空气弹簧和钢制弹簧隔振器的性能差异

空气弹簧和钢制弹簧隔振器的性能差异

随着机械加工工艺的飞速进步，测试行业对于试验设备的振动隔离系统的应用越来越多，隔振系统能保护测试设备不受外部或自身的强烈振动带来的影响，降低操作者因设备的振动噪声带来的身体健康影响，保护实验室建筑等设施不受设备振动而遭受不同程度的损坏。

而隔振系统主要从结构和性能分为空气弹簧和钢制弹簧的隔振系统，下面从隔振效率和隔振范围，隔振系统水平调节，用户群体，维护和使用寿命这几个方面来比较一下空气弹簧和钢制弹簧的性能差异。

一、隔振效率和隔振范围

隔振效率是指在某一固定的激振频率发生时，隔振系统所能隔离掉的振动的量。隔振范围是指隔振系统所能有效隔振的频率范围。隔振效率和隔振范围是与隔振器的谐振频率相关的，隔振器谐振频率越低，那么隔振效率就越高，隔振范围就越大。

CFM公司的空气弹簧能达到0.85Hz的低谐振频率，而钢制弹簧的谐振频率一般在4Hz左右。

请看以下的公式，这是计算隔振效率的简便方法：

其中J是隔振效率，Ferr是激振频率，Fo是隔振器的谐振频率。

经过计算的理论值表明，对于同样都是10Hz的激振频率，钢制弹簧的隔振效率约80%，而CFM的GRB系列空气弹簧的隔振效率则能达到98%，就是说98%的振动被隔离掉了。当然，激振频率越小，越能明显表现出空气弹簧相对于钢制弹簧的隔振效率的优越性。

以下的曲线图，表示了一个谐振频率是1Hz的隔振器的性能。

图表中横坐标是振动频率，纵坐标是由于振动的试验设备而传递出去的振动能量。那个中间的竖线表示的是隔振器的谐振频率，我们可以看到其值为1Hz。涂灰色的部分是有效各镇区域。

这表明了只有大于隔振器的谐振频率的激振频率才可能被隔离掉。而激振频率越高，那么所能隔离掉的振动就越多，隔振效率越高。

对于CFM的空气弹簧，只要高于0.85Hz的激振频率的振动，就都产生了有效的隔振。而对于钢制弹簧，高于4Hz的激振频率的振动才能有效隔振。也就是说0.85Hz到4Hz之间的振动，钢制弹簧是没有任何隔振作用的，而空气弹簧则能有效隔振。

而且，对于无论是多大的激振频率，空气弹簧的隔振效率永远都会高于钢制弹簧。

二、隔振系统的水平调节

我们知道，应用隔振系统的质量块是悬浮的，在初次的试验平台水平校准以后，我们不能保证以后的使用过程中，试验平台永远都是水平的。怎样解决这个问题呢?

如果我们应用钢制弹簧隔振器，在试验机或试验样品的位置，重量，重心改变以后（比如更换试验样品，变速箱换成车桥，或者增加一个变速箱样品），那么试验平台的水平程度会改变，不同位置的几个钢制弹簧的受力就会不均匀。首先我们就要解决水平问题，手动加装垫片，应用千斤顶等设施，没有位置传感器，用水平尺来验证试验平台是否水平，费时费力。在解决了水平问题以后，第二个问题就无法解决，就是每个弹簧的受力不均匀的问题，每个弹簧的形变不同而导致了其内部应力的差异，天长日久，各个弹簧的性能将会产生差异，隔振效率和使用寿命受到很大影响。

CFM空气弹簧的隔振系统完美的解决了试验平台的水平调节问题。每个空气弹簧隔振系统都配置了自动水平控制单元，应用3点调平的原理，将所有的空气弹簧分成3组，每一组都有一个空气压力控制阀组来控制，下图是总控制面板，可以很清楚的看到每一组的压力和供气压力，指示灯能表示每一组的状态。每一组空气弹簧都有位置传感器，完全自动调节空气压力，达到调节试验平台的水平的目的。

在试验机或试验样品的位置，重量，重心改变以后（比如更换试验样品，变速箱换成车桥，或者增加一个变速箱样品），那么试验平台的水平程度会改变，空气弹簧隔振系统的自动水平控制单元就开始起作用，通过小量的充放气来自动调节试验平台的水平度。在每个空气弹簧的高度有极小的差异下，承受的压力并不是空气弹簧的固体部分本身，而是压缩空气，这样对空气弹簧本身就没

有任何的影响。

30年前CFM为用户提供的空气弹簧，现在还在正常工作，但是钢制弹簧就永远达不到这么高的工作质量。

三、用户群体

十年以前，钢制弹簧造价低，而空气弹簧的生产开发和水平控制技术还在发展中，所以有30%的用户选择了钢制隔振弹簧。

如今，CFM的空气弹簧的生产技术已经完全成熟，水平控制精度最高能达到±0.01mm，所以虽然成本比钢制弹簧稍高，但是用户都趋向于是用空气弹簧隔振系统，比例为100%。而CFM公司也凭借空气弹簧隔振系统在隔振行业独占了世界范围内的霸主地位，尤其是在中国，几乎所有大型试验设备的隔振地基都是有CFM的空气弹簧隔振系统来实现的，CFM公司已经为客户设计和制造了400多套大型隔振系统。

我在近2年内所接受的50多个隔振系统的需求中，都是空气弹簧隔振系统。而钢制弹簧隔振系统逐渐退入了特殊行业的使用范围，如矿业等对隔振效率要求不高的设备。

四、维护和使用寿命

空气弹簧几乎无需任何的日常维护，可以定期的表面除尘，因为每个弹簧配置的压力表和水平控制单元都能很方便的看到其工作状态，压力调节也非常方面，只是用手指按下按钮，使用寿命一般在30年以上。

而钢制弹簧则无法检测其工作状态，只有在损坏后才能发现，例如在使用期间将其取出进行试验，简直是不可能的事情。自身应力逐渐增加，每个弹簧的应力差异越来越大，使用寿命一般不超过15年。

综上所述，空气弹簧与钢制弹簧的成本差异也日益降低，但是其性价比却越来越高。为了保证最优的试验设备寿命，最优的操作者工作环境，最优的试验室建筑物的保养，空气弹簧的隔振系统是目前最好的方案。