气垫搬运技术探讨(一)

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薄气垫(以下简称为气垫)作为一种新型的运输设备,约于l964年在美国等工业较发达的资本主义国家开始用于工业部门。目前在这些国家中已得到较普遍的使用。我国约于1972年从国外引进气垫技术并进行试验,目前在国内还处于试验阶段,只有少数单位试用于工业生产中。下面就我们在气垫试验研究中遇到的几个技术问题,提出一些粗浅的看法,以便在国内气垫研究试验中,互通情报,并希望能起到抛砖引玉的作用。

一、搬运气垫的能量特性

为了便于说明搬运气垫的能量特性,首先,概略地介绍搬运气垫的工作原理。

搬运气垫是以一层很薄的空气层与支承面隔开,它与支承面是很靠近,然而与支承面却没有或很少接触。其工作原理如图l所示:在载荷支承板C的下方,安装一个环形橡胶气囊A,当压缩空气进入气囊内时,气囊便膨胀,与此同时,一部分压缩空气经过气囊壁上的小孔流入气囊与支承面之间形成的气室B。当气囊胀到一定程度(气囊支承面积×气室中的压力≥载荷)后便浮离支承面。气囊与支承面之间形成间隙,气室中的压缩空气经此间隙泄入大气。由于空气具有一定的粘性,当它流经间隙时,便形成以空气为润滑剂的一层极薄的空气也就是说,搬运气垫盘不能稳定地浮起来。也正是由于这一特性,决定了这种气垫不论供给多大的气量,它也会像气垫船飞离地面那么高。在此提出这一问题的目的:就在于如何按照气垫的能量特性,以便认识在试验和使用气垫过程中出现的一些现象,从而设计出更合理的气垫盘结构。

二、搬运气垫和气垫系统的垂直振动

搬运气垫和气垫装置系统的垂直振动,在试验中是经常遇到的问题。这种垂直振动其实质与一物体作机械振动是一致的,它必须要有内在的因素和外界引起振动的条件。但是气垫盘的振动也有它自己独有的特性,这种特性随着气垫盘结构形式的不同而异,分析如下

(一)硬唇式结构搬运气垫的振动

我们曾对硬唇式搬运气垫的两种结构(图2 a、h)做过初步的试验,均因动而不能稳定地浮离支承面。这种结构产生振动的原因是:

搬运气垫技术

搬运气垫技术

硬唇是由具有一定弹性的橡胶制成,在荷重的作用下气垫盘向下运动,直至硬唇与支承面接触使气室变成密封腔。当有压空气不断地向气垫盘供给时,气室内压力则随之上升,迫使气垫盘慢慢向上升起。当气室压力(P2)X有效支承面积(S)=荷重(G)时,便形成了硬唇刚要离开而又没有离开支承面的临界状态,气室封密状态还未除,泄气道未勾通,但供气并未终断,因而促使气室压力继续上升,气垫盘也随着向上运动。当气室压力(P2)×有效支承面积(S)之积稍大于荷重时,气室封密便大部分消失,泄气通道打开,空气外溢,P2值迅速下降。此时,如供气不能相应地增加以补充P。下降值,当P2* S<G时,就不能使气垫盘稳定地浮在某一高度,必然会在G的作用下向下运动,直至气室又封闭,泄气道又全部阻塞。压缩空气的弹性(即可压缩性)和硬唇材料的迟滞现象(由于硬唇材料具有弹性,气垫盘向上运动时需P。X s>G一定值时,才能浮离支承面,气垫盘向下运动,当P2X S=G时,气垫盘的运动并未终止而是在G的惯性力作用下继续向下运动,迫使硬唇产生一定的弹性变形,这种现象称为迟滞现象),两者构成振动的内在因素,再有一个脉冲气源的低周期自然频率扰动下,便形成垂直振动。

(二)囊形结构的搬运气垫振动

搬运气垫的气囊为囊形结构(图3)时,在试验中因过量供气(或供气压力过高)而出现振动。当减少供气量或增加荷重时,振动即自行消失。过量供气只是引起振动的一种表面现象,需寻求引起振动的直接因素。

气垫搬运技术

搬运气垫气室内的气体流动是轴对称的流场,气囊与支承表面之间的密封是一环形带,轴对称流场中园环形外泄的流量公式:

气垫搬运技术

 

 

 

 

 

当供气量比正常浮起时所需供气量Q增加ΔQ之后,按流体的连续性,泄气量也必须同样增加ΔQ。为了使增扎的△Q 能连续不断地泄流出去,由(2)式可看出其途径有三:其一是增大P3使泄气流速增加,从而在过流面积不变的情况下增加泄气量,但是P2=G/S,因G一定后要使P2增大,只有缩小有效支承面积S ;其二是缩短缝隙长度即减少R1与R0之差值(其实质就是减少泄流阻力),其三是增大h值,h是气室中静压力区的节流缝高度若h值大了,就起不到节流作用,故h值变化是有限的。

