CN105179478B - 一种应用于全物理仿真的多孔质气悬浮支撑系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种应用于全物理仿真的多孔质气悬浮支撑系统。采用带减容丘的真空预载荷结合多孔质节流器的气悬浮支撑系统，主要包括垂直导向机构、可调支撑横梁、承重传感器（17）、气悬浮支撑机构（3），其中气悬浮支撑机构由气悬浮支撑壳体（23）、气嘴（19、20）和多孔质节流器（7）构成，气悬浮支撑壳体（23）是由气悬浮均压结构（7、22、24、25、26）、负压真空腔体（26）及减容丘（22）构成。应用于全物理仿真的多孔质气悬浮支撑系统，增加了抗倾覆力使系统更加稳定，进一步提高系统稳定性。

Description

一种应用于全物理仿真的多孔质气悬浮支撑系统

技术领域

本发明涉及一种应用于全物理仿真的多孔质气悬浮支撑系统，特别是带真空预载荷的多孔质气悬浮支撑系统。

背景技术

航天器的姿态控制是确保航天器可靠运行的关键所在。为保证航天器运行的高精度和可靠性，航天器在出轨飞行之前，需要先在地面上对航天器的子机构(如天线、太阳阵、辐射器和遮挡板等)进行动力学测试实验。太空环境的一个最重要特征是零重力，如何在地面环境这种有重力的环境下实现测试机构的失重条件下的工作状态一直是空间结构的地面测试中面临的一个难题，需要通过在地面进行全物理仿真实验，精确模拟出所测机构的外层空间所处的零重力环境，即实现所谓无约束的“自由-自由”边界条件。

在地面环境上模拟无约束的“自由-自由”边界条件，工程中最常用的方法是利用一个支撑系统在试件的有限结构点上对结构所处的地面重力环境以及机构本身的自重载荷进行补偿。常用的构建地面零重力环境的方式有惯性补偿、中性浮力零重力模拟、机械悬挂模拟系统和气浮模拟。

现有的发明中存在一些基于气浮机构的方案。申请号CN201210404463.5公开了一种气浮导轨，应用在气浮导轨上,并未应用在全物理仿真的支撑系统上，同时它任何一个工作面只是采用单一的或气浮或吸附工作方式。多孔质节流器已经在工程领域得到了广泛应用，现有专利成果中，哈尔滨工业大学的发明专利公开文本（申请号：201310190499.2）中提及了一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器；华中科技大学的发明专利公开文本（申请号：201010188385.0）提及了一种单腔多孔式节流结构的气体轴承；天津精通控制仪表技术有限公司申请了一种带有多孔节流式阀笼的高压笼式调节阀的实用新型专利（申请号：201020560331.8）；西安交通大学申请的发明专利——《双柱面多孔质气体静压电主轴》（申请号：201110070094.6），采用多孔质材料作为节流器，可以有效提高轴承的承载能力和稳定性。

从技术角度分析，在众多现有相关专利中，仅仅应用单一受力方向，并未从系统稳定性角度考虑，构建一个相反的平衡力。纵观应用领域，在全物理仿真实验的气悬浮支撑系统中，还未有应用多孔质材料节流器，更未有在同一气浮平面结合真空预载荷功能。例如上海微电子装备有限公司的发明专利公开文本《气浮支撑系统》（申请号：201110130112.5）和《一种气浮支撑的旋转台》（申请号：201010022989.8）、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的发明专利公开文本《多足式光学装校用重载气浮支撑装置》（申请号：201410187153.1）和中国航天科技集团公司第五研究院第五一八研究所的实用新型专利《大承载气浮支撑装置》（申请号：201120297229.8），均未见到采用多孔质材料作为节流器的相关内容阐述，也未见到同一气浮平面中应用真空预载荷的复合应用。

发明内容

综上所述，本发明提供一种带减容丘的真空预载荷结构结合多孔质节流的气悬浮支撑系统。本发明主要应用于全物理仿真的实验过程。

气浮与气悬浮的主要差别在于：气浮是利用气体单一方向上的浮力形成无摩擦状态；气悬浮是在正压气浮的基础上在同一平面上另外增加一个负压吸附（真空预载荷结构）产生与浮力相反的吸力，同时平衡系统自身所受的力结合气浮与吸力达到稳定的平衡状态。

