪器 设备 的 其
率, 对于其他特性参数大多也 以实测为准 , 但存在 的问题 是 不能准确 知晓实测 与理论值 的一致程 度。 本文 面向中国计量学院重中之重 实验室的空气弹簧隔 振平 台 , 对该振动系统 进行辨识 , 改进 现有 动力学模 型 , 计 算 系统固有频 率 , 设计 并进行 振动试验 , 分析 隔振 效果 , 为 以后课题 组改进隔振系统提供理论依据 。
1 1 单只空气弹簧的数 学模型 .
空气弹簧是在柔 性 密闭容器 ( 胶气 囊 ) 橡 中充入 压缩 空气 , 利用空气的可压缩性 实现 弹性作用 的一种 十分复 杂
的 非金 属弹簧 … , 由空 气弹簧 主体和辅 助气 室构成 。 者 前
收 稿 日期 :0 1 0 -3 2 1- 8 0 基金项 目: 国家 自然科 学基金资助项 目( 17 3 8 ; 5 0 5 7 ) 浙江省 自然科学基金资助项 目( 16 8 ) Z 02 0
生变化 。单 只空气弹 簧隔振 器充 气后 , 根据 理想 气体状 态
方程, 主气室 与附加气 室内气体 压力与体积满足
C=( p ) =(0+ p+ P p) , () 1
图 1 空气弹簧隔振器 几何结构简 图
Fi Ge m e rc s r c ur k t h d a r m f t e g 1 o t i t u t e s e c i g a o h a r s r n s l t r i —p i g io a o
0 引 言
然而 , 由多个 空气 弹簧元件 支撑 的空 气弹簧 隔振平 台工作
情况较复杂 , 现有的动力学模型存在一定缺陷 , 工程 中广 泛
采 用 试 验 的方 法 研 究 空 气 弹 簧 隔 振 元 件 或 系 统 的 固 有 频
空气弹簧隔振装置 可以有效 地隔离来 自外界 的振 动 ,
io a i n pl t ̄ m s l to a f r O Ol t o
Z HANG W e ,Y N Ja - n ,JN L a gbn ,L n —h n n I inl g I in -ig IDo gs e g o ( hn ia gU ies y Ha gh u3 0 1 , hn ) C iaJl n nv ri , n zo 10 8 C ia i t
vt l o e i h v l ai n o e vb a in ioa in ta se ae Ho e e , eh rt e t e r t a ac l t n a d i l n t e e a u t ft i r t s lt r n f rr t. w v r wh t e h h o ei lc lu ai n ar o h o o c o t e e p r na a u a e u n y a c r i a h oh r i s l o s u e I r e o s le t i p o l m ,h h x ei me tl n t r lf q e c c o d w t e c t e s t l b c r . n o d r t ov h s r b e t e r h i
fe u nc s1. 2 Hzusn r q e y i 2 i g FFT eh d. e r ltv e rrbewe n t e wo i e s t a % . m to Th e aie ro t e h t s l s h n 5 whih r a h s t c e c e he
将 = 与式( ) 6 代人式 ( ) 可得空气 弹簧垂 向 5 中,
面积变化率 。
精 密隔振系统在初始状态 下 , V= , 。将 上 有 A =A 述参数代入 式 ( ) , 4 中 可计算 于静 平衡状态下 , t ) 即( =O 时
刚度计算式为
: +
空气 弹簧 的垂Biblioteka Baidu向刚度 为
式 中 c为常数 ; p为任意状 态 空气 弹簧 内气 体相 对压 力 ,
MP ;。 ap 为大气压力 , P ;。 M ap 为初始状态空气弹簧 内气体相 对 压力 , a V为任意状 态主气 室 和附加气 室 内气体 容积 MP ; 之和 , 3 v 为初始 状态 主气室 和 附加 气室 内气 体容 积之 m ;o
Abs r c : As a mpot n y i a a a tro hea rs i g ioai n p afr ,he n tr l ̄e u nc lo p a s ta t n i ra tph sc lp r mee ft i—prn sl to lto m t au a q e y a s ly
e p c ain , n h r rs u c s a e b if n lz d x e t t s a d te e r o r e r rel a ay e . o o y Ke r s i—p i g ioa in s se ; au a r q e c fte ioa in s se ;e gn ei g c c lt n f h y wo d :a rs rn lt y tm n t rlf u n y o s lt y tm s o e h o n i e rn a u ai so e l o t n t rlfe u n y;tssa d a a y i o e n tr lf q e c au a rq e c e t n n l ss ft au a r u n y h e
第 l O期

雯, : 等 精密空气弹簧隔振平 台固有频率 的研究
1 3
是用 橡胶囊 构成的气囊 , 容积可以改变 , 其 后者容 积是不变
的, 在两者之 问设置节 流孔 , 空气弹簧 主体可通过节 流孔与
附加 气室相联通 j 。由于节 流孑 的存 在 , L 气体将 在 主气室
和附加气室之间流动 , 主气 室 与附加 气室 内 的压 力也将 发
= F -A d 面 =- A

