CN108583943B - 闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，在气浮物理仿真平台的平动平台中心设置由导气块、导气孔组成的导气单元，在基础平台设置由导气块和导气孔组成的导气单元，在导气块上设置由封气环、闭式气膜密封供气通道和封气塞组成的闭式气浮单元，在对气浮式物理仿真平台供气过程中，利用固定供气单元中的闭式气浮单元和可移动导气单元之间的超薄气膜实现气膜密封；本发明实现了气浮物理仿真平台连续不断的外部气体供气，又通过与外部供气通道的非接触气膜密封消除了气管扰动和附加承载力的影响，具有实验时间长、模拟环境干扰力矩小、密封可靠、垂向刚度高等优点。

Description

闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置
技术领域
本发明属于航天器物理仿真领域，主要涉及一种闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置。
背景技术
随着航天技术的快速发展，航天器的用途不断增加，对于航天器的快速机动性能、姿轨稳定性能和可靠性能的要求日益提高。为了验证并确保航天器的在轨运动性能，进行模拟失重及微干扰力矩空间环境的地面仿真实验就变得尤为重要。
目前航天器地面仿真平台的结构形式有丝杠导轨接触式、气悬浮非接触式和磁悬浮非接触式等形式。丝杠导轨式仿真平台的摩擦力矩大，难以满足微干扰力矩的环境要求。专利CN101286281A提出一种刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统，通过磁悬浮实现多自由度运动，以获得贴近实际的刚弹液耦合多体航天器系统。但是该形式会产生较大的磁场干扰，进而产生不可忽视的磁力矩，且强磁性材料在外太空环境存在消磁风险。因此，气浮物理仿真平台已为航天器全物理仿真测试系统的主流设备。专利CN106494653A、CN105242573A和CN105179478A均采用了气悬浮形式，通过气浮轴承实现平台的悬浮，从而模拟卫星在轨微干扰力矩状态下的动力学特性。专利CN105321398A中提出一种六自由度气浮运动模拟系统，通过一个球面气浮轴承和三个平面气浮轴承，实现平台的六自由度运动，完成航天器空间姿态的旋转和平移运动模拟。在上述专利提到的气悬浮物理仿真平台中，在姿态平台和平动平台上放置气瓶，通过气瓶的串联，结合减压阀和稳定气容对气浮轴承供气。但是通过气瓶的供气方式会再带来实验时长受限、运动平台质量随时间变化等问题，而对于通过外部气管对气浮平台供气方式，又会带来供气气管的牵引作用以及大的干扰力矩。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提出了一种闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，利用固定供气单元中的闭式气浮单元和可移动导气单元之间的超薄气膜，既实现了气浮物理仿真平台连续不断的外部气体供气，又通过与外部供气通道的非接触闭式气膜密封消除了气管扰动和附加承载力的影响，具有实验时间长、模拟环境干扰力矩小、密封可靠以及垂向刚度高等优点。
本发明具体通过以下技术方案实现：
闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，包括旋转平台、仪表平台、平动平台、支撑立柱、气浮球轴承、气浮球碗、平面止推气浮轴承，仪表平台通过支撑筒安装于旋转平台下底面，气浮球轴承安装于旋转平台下底面，所述支撑立柱固定安装在平动平台的上方，上端安装有气浮球碗，气浮球轴承和气浮球碗构成气浮球轴承组件，用于实现旋转平台和仪表平台的Rx、Ry和Rz向旋转；支撑立柱中心设置有通气孔以及侧向通气管路，所述平动平台通过均匀分布的平面止推气浮轴承