气悬浮模拟系统是基于气动技术理论构建的零重力环境模拟悬浮系统，气悬浮模拟不但具有很高的功率重量比，而且清洁无污染，非常适用于真空环境；同时气体压力具有优良的可控性，可以通过计算机精确控制气体压力，保证被测机构的高度稳定性。在模拟零重力环境的试验设备中气悬浮模拟悬挂系统具有独特的优势。

节流器作为气悬浮系统的关键部件，其设计是影响气悬浮平台功能实现的重要环节。节流器的作用原理是：外部压缩气体流经节流器时产生节流效果，气体流出节流器后发生膨胀并产生压力降，在工作间隙中形成气膜，从而获得较大的承载能力和刚性，使得被测结构浮起，能够有效地模拟航天器在外层空间所受扰动力矩很小的力学环境。

根据节流机制的不同可将节流器分为小孔式、狭缝式、毛细管式和多孔质式等多种形式。采用多孔质材料的节流器，由于多孔质材料自身大量的孔隙存在，可以提供成千上万的微小的节流孔，这些均匀分布的节流孔能够改善空气流动的均匀性，产生的节流效应相比其他供气形式的节流器效果要好，因此可以大大提高承载能力和静态刚度。

在通过多孔质截流实现气浮的同时，在结构中增设带有减容丘的负压真空腔，用以产生与浮力相反，构成相对平衡的吸力，使整个系统既能够实现无摩擦的位移—气浮功能，同时通过真空吸附使系统不至于在运行过程中倾覆，最终整个系统基于自身的重力，结合多孔质截流的浮力与真空预载荷的吸力间达到的平衡的悬浮状态下平稳运行。

本发明是采用如下技术方案实现的：采用带减容丘的真空预载荷结合多孔质节流器的气悬浮支撑系统，主要包括垂直导向机构、可调支撑横梁、承重传感器、气悬浮支撑机构，气悬浮支撑机构由气悬浮支撑壳体、气嘴和多孔质节流器构成，气悬浮支撑壳体是由气悬浮均压结构以及负压真空腔体及减容丘构成。通过气悬浮支撑系统使所需支撑的系统在工作平台做平稳的无摩擦运行。

如上所述的垂直导向机构主要由弹簧、导向杆、直线导轨轴套、限位螺母、防扭连杆构成。

如上所述的可调支撑横梁主要由上横梁、中横梁、双向调高螺杆及锁紧螺母构成。

如上所述的承重传感器安装在中横梁与下横梁之间。

如上所述的气悬浮支撑系统，其中多孔质节流器是以碳、陶瓷等非金属材料或以多孔金属及金属合金材料等多孔质材料作为节流器，利用其多孔特性起到气体节流的作用。

如上所述的气悬浮支撑系统以承重传感器为气悬浮工作状态的反馈，使整个系统的气悬浮承载达到均衡。

本发明由于采用了多孔质材料作为节流器，并结合负压真空吸附腔体，使之与现有的气浮支撑系统相比，具有以下的优点：

1.抗偏转防扭功能，能够在满足系统灵活性的基础上防止支撑系统的扭动与偏转。由于垂直导向机构中使用了弹簧、导向杆和直线导轨轴套，极大降低了垂直方向受力时机构的突发性震颤，使支撑系统的工作过程更加柔和平顺，减少系统误差干扰。

2.利用承重传感器对支撑系统的工作状态进行精确测量，并依据反馈调整气悬浮支撑到最佳工作状态。

3.有效利用了材料中的多孔结构特征，并通过承重传感器来体现提高了高压气膜的刚性和稳定性，极大地改善了承载性能的关键指标，最终强化了系统的可靠性。

4.本发明充分利用了多孔质节流器的所产生的高刚度、高稳定性气膜实现了气悬浮支撑的高承载能力、高稳定性以及近似无摩擦的特性，对比小孔节流器应用，多孔质节流器应用极好地适应了气浮台面可能存在拼接缝隙与孔洞等实际应用环境，极大地提高了方案的适用普遍性。本结构整体设计合理，使用方便且易于维护，适用于各类承载装置的移动和支撑，提高了系统应用性能。