(P d P ̄ V o) + +鲁
, () 4
二鹏
_p (
式 中
d A


望 sn0(± ( A!= 尘 i! s ! ): ! 旦i -O O ! n0- C S
f) 6
为空气弹簧体积变化率 ; 为空气弹簧有效 工作
1 2
传感器 与微 系统 ( r sue adM coyt ehoois Ta d cr n irss m T cnl e) n e g
21 年 第 3 01 0卷 第 1 0期
精 密 空气 弹 簧 隔 振 平 台 固有 频 率 的研 究
张 雯 ,尹健 龙 ,金 亮冰 , 东升 李
1 空气 弹 簧 隔振 平 台数 学 模 型
大面积平 台, 目前已在超精 密测量 与加工方 面得 到了广 泛
应用 。 日本 F J A公 司研 制开 发了 6个 空气弹 簧支撑 的 UI T
微 幅 振 动 控 制 平 台 , 对 来 自地 面 的微 幅 振 动 。 中 国 计 量 针
科学 院和 哈尔滨工业 大学 引入大 型空气弹簧 隔振平 台 , 且 应用在精密测量与加工方 面 , 中, 其 哈尔滨 工业 大学 的大型 空气 弹簧 隔振 平 台基础 由 l 空气 弹 簧支 撑 , 积约 有 0个 面 2 三轴方 向的固有频 率分别 为 15 ,.3,.8H 。 3m , .12 8 2 7 z 固有频率作为空气弹簧隔振平台 的重要评估对象与特 性参数之一 , 尽管空气弹簧 隔振平 台的 刚度 会随载 荷的变 化而改变 , 同载 荷下 隔振 平 台的 固有频 率却 几 乎不 变 。 不
( 国计 量 学 院 计 量 测试 工 程 学 院 , 江 杭 州 3 0 1 ) 中 浙 1 08
摘 要 :固有频 率是 空气 弹簧隔振平台的重要物理参数之一 , 也是估 计和衡量 隔振系统 隔振传递率 大小 的重要参数 , 但其理论计算与实 际测试值 的一致程 度不易明确 。以中国计量学 院重 中之重 实验室 的空气
弹簧隔振平台为例 , 改进 了隔振平 台的动力学模 型 , 到了该隔振平 台 固有频 率 的理 论值为 12 z 得 . 8 。然 H 后, 对实验得到 的时域 响应 曲线进行 F 变换 , 丌 得到隔振平台 固有频率 的实测值为 12 H , .2 z二者相对误差 小于 5 , % 达到 了预期 的研究 目标 。对误差 的来 源也 进行 了简要 的分析。 关键词 :空气弹簧隔振系统 ;隔振 系统 固有频率 ;固有频率工程计算 ;固有频率测试分 析
和 , 3 A为气体多变指数 。 r ; n
由式 ( ) 1 可求得任 意状态 下单 只空气弹 簧隔振器 内部
气体的相对压力 P
P=(0 p ) / ) . P + ( — () 2
图 2 空气弹簧隔振器几何变形结构单侧放大 图
Fi Un l t r la lf a i n fg r f t e me r c dit r i n g2 ia e a mp i c t u e o i o i he g o t i s o to
1 2 a e n a s l t n s se I a t e p rme t r a r d o ti a n h x e i n a au a . 8 Hz b s d o n ioai y t m. mp c x ei n s a e c ri u n lb a d t e e p r o e me tl n tr I
设单只空气 弹簧上所受载荷 F, 则
sr t r fte ars rn slt r t uc u e o h i ・ p i g io a o
F= ・ (o p ) v/ ) - A , p A =[P + ( o v - ]・ p
() 3
根据 以上假设 , 由各参数间的几何关系最终可得
dy a c mo es o he ars rn s lto y tm r mp o e nd t h o e ia ac l t n n t a r q n y i n mi d l ft i— p ig io ain s se ae i r v d a he te r tc lc lu ai aur lfe ue c s o
中 图 分 类 号 :T 5 4 03 5 B 3 , 2 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :10 -7 7 2 1 ) 0 0 20 00 98 ( 0 1 1 - 1-3 0
S ud f n t r lf e e y o r cs i - p i t y o a u a r qu nc f p e ie a r s rng
n一
式中 A 为空气 弹簧有 效面积 ; R为空气弹簧 的有效半径 。
根据式 ( ) 设单 只空气 弹簧 隔振器存 在垂 向位移 , 3 , 求 导可得单只空气弹簧隔振器 的垂 向刚度计算 式为
÷
d=1 A 百
从 而 得

+ 一n 一一 . 因此 , 弹簧变形 后 出 其有效面积的增量为
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