气垫搬运技术探讨(二)

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三、几种气囊结构形式的性能分析及气囊参数确定

     气垫盘的气囊结构形式很多,随着气垫技术的发展,气囊的结构形式也不断变化和更新,大体可分为硬唇形(图2)和囊形两类。目前国外常用的囊形结构,主要的有: “气浮”罗尔空气系统形(Air float,Rolair system)(图8);埃洛哥(Aero-Go)形(图9);波音(Boeing)形(图10)。埃洛哥形和波音形比较相似。国内流行使用的是囊形(仿Air float Rolair system)和翼形(仿Boeing和Aero—Go)。

气垫搬运技术

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(一)气囊性能的分析

      气囊性能的好坏主要体现在以下几个方面:对支承面的表面状况适应性强(即在使用时对运行地面不应要求过高);运行阻力小;耗气量小,运行平稳而不易受外界条件的扰动(即不易振动)。

     根据我国厂房内地面大部分为水泥地面这一现状,应要求气囊能在较平坦和光滑的水泥地上运行,而阻力系数值不大干5‰,耗气量为0.2米3/分左右,这样对荷重在20″–30吨以下,而又无固定的运行线路的场合是有实用意义的。对于荷重较大而运行线路又固定的使用场合,应力求阻力系数小于2‰,耗气量也应更低些。硬唇形结构具有抗磨、耐高压、承载能力大的优点,但由于它对支承面适应性较差,以及易受外界干拢而振动的缺点,放在国内外均未能得到广泛地发展。但它并不是不能使用,只要有一个较好的支承面,保持泄气通道缝隙有适当的长度(使其具有较好的节流效果,增强气室静压区的稳定性),克服引起振动的三因素(硬唇橡胶的弹性,空气的可压缩性,气源低周期的脉冲频率)之一或之二,就可以使用。正如中国科学院电工所等单位将步进式电机的支承,由原来滚动轴承改用金属缝隙式气垫(图11),用活塞式空压机直接供气,运行平稳,解决了支承面压强过大的难题。由于囊形较硬唇形具有对支承面适应性好,运行阻力小且平稳等优点,因而目前在国内外得到广泛的使用。翼形比囊形结构出现较晚,但它比囊形对支承面的适应性强,运行平稳,不易受外界条件拢动而引起振动。这是由于气垫盘自身为并联气路,这就使它自身带有一个弹性储气室(即气囊),这弹性储气室又能在较大的范围内以改变有效支承面积S、缝隙长度(即密封带宽度)和气膜厚度来适应外界因素(如供气量不适当地增大等)的变化。因自身具有并联气路,当供气过量时也不致于引出ΔPkop,值,从而不会引起气囊较大的轴向变形,这就消除了引起振动的一个直接因素。但这种结构的橡胶气囊在制造工艺上较为复杂。

气垫搬运技术

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在1977年一机部农机、矿机成套设备展览会上,展出了我所研制的一辆30吨自行式气垫车(起重运输机械》1978,N0 1),该气垫车采用8个由我们自己设计的“D”字形气囊(图12)。这种气囊是按如下的设想进行设计的:

1)气垫盘本身采用并联气路,

2)在气囊内侧开有小孔以平衡囊腔和气室的压力;

3)在气囊底面(与支承面相接触的面),开有小孔,此小孔泄出囊腔中有压气体,可以形成气帘,以便封住气室内静压气柱,增强其稳定性,并由此小孔泄出的气流促进气膜的形成,增强气囊对支承面的适应性。

这种’‘n”字形气囊结构,在较平坦的水泥地面上经初步试验表明:当荷重为27吨时,它的水平牵引力约为55公斤,耗气量约为0.2米3/分·吨左右。由于目前还没有进行气垫车的工业性试验和气垫盘的台架试验,这种气囊结构的优点和存在的问题,均未能得到充分的发挥和暴露,有待进一步的试验。

(二)气囊参数确定

气垫盘的金属结构和气囊的结构形式应按实际使用要求来确定。在这里介绍目前国内使用较多的囊形结构的气囊性能参数,和几何参数的选择与计算(至于其他结构形式的气囊参数与此是大同小异)。

1.性能参数的确定

性能参数是指承载能力G;消耗的空气量Q;浮升功率N升;牵引功率N牵等。

a.承载能力(能够托起的荷重)G

G=S*P2 (11)

式中:P2一气室中压力(kg/cm2),此值在设计时根据气囊骨架材料以及使用地面的平

坦光滑程度来确定。一般P2值为1.5kg/cm3左右为宜。若P2值过大,当遇到使用地面粗糙不平或气囊质量不匀,变形不一致时,则局部泄气严重,并易产生啸叫,使无用的耗气量增大。

