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串联双附加气室空气弹簧若干问题研究

张利国  
【摘要】:本文根据某大型飞机机载设备的隔振需求,提出并设计了一款串联双附气室约束膜式空气弹簧。借助流体力学和热力学等方面的理论给出了描述空气弹簧振动的微分方程,利用数值计算方法对空气弹簧进行了分析,取得了较为满意的结果。论文从空气弹簧的结构设计入手,由浅入深,详细地给出了空气弹簧动力学模型的建立过程,对影响弹簧性能的相关因素进行了深入剖析,给出了相应结论,对空气弹簧的设计与研究提供了理论上的支持。 结合膜式空气弹簧的特点,设计了一个双附加气室串联的空气弹簧,确定了主要结构尺寸。以空气弹簧橡胶囊母线长度不变与自由段呈圆弧状假设为基础,对串联双附加气室空气弹簧主气室的垂向静刚度公式进行了详细推导,并在静刚度模型的基础上建立了空气弹簧主气室的自由振动微分方程,为空气弹簧的设计提供了理论依据。对空气弹簧的静刚度和自由振动微分方程进行了编程计算,计算结果表明:空气弹簧主气室垂向静刚度在振动中是一个周期非线性变化量;静刚度随着弹簧的压缩而增加,而且在保持平衡位置不变的条件下,弹簧的初始压力越大,刚度越大;空气弹簧的自由振动是周期非线性振动,自振频率随着初始速度的增加而减少,但变化幅度较小;随着初始速度的增加,空气弹簧的振动非线性越发明显。 为了验证空气弹簧静刚度的理论研究中假设的合理性及推导的准确性,在分析空气弹簧的橡胶材料非线性、胶膜中增强帘线层的非线性、胶膜在变形过程中的几何非线性、上盖板和下座与橡胶膜之间的接触非线性基础上,讨论了各种非线性在有限元软件Msc.Marc中的实现方法。研究了空气弹簧初始内压变化对垂向静刚度的影响规律;分析了上盖板处于不同位置时胶膜母线的伸长量。结果表明:在空气弹簧的垂向力与垂向刚度随着空弹簧的初始内压的增加而增大;空气弹簧胶膜母线在不同初始气压下的长度变化百分比小于1.0%,此误差值是可接受的。同时,空气弹簧垂向刚度有限元模型结果与理论推导结果的比较说明了本文建立的约束膜式空气弹簧主气室垂向刚度的表达式的正确性。 以绝热变化的假设为基础,利用流体力学及热力学等理论,结合气体的能量方程及弹簧内气体的连续性方程,参考空气弹簧的运动特点,建立了串联双附加气室空气弹簧的动力学模型,在建模过程中利用状态控制函数的方法,成功地将离散的状态有机联系起来,简化了方程的推导过程,降低了数值求解程序的编写难度。以此为基础,利用数值计算的方法对串联双附加气室空气弹簧的自由振动、节流孔大小及两附加气室容积比对弹簧的影响进行了细致研究。结果表明:串联双附加气室空气弹簧具有比其它类似空气弹簧更好的垂向动力学性能;串联双附加气室空气弹簧阻尼比的极大值首先与节流孔I有关,在节流孔I的半径足够大时,才与节流孔II有关;在节流孔I的半径足够大以及两个节流孔的大小与两附加气室的总容积不变的前提下,第一附加气室的容积越小,阻尼比越大。 以建立的空气弹簧自由振动微分方程为基础,推导了位移激振条件下的弹簧系统动力学模型;研究了空气弹簧的控制方式,并以主气室压力为调节对象,建立了加入控制执行机构的系统动力学方程。对位移激振的空气弹簧模型和引入控制的空气弹簧模型进行了数值仿真分析。结果显示,本文所设计的串联双附加气室空气弹簧对低频和高频位移激励的响应都较单附加气室空气弹簧要小;在加入控制变量后的系统振动响应明显降低,说明本文所设计的空气弹簧在控制系统的作用下具有更好的隔振效果。


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