多孔气垫悬浮单元搬运与性能分析

多孔气垫悬浮单元搬运与性能分析

叶凌云

东阳东磁自动化科技有限公司  322118

摘要：多孔气垫悬浮单元具有可移动、易搬运、可多点悬浮等优点，在特种装备（如太空飞行器、水下机器人等）中应用广泛。如何搬运、定位是气垫悬浮单元应用的关键问题。针对这一问题，本文提出了一种多孔气垫悬浮单元搬运方案，并通过理论计算和仿真分析，对方案进行了验证。研究表明，该方案可行，可满足任意位置和角度的定位要求。本文研究工作对多孔气垫悬浮单元的应用具有一定的指导意义。

关键词：多孔气垫悬浮单元；搬运性能；承载性能

引言：在特种装备的搬运中，气垫悬浮单元可以作为移动平台，也可以作为货物的吊运平台，甚至可以作为载人飞船的内部结构，具有很好的应用前景。而在特种装备中的定位问题是应用的关键，它涉及气垫悬浮单元自身及其与环境之间的关系。

1. 气垫悬浮运输的原理

多孔气垫悬浮单元搬运方案基本原理是利用一个固定的旋转支撑机构，实现气垫悬浮单元的整体移动。当气路控制系统启动后，气路控制系统通过控制转子驱动机构，使气垫悬浮单元的运动轨迹从“直线”运动变成“曲线”运动。若气垫悬浮单元从水平位置向垂直位置移动，则气垫悬浮单元在气路控制系统控制下将完成相应的转向操作。根据转向角度的要求，可通过对转子的角度进行调整，以实现气垫悬浮单元的定位气垫悬浮单元在水平方向上移动时，气路控制系统需要对转子的角度进行调整[1]。气路控制系统可通过改变转子的转角实现对气垫悬浮单元运动轨迹的调整。为保证气垫悬浮单元转向时的稳定性，转子驱动机构需要具有一定的转动惯量。在转子驱动机构中，定心支架是决定转动惯量大小的关键部件。由于转子驱动机构采用齿轮齿条结构形式，其转动惯量较小。根据气垫悬浮单元的特点及结构形式，通过对转子驱动机构进行优化设计和合理选型，可使转子驱动机构具有一定转动惯量。

2. 多孔气垫悬浮单元搬运性能分析

2.1多孔气垫悬浮单元几何分析

多孔气垫悬浮单元是一种采用气体动力悬浮技术进行搬运的装置，在本次实验中，某多孔气垫的长度（L）为500mm；宽度（W）为300mm；高度（H）为100mm孔径（D）为20mm；孔间距（S）为50mm。最大承载重量为200kg，最小承载重量为5kg。在使用过程中，高压气体会进入到气垫中去，之后气垫开始膨胀，在气体溢出时，其会与周边的地面形成气体悬浮的效果，进而实现搬运功能，在其中气室起到重要作用，因此需要对其进行几何分析。

如果我们要建立一个圆形气垫悬浮单元气室，直径为D，厚度为h。在内部设置n个均匀分布的孔洞，每个孔洞的直径为d。气室外轮廓圆形，直径为D；内轮廓圆形，直径为D-2(d+δ)。其中，δ为孔洞与气室边缘的间隙，可以根据需求设定。

将内轮廓分成n个连续的扇形区域，每个扇形区域设置一个孔洞。孔洞密度定义为孔洞总面积与气室总面积之比，可以表示为ρ=(n*π*(d/2)^2)/(π*(D/2)^2)。

孔洞占空比定义为孔洞总面积与气室内部面积之比，可以表示为α=(n*π*(d/2)^2)/(π*(D/2)^2-n*π*(d/2)^2)。

经过分析之后，发现气室的小径为100mm，大径为400mm，内轮廓直径D-2(d+δ)，其中d=10mm，δ=5mm。其中孔洞数量为8个，均匀分布在内轮廓上，其孔洞直径d为10mm。