S=1/4πD2( cm2)一气囊的有效支承面积。

D一气囊的名义直径(cm)。即气囊在自由状态时设计的密封带直径(设计时假定密封带为线密封)。实际使用时由于气囊受张力T的水平分力x的作用下,产生径向的弹性变形,从而形成一个宽度,它随P:值的变化而变化的环形密封带,因此,D值与实际尺寸不相符,故称其为名义直径。

综上所述,实际使用时,当P2为设定值,由于气囊的径向变形而使得有效支承面积S变大,故气垫盘的实际承载能力要大于设计值。同时也说明:载荷G与气室压力P2之间不是一般称其为厚气垫,这就是薄气垫与厚气垫在使用能量形式上的根本不同之处)。按照气垫利用有压空气的静压能这一特性,就要求气垫盘在结构上能保持一个稳定的静压区来支承载荷。这也决定了气垫盘离支承面的间隙(即气膜厚度)h值不能过大(一般h=0.0125~0.25 mm),否则稳定的静压区无法保持,线性关系。

b.消耗的空气量Q

消耗的空气量Q系指经折算后的自由空气量。耗气量Q主要是载荷Q和支承面的平坦粗糙度N的函数,即Q=f(G、N)。试图从理论上以公式Q=πh3/6u*(P2R0-P3R1)/(R1-R0)或其他的方法来算出Q值都是难以办到的。这是由于气囊的弹性变形(这种弹性变形的规律,目前还没有完全掌握)以致h、P2、R1、R0均成为随Q变化而变化的函数。=在国外是在不同的支承面上通过试验,把气垫盘单位周长上消耗空气量q随P2值变化,作出曲线(图13)[4]供选用。在这曲线上未能反映出合理的阻力值与Q之间的关系,由于气囊存在弹性变形,此曲线也未能反映出载荷G与Q的关系,而且设计时设定的P,值与实际的P2是不一致的。故用此法按设定的P2值来选用Q值有较大的误差。

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选用Q时,应按己确定的使用地面和一个较为合理的阻力系数,以浮起每吨重的载荷所消耗的空气量来作为单位耗气量。如f=0.3%时,在一般较平坦光滑的水泥地面上,Q约为0.2米3/分·吨左右,在平坦光滑的水磨石地面上,Q约为0.15米8/分·吨。因此,在试验中应作出如图14所示意的一组曲线,对设计时选用是有实用意义的。

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若气垫盘完全浮离支承面时,即气囊与支承面完全脱离接触,且认为支承面为绝对平坦光滑,则此时的阻力,应按两平行平板间夹有流体,一平板以速度V运动时的阻力公式来计

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气垫装置系统的行驶速度按其承载的总重量而定。G系为50吨以下时,可取30米/秒>V>20米/秒;若。系为s0时.以上讨,V<20米/秒。这是由于气垫装置系统没有制动器,若速度太快,惯性力难以控稍。如果采用突然切断气源来制动,则会产生很大的冲击力,对地面和设备均可能造成损坏。

2.几何参数的确定

气囊的几何参数是指:名义直径D,自由高度H0;α及β角度,气囊壁上泄气孔直径d及其位置(图15)。

 

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一般情况下可按上式取H0值,有特殊要求时可不受其限制。但是,若H0过大,运行时可能出现摇摆而不稳定;若H0太小,则因气室太小而浮起不稳定。因承载后气囊总要在张力T的径向分力x的作用下产生径向变形,承受荷重越大,此弹性变形量也越大,这就使得承载时浮起高度一定要小于自由高度H0。

c.α和β角度

α角一般为l5度到20度左右,β角为拨摸斜度,可与橡胶厂协商确定。

d.泄气孔直径d及其位置I

在气垫盘内气体的流速一般是低于音速,即在亚音速区(M<1)。气体的流动基本上与不可压缩流体的流动相同,而具有随着过流面积的增大而流速下降,和气体密度下降率小于速度的增长率即dp/p<du/p的特性。气垫盘稳定地浮起后,进入气垫盘和从气垫盘泄出的气量是相等的。压缩空气经气垫盘(图16a)的进气咀d0进入囊腔①,再经d流入气室②,然后经密封带③泄人大气,气体的这一流程,就决定了P0>P1>P2>P3,否则这一流程就不能实现。这一流程亦可视为一个流管(图16b)的流程,按流体的连续方程和伯努利方程:

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