实现气浮式物理仿真平台的X和Y向平面非接触运动，平动平台的平面止推气浮轴承安装侧的中心位置设置有由导气块和导气孔组成的导气单元，导气孔与支撑立柱中心的通气孔连通，借助支撑立柱中心的通气孔沿支撑立柱+z方向对气浮球轴承组件供气，侧向通气管路与平面止推气浮轴承连接，用于为平面止推气浮轴承供气；所述基础平台下方与导气单元的-z方向对应设置处固定安装有一供气单元，供气单元由供气块、供气孔和大面积浅腔组成，供气孔设置在导气块的中心处，且供气孔周围开设有大面积浅腔，在气浮式物理仿真平台在运动时，导气孔始终位于大面积浅腔内，导气块上设置有由封气环、闭式气膜密封供气通道和封气塞组成的闭式气浮单元，闭式气浮单元将导气块闭式包围，闭式气浮单元与导气块对应面精加工处理，并保持微米量级的距离，在对气浮物理仿真平台供气过程中，通过闭式气浮单元与导气块之间的精加工表面对供气孔的供气进行非接触气膜密封。
优选地，所述供气单元与导气单元之间设置足够的xy平面运动空间，在气浮物理仿真平台在平动工作状态下，供气单元与导气单元之间不发生碰撞。
优选地，所述导气单元与供气单元对应侧的非浅腔面，采用研磨等精加工方式获得高平面度工作面。
优选地，所述大面积浅腔可设置在供气块上，也可设置在导气块上。
优选地，所述闭式气浮单元与导气块的Z向对应面分别均匀布置多个节流孔，多个节流孔通过封气环所在的环形通道进行气路联通，由闭式气浮单元的侧向进气孔统一供气，闭式气膜密封供气通道上形成的多余气孔通过封气塞胶粘密封。
优选地，所述的平面止推气浮轴承7采用环形平面止推小孔节流气浮轴承、多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式。
优选地，气浮式物理仿真平台中的气浮球组件和平面止推气浮轴承，可通过在支撑立柱和侧向通气管路中分别增设减压阀以不同的供气压力单独供气，也可以对气浮球组件和平面止推气浮轴承以相同的供气压力同时供气；所述的供气单元和闭式气浮单元可以以相同的供气压力同时供气，也可以以不同的供气压力对供气单元和闭式气浮单元分别供气。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、突破了压缩空气瓶的容量带来的实验时间限制。该专利通过利用固定供气单元中的闭式气浮单元和可移动导气单元之间的超薄间隙，对物理仿真平台中气浮球轴承与平面止推气浮轴承的供气进行密封，进而可以通过外部又空气压缩机以及过滤系统提供的压缩空气直接对物理仿真平台进行供气，使得物理仿真平台的实验测试时长不受传统物理仿真平台中气瓶容量限制。与此同时，相比原有的气浮物理仿真平台，本发明专利中消除了平台上气瓶的放置，减轻了平台的运动质量及台体的转动惯量，并消除了由于气瓶供气造成运动平台质量的变化，大大增强了物理仿真平台的姿轨控制精度，降低了姿轨控制难度。
2、实现了对物理仿真平台的非接触供气。通过在物理仿真平台中供气单元与导气单元之间设置闭式气浮单元，使得物理仿真平台中的导气单元与固定于基础平台上的供气单元，始终保持数微米至十数微米的非接触状态，同时通过闭式气浮单元与导气单元之间对应的精加工表面实现对供应气体的气膜密封，相比于气管连接供气方式的平台结构，消除了供气气管对平台运动的影响，而外部供气气管的连接，带来的气管的牵引作用和较大的干扰力矩，无法获得准确的太空环境下的微小力矩模拟，而通过非接触供气，则完全消除该问题。
3、本发明中的气浮物理仿真平台采用供气单元和导气单元之间的非接触气膜密封的供气环节，相当于在平动平台的中间附加平面止推气浮轴承，气浮物理仿真平台的重量小于平面止推气浮轴承的承载，造成气浮物理仿真平台的整体上移，导致耗气量的增加。而本发明中导气单元中的闭式气浮单元，则消除了由于附加平面止推气浮轴承造成的气浮物理仿真平台的上移，而且密封可靠、垂向刚度显著增加。
附图说明
图1本发明实施例的整体结构示意图。