孔洞密度ρ:(n*π*(d/2)^2)/(π*(D/2)^2)≈0.08（约为8%）

孔洞占空比α:(n*π*(d/2)^2)/(π*(D/2)^2-n*π*(d/2)^2)≈0.09（约为9%）

2.2搬运性能分析

搬运过程中，气囊对物体的压力通过驱动装置以一定的频率变化。在对气囊压力进行分析时，可以将其分解为三部分：气垫部分、驱动部分和气囊本身。在对气囊压力进行分析时，需要将气囊看作一个弹性元件。气垫部分受到重力和弹簧的作用，因此在重力作用下，气垫会产生形变；驱动部分由电机驱动，可以提供运动的驱动力；气囊本身可以看成一个弹性元件。驱动和气囊本身构成了一个系统。因此，为了方便对系统进行分析，需将系统分解为三个部分：驱动、气囊和气垫。这三个部分分别为研究对象，分别是：气垫、驱动、气囊和气垫。气垫是其中最重要的组成部分，它的形变量直接决定了气垫悬浮单元的运动情况。此外，对气垫的分析也是研究系统性能的关键所在。因此，对气垫分析的研究至关重要。当系统运行在静止状态时，驱动和气囊分别为零；当系统运行在运动状态时，驱动为零；而当系统运行在静止状态时，气垫和气垫也同时处于零状态。这说明气垫和气垫环均处于运动状态。因此可以得到系统的运动方程：

其中，k为多孔气垫悬浮单元的稳定性，F为气垫在使用过程中的承载力，是气垫在搬运过程中的承载差值，而L是气垫在搬运过程中的构造位置，这个公式可以对多孔气垫的稳定性与承载力进行分析。

2.3仿真结果分析

通过理论计算与仿真分析，本文研究了不同气动力作用下多孔气垫悬浮单元的位移情况和角度定位能力。在此基础上，以不同位置和角度作为输入，研究了不同气动力作用下多孔气垫悬浮单元的位移、角度等特性。为分析气垫悬浮单元的性能，我们选取了位移、角度作为输出结果。由于气垫悬浮单元受到气动力的作用，在不同位置时，气垫悬浮单元的位移曲线会有较大幅度变化。但是，随着气动力作用时间增加，气垫会逐渐达到稳定状态。并且气垫在不同位置时的位移曲线变化规律相同。可见，气垫在不同位置时的位移和角度变化趋势基本一致。气垫在不同角度时的位移曲线基本相同

[2]。由于多孔气垫悬浮单元具有多点悬浮功能，在不同角度时可通过气垫多点控制实现任意位置的定位和搬运。其中，气垫与气垫之间的距离为0.1mm时的角度定位精度最高；距离为0.2mm时角度定位精度最低。

为了进一步分析气垫多点控制对气垫悬浮单元性能的影响，我们分别选取了不同气动力作用时间和气动力作用位置，研究了不同位置对气垫多点控制性能的影响。气动力作用时间为1s时，气垫位置定位精度最高；当气动力作用时间增加到5s时，气垫会达到稳定状态；当气动力作用位置增加到10mm时，气垫在不同位置时位移曲线趋于一致；当气动力作用位置增加到20mm时，气垫在不同位置时位移曲线趋于一致。说明气垫多点控制性能良好。

2.4结论分析

多孔气垫悬浮单元搬运方案，是通过在每个单元内设置3个小孔来实现的，并通过在每个小孔内设置多个定位孔来实现。该方案是可行的，在理论上不会产生较大的附加载荷。根据多孔气垫悬浮单元的运动方程，计算得到每个单元在搬运过程中的气流场。通过理论计算和仿真分析，验证了理论计算结果。根据多孔气垫悬浮单元的工作原理，确定了每个单元的定位方式。通过理论计算和仿真分析，得到了每个单元在搬运过程中气流场的分布情况。根据气流场的分布情况，可以确定该单元所需的位置和角度。根据多孔气垫悬浮单元的定位原理和气流场分布情况，对3个多孔气垫悬浮单元分别进行了搬运仿真分析。可以确定3个多孔气垫悬浮单元均可实现不同位置和角度定位要求。

结语：综上所述，本文针对实际应用中对气浮平台搬运和定位要求，提出了一种基于多孔气浮平台搬运方案；然后，结合气垫悬浮单元和特种装备之间的关系，建立了平台搬运模型；最后，对气浮平台搬运进行了理论分析和仿真验证。本文提出的方案能够有效解决气垫悬浮单元在实际应用中遇到的问题，具有一定参考价值。

参考文献：

[1]王根成,郭宗福,赵程磊等.多孔气垫悬浮单元搬运性能研究[J].机械设计与研究,2023,39(04):203-208.

[2]曾杰华,梁健.基于重型装备室内搬运及移位的组合式气力搬运装置设计[J].机电工程技术,2021,50(12):239-241+250.