5.选取的若干类作为多孔介质的金属或非金属材料还具有润滑功能，在过载支撑过程中可以缓冲对系统稳定性的冲击，使系统性能指标平滑。

6.结构中的增加与系统自重以及气浮相平衡的负压吸附结构，使整个系统不仅受到向上的浮力又受到与之对应的吸力，增加了抗倾覆力使系统更加稳定，进一步提高系统稳定性。

附图说明

图1为采用多孔质材料作为节流器的气悬浮支撑系统的结构示意图。

图2为气悬浮支撑机构的端面视图。

图3为图2的气悬浮支撑机构沿A-A线的截面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的采用多孔质节流器的气浮支撑系统作进一步详细说明。其中附图采用简化形式且使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，采用多孔介质节流器的气浮支撑系统包括弹簧1、导向杆12、直线导轨轴套18、防扭连杆6、气悬浮支撑机构3、球头螺杆2、双向调高螺杆10、锁紧螺母8、9、气悬浮支撑机构锁紧螺母4、上横梁13、中横梁14、下横梁15、限位螺母16、承重传感器17、减容丘22。

所述的工作平台，通过导向杆12和弹簧1安装在上横梁上13。所述的横梁13、14、15通过球头螺杆2与气悬浮支撑机构3相连接。

如图2和3所示，气悬浮支撑机构由气悬浮支撑壳体23、气嘴19、20和多孔质节流器7构成。其中气悬浮支撑壳体23上设计有正压气嘴20，作为高压气体的输入通道；负压气嘴19作为负压吸附的输出通道；其中多孔质节流器7是具有通透多孔质特征的多孔材料片，在气悬浮支撑结构中起到节流器的作用。负压真空腔起到负压吸附作用。负压真空腔中的减容丘22在固定的负压面积前提下，可产生增大负压作用力效果。以承重传感器为气悬浮工作状态的反馈，使整个系统的气悬浮承载达到均衡。

如图3所示，气悬浮支撑壳体23包括凸起的筋25与凹下的槽24，筋25用于与多孔质粘接便于多孔质附着，槽24用于确保对多孔质供气压力，同时结合贯通槽与正压气嘴20为节流器均压供气。工作状态下，多孔质供气内表面形成均压等供气压力的高压供气仓。筋与槽的主要构成形式是(但不限于)迷宫型或是贯通的标靶圆环型等各类筋槽交替构成的结构。

尽管本公开已经进行了详细描述，应理解，在不脱离附加权利要求限定的精神和范围的情况下，可以做出各种改变，替换及变更。所附权利要求旨在包含这些改变、替换及变更。

Claims (7)

1.一种应用于全物理仿真的多孔质气悬浮支撑系统，主要包括垂直导向机构、可调支撑横梁、承重传感器（17）、气悬浮支撑机构（3），其中气悬浮支撑机构由气悬浮支撑壳体（23）、气嘴（19、20）和多孔质节流器（7）构成，气悬浮支撑壳体（23）是由气悬浮均压结构、负压真空腔体（26）及减容丘（22）构成。

2.如权利要求1所述的气悬浮支撑系统，其中所述的垂直导向机构主要由弹簧（1）、导向杆（12）、直线导轨轴套（18）、限位螺母（16）、防扭连杆（6）构成。

3.如权利要求1所述的气悬浮支撑系统，其中所述的可调支撑横梁主要由上横梁（13）、中横梁（14）、双向调高螺杆（10）及锁紧螺母（8、9）构成。

4.如权利要求3所述的气悬浮支撑系统，其中所述的承重传感器（17）安装在中横梁（14）与下横梁（15）之间。

5.如权利要求1所述的气悬浮支撑系统，其中所述多孔质节流器（7）是具有通透多孔质特征的多孔材料片。

6.如权利要求5所述的气悬浮支撑系统，其中所述多孔材料片是非金属材料或多孔金属材料。

7.如权利要求6所述的气悬浮支撑系统，其中所述非金属材料是碳或陶瓷。