图2本发明实施例中非接触供气部分的剖视图。
图中件号：1—旋转平台；2—支撑筒；3—仪表平台；4—支撑立柱；5—侧向通气管路；6—平动平台；7—平面止推气浮轴承；8—供气单元；8a—供气块；8b—供气孔；8c—大面积浅腔；9—导气单元；9a—导气块；9b—导气孔；10—基础平台；11—气浮球碗；12—气浮球轴承；13—闭式气浮单元；13a—封气环；13b—闭式气膜密封供气通道；13c—封气塞。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，包括旋转平台1、仪表平台3、平动平台6、支撑立柱4、气浮球轴承12、气浮球碗11、平面止推气浮轴承7，仪表平台3通过支撑筒2安装于旋转平台1下底面，气浮球轴承12安装于旋转平台1下底面，所述支撑立柱4固定安装在平动平台6的上方，上端安装有气浮球碗11，气浮球轴承12和气浮球碗11构成气浮球轴承组件，用于实现旋转平台1和仪表平台3的Rx、Ry和Rz向旋转；支撑立柱4中心设置有通气孔以及侧向通气管路5，所述平动平台6通过均匀分布的平面止推气浮轴承7实现气浮式物理仿真平台的X和Y向平面非接触运动，平动平台6的平面止推气浮轴承安装侧的中心位置设置有由导气块9a和导气孔9b组成的导气单元9，导气孔9b与支撑立柱4中心的通气孔连通，借助支撑立柱4中心的通气孔沿支撑立柱4+z方向对气浮球轴承组件供气，侧向通气管路5与平面止推气浮轴承7连接，用于为平面止推气浮轴承7供气；所述基础平台10下方与导气单元9的-z方向对应设置处固定安装有一供气单元8，供气单元8由供气块8a、供气孔8b和大面积浅腔8c组成，供气孔8b设置在导气块8a的中心处，且供气孔8b周围开设有大面积浅腔8c，在气浮式物理仿真平台在运动时，导气孔9b始终位于大面积浅腔8c内，导气块8a上设置有由封气环13a、闭式气膜密封供气通道13b和封气塞13c组成的闭式气浮单元13，闭式气浮单元13将导气块9a闭式包围，闭式气浮单元13与导气块9a对应面精加工处理，并保持微米量级的距离，在对气浮物理仿真平台供气过程中，通过闭式气浮单元13与导气块9a之间的精加工表面对供气孔8b的供气进行非接触气膜密封。
所述供气单元8与导气单元9之间设置足够的xy平面运动空间，在气浮物理仿真平台在平动工作状态下，供气单元8与导气单元9之间不发生碰撞。所述导气单元9与供气单元8对应侧的非浅腔面，采用研磨等精加工方式获得高平面度工作面，所述大面积浅腔可设置在供气块8a上，也可设置在导气块9a上。
所述闭式气浮单元13与导气块9a的Z向对应面分别均匀布置多个节流孔，多个节流孔通过封气环13a所在的环形通道进行气路联通，由闭式气浮单元13的侧向进气孔统一供气，闭式气膜密封供气通道13b上形成的多余气孔通过封气塞13c胶粘密封。所述的平面止推气浮轴承7采用环形平面止推小孔节流气浮轴承，多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式。
气浮式物理仿真平台中的气浮球组件和平面止推气浮轴承7，可通过在支撑立柱4和侧向通气管路5中分别增设减压阀以不同的供气压力单独供气，也可以对气浮球组件和平面止推气浮轴承7以相同的供气压力同时供气；所述的供气单元8和闭式气浮单元13可以以相同的供气压力同时供气，也可以以不同的供气压力对供气单元8和闭式气浮单元13分别供气。