搬运气垫在最佳工作状态时,供气量稍有增加,上述三种途径往往是同时变化,以便适应增加了的ΔQ,而平常感觉到振动时的△Q值已是临界值ΔQKop,这时,上述三种途径已

不能满足△Qkop。,的要求。由于P1-P2=ΔP,若气囊上泄气孔直径d(见图3)是不变的,则AP将随△Q值的变化而变化。当△Q增加至ΔQKop时,ΔP也将出现ΔQKop,值与其相应,此时即出现振动。单个气垫盘的ΔQKop,值并不是一个固定的常数,而是几个比较接近的数值,这是由于外界拢动条件的不定而造成的。例如:气源脉冲频率的不稳定,偏载,支承表面状况的变化,荷载重量的变化等。

由数个搬运气垫组成的气垫装置系统产生振动的机会,随着气垫盘个数的增加而下降,这是由于各个气垫盘本身均具有自己的ΔQKop值,并且具有由ΔQKop决定的频率,要引起整个气垫装置系统的振动,则必须使大部分气垫盘的ΔQKop。,值和频率比较接近(完全重合将产生共振),并且还要有引起振动的激振因子,再加上外界的干扰因素,这就使气垫装置系统较单个气垫盘振动为困难。

从上述可以看出:ΔQKop是通过ΔQKop。,来产生振动的,即ΔQKop是引起振动的内在因素。那么,ΔQKop的存在又为什么能引起振动?为了便于说明问题,首先看看气垫盘的受力情况和产生振动的过程。气垫盘稳定地浮起状态是指在密封带(指图4 a中D1一D0这一环形带)内,气囊与支承面之间绝大部分是分离无接触,只有极少处因支承面的平整度、粗糙度、气囊变形不均等原因造成接触。

搬运气垫稳定地浮起后,其受力平衡状态见图4 a、b0气室内的压力是均布的,向上的气体作用力F1是:润滑层一即气垫。由搬运气垫的工作原理可以看出:气垫的动力源是压缩空气,它是利用有压空气的静压力能,不像人们看到的气垫船是利用有压空气的动力能作用在气囊上未被外力所平衡的这些力的合力T=根号x2+y2,构成使气囊产生弹性变形 的张力(张力T对气囊和载荷支承板均为外力,对气垫盘是内力)。气垫盘稳定浮起时,密封带区由于作用力互相平衡(y2=T COSγ),气囊处于静止状态。此时,由于△P值很小即 yz较小,气囊产生不大的弹性变形就可以平衡力y2。。这一平衡状态保证气囊与支承面之间 有一间隙来形成气膜(即气垫)。

气垫搬运技术

气垫搬运技术

气垫搬运技术

随着供气量Q的增加,使得P,随之增大(Δp=P1一P2亦增大)。F。无变化,而y2却随之增大,这就破坏了上述平衡关系,气囊在力Δy=y2—T cos γ的作用下,产生新的向下位移运动(即增大轴向变形量),直至y2=T COS γ达到新的平衡后,这位移运动才终止。

当供气量的增量△Q达到△QKop,时,将会出现ΔPKop与其对应, 由于气囊一般都具有一定的弹性,它在增大了的y2作用下,产生较大的轴向弹性变形而接触支承面,封闭泄气通道,气流被切断,气膜被破坏。但是向气垫盘内供气量仍没有停止,从而使Pz值上升至P2′时,气囊便又浮离支承面,泄气通道被打开。但是,气囊在浮离支承面的过程中,使缝隙长度(D1一D。)变短,节流效果下降,因而在泄气通道被打开的瞬间,气室压力由P2′很快地下降为P2。这样气垫盘在载荷的作用下又跌落下来,直至气囊又接触支承面,泄气通道又被封闭。重复上述过程,周而复始形成垂直方向振动。只有减少ΔPKoP或加大P2值才能终止这种振动。

搬运气垫囊形结构垂直振动的消除方法

根据产生振动的原因,有下面几种消除振动的力法。

1.控制供气量 按气垫盘对气量的实际需要来供给,这是解决振动的积极方法。如何控制请参阅本文后面“每个气垫盘供气量的控制”。

2.设置储气宝或气罐 储气室或气罐在供气管路上的位置见图5,其容积一般为气囊

的囊腔与气室容积之和的两倍左右,就可以起到一定的消振作用。储气室主要起储能稳压作用,印作为紧急补充气量,保证连续供气,消除气源脉冲之用,相当于电路中电容器的作用(图6)。

3.在气垫盘的上方安装具有弹性的悬置件(见图7)。

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气垫搬运技术

气垫搬运技术

4.在气囊强度许可和需要的情况下,可以采取加大荷重来消除振动。荷重加大后使P2上升,有ΔP-P1一P2下降,气囊的轴向变形量减少;而径向变形量增大,即Dl增大,使缝隙加长则增强节流作用,气室静压区的稳定性得到加强,故能消振。

5.气垫装置系统产生振动时,可以采用改变外界干扰因素来消振。如移动位置、越过振动时的供气量等均可收到一定的消振效果。其实质上就是改变某些气垫盘的临振状态,从而使整个系统临振状态得到改变。

 

点击此处了解:气垫模块气垫搬运

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