[发明专利]气动作动器、气动主动隔振单元及主动隔振系统

权利要求书

1.一种用于主动隔振的气动作动器，其特征在于，所述气动作动器能发挥被动隔振和主动隔振作用；所述气动作动器包括气源、伺服阀和两个空气弹簧；所述气源与所述伺服阀相连，所述伺服阀与两个所述空气弹簧相连，所述伺服阀用于对各个所述空气弹簧内的气压和力分别独立控制；两个所述空气弹簧均为膜式空气弹簧，其中一个为垂直空气弹簧，另一个为水平空气弹簧；

所述气动作动器发挥被动隔振作用时，通过假设单个所述空气弹簧为封闭系统，没有气体流入流出，则此时单个所述空气弹簧施加的力为：

f_a＝p_aA_e(1)；

其中p_a为单个所述空气弹簧内的实际压强，A_e是活塞的有效面积；

当负载偏离平衡位置的位移为x_r时，由于单个所述空气弹簧内气体体积变化、压强变化引起的力变化为：

其中V_a是单个所述空气弹簧腔室的体积，κ是空气的比热容比；

取平衡状态量代替变化的状态量，表示出单个所述空气弹簧的刚度k₀，最终获得刚度k₀的表达式为：

2.根据权利要求1所述的用于主动隔振的气动作动器，其特征在于，所述气动作动器发挥主动隔振的作用时，考虑到单个所述空气弹簧内的气体体积变化、压力变化以及气体交换带来的热量交换和焓变，建模获得各个力学、热力学量之间满足如下关系式：

其中，表示物理量随时间的变化，R是气体常数，T_a是所述空气弹簧内气体的热力学温度，Q_in和Q_out分别代表所述伺服阀与单个所述空气弹簧对应时的进气气体质量流量和出气气体质量流量，单个所述空气弹簧内的实际压强p_a和所述伺服阀对应单个所述空气弹簧时的控制电压u的函数关系式为：

Q_in＝Q_in(p_a,u)

Q_out＝Q_out(p_a,u)(5)；

根据关系式(4)和(5)化简方程，并对各时间变量做拉普拉斯变化，得到气动作动器的单个空气弹簧输出力的拉普拉斯关系式：

其中，s是拉普拉斯算子，K_p是伺服阀增益系数，主要由伺服阀本身的特性决定；T_d是所述气动作动器的时间常数，与所述伺服阀的特性及所述空气弹簧的腔室体积有关；α是动刚度参数，k₀是用作所述空气弹簧发挥被动隔振作用的性能度量的刚度参数；U(s)为u的拉普拉斯变换电压，X_r(s)为x_r的拉普拉斯变换位移；关系式(6)等号左侧F_a(s)代表空气弹簧向负载施加的力，等号右侧分为两部分，分别代表主动力、被动力。

3.一种气动主动隔振单元，其特征在于，包括：

上部刚性部件，所述上部刚性部件用于与负载相连；

下部刚性部件，所述下部刚性部件设置在所述上部刚性部件的下方且与所述上部刚性部件不接触；

如权利要求2所述的用于主动隔振的气动作动器，其中，所述垂直空气弹簧和所述水平空气弹簧均设置在所述上部刚性部件和所述下部刚性部件之间，所述垂直空气弹簧的活塞和所述水平空气弹簧的活塞均与所述上部刚性部件相连，所述垂直空气弹簧的腔室部分、所述水平空气弹簧的腔室部分和所述伺服阀均设置在所述下部刚性部件上；

位移传感器，所述位移传感器有两个，两个所述位移传感器分别设置在所述上部刚性部件与所述下部刚性部件之间，分别用于测量所述上部刚性部件和所述下部刚性部件之间相对运动的垂直方向和水平方向的位移；

加速度传感器，所述加速度传感器有两个，两个所述加速度传感器设置在所述上部刚性部件上，分别用于测量负载的垂直方向和水平方向的振动加速度信号。