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，包括旋转平台(1)、仪表平台(3)、平动平台(6)、支撑立柱(4)、气浮球轴承(12)、气浮球碗(11)、平面止推气浮轴承(7)，其特征在于：仪表平台(3)通过支撑筒(2)安装于旋转平台(1)下底面，气浮球轴承(12)安装于旋转平台(1)下底面，所述支撑立柱(4)固定安装在平动平台(6)的上方，上端安装有气浮球碗(11)，气浮球轴承(12)和气浮球碗(11)构成气浮球轴承组件，用于实现旋转平台(1)和仪表平台(3)的RX、RY和RZ向旋转；支撑立柱(4)中心设置有通气孔以及侧向通气管路(5)，所述平动平台(6)通过均匀分布的平面止推气浮轴承(7)实现气浮物理仿真平台的X和Y向平面非接触运动，平动平台(6)的平面止推气浮轴承安装侧的中心位置设置有由导气块(9a)和导气孔(9b)组成的导气单元(9)，导气孔(9b)与支撑立柱(4)中心的通气孔连通，借助支撑立柱(4)中心的通气孔沿支撑立柱(4)+Z方向对气浮球轴承组件供气，侧向通气管路(5)与平面止推气浮轴承(7)连接，用于为平面止推气浮轴承(7)供气；还包括基础平台(10)，所述基础平台(10)下方与导气单元(9)的-Z方向对应设置处固定安装有一供气单元(8)，供气单元(8)由供气块(8a)、供气孔(8b)和大面积浅腔(8c)组成，供气孔(8b)设置在导气块(8a)的中心处，且供气孔(8b)周围开设有大面积浅腔(8c)，在气浮物理仿真平台在运动时，导气孔(9b)始终位于大面积浅腔(8c)内，导气块(8a)上设置有由封气环(13a)、闭式气膜密封供气通道(13b)和封气塞(13c)组成的闭式气浮单元(13)，闭式气浮单元(13)将导气块(9a)闭式包围，闭式气浮单元(13)与导气块(9a)对应面精加工处理，并保持微米量级的距离，在对气浮物理仿真平台供气过程中，通过闭式气浮单元(13)与导气块(9a)之间的精加工表面对供气孔(8b)的供气进行非接触气膜密封。
2.根据权利要求1所述的闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，其特征在于：所述供气单元(8)与导气单元(9)之间设置足够的XY平面运动空间，在气浮物理仿真平台在平动工作状态下，供气单元(8)与导气单元(9)之间不发生碰撞。
3.根据权利要求1所述的闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，其特征在于：所述导气单元(9)与供气单元(8)对应侧的非浅腔面，采用精加工方式获得高平面度工作面。
4.根据权利要求1所述的闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，其特征在于：所述大面积浅腔(8c)可设置在供气块(8a)上，也可设置在导气块(9a)上。
5.根据权利要求1所述的闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，其特征在于：所述闭式气浮单元(13)与导气块(9a)的Z向对应面分别均匀布置多个节流孔，多个节流孔通过封气环(13a)所在的环形通道进行气路联通，由闭式气浮单元(13)的侧向进气孔统一供气，闭式气膜密封供气通道(13b)上形成的多余气孔通过封气塞(13c)胶粘密封。
6.根据权利要求1所述的闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，其特征在于：所述的平面止推气浮轴承(7)采用环形平面止推小孔节流气浮轴承、多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式。
7.根据权利要求1所述的闭式气膜密封的气浮物理仿真平台的非接触供气装置，其特征在于：气浮物理仿真平台中的气浮球轴承组件和平面止推气浮轴承(7)，可通过在支撑立柱(4)和侧向通气管路(5)中分别增设减压阀以不同的供气压力单独供气，也可以对气浮球轴承组件和平面止推气浮轴承(7)以相同的供气压力同时供气；所述的供气单元(8)和闭式气浮单元(13)可以以相同的供气压力同时供气，也可以以不同的供气压力对供气单元(8)和闭式气浮单元(13)分别供气。
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