带有均压槽的环形气浮垫设计

第 31卷 第 5期2013年 10月轻工机械Light Industry MachineryV01．31 No．5Oct．20l3[新设备 ·新材料 ·新方法]带有均压槽的环形DOI：i0．3969／j．issn．1005·2895．2013．05．020气浮 垫设计孙建辉 ，钟武强 ，袁巧玲 ，单晓杭 ，周海清摘 要：针对空间飞行器太阳翼展开地面试验 中使用的二维平面滑轨式零重力吊架卸载设备，存在轴承沿导轨运动的摩擦力引起附加的展开力矩问题，设计了带有周向均压槽的高承载力、高刚度环形气浮垫，来代替上述吊挂滑轮车，在水平方向上实现了极低摩擦力，并基于气体的运动方程、质量连续性方程和状态方程，对环形气浮垫进行建模计算其承载力，并用 Fluent仿真计算，仿真结果与理论计算基本一致。当吊挂试件的重力在环形气浮垫承载力范围内时，就能在水平方向上实现极低摩擦力展开，从而消除由摩擦力引起的附加展开力矩的影响，最终验证了带有均压槽的环形气浮垫替换方案的可行性。

关 键 词：极低摩擦力；环形气浮垫；均压槽 ；Fluent软件中图分类号：TH138．9；V442 文献标志码：A 文章编号：1005—2895(2013)05-0080—05Design of Annular Floatation Cushion with Pressure-Equalizing GrooveSUN Jianhui ，ZHONG Wuqiang ，YUAN Qiaoling ，SHAN Xiaohang ，ZHOU Haiqing。

(1．Key Laboratory ofE&M (Zhejiang University ofTechnology)，Ministry ofEducation＆Zhejiang Province，Hangzhou 310014，China；2．Hangzhou Yuce limited company，Hangzhou 310014，China)Abstract：Aiming at the two dimensional plane slide rail type zero gravity hanging bracket unloading equipment used inthe ground experiment of space vehicles deployable solar wing，it exists the friction of bearings moving along guide railwhich causes the additional deployable moment of force．The high bearing capacity and high stiffness annular floatationcushion with circumferential pressure—equalizing groove was designed．The aforesaid hanging pulley was replaced．Theextremely low friction in horizontal direction was realized．The bearing characteristic of annular floatation cushion wasmodeled and calculated based on equation of motion，quality equation of continuity and equation of state of gas．Thesimulation computation was calculated by using Fluent software．And the simulation results are mostly identical to thetheory．When the gravity of suspended test specimen is within the annular floatation cushion bearing capacity，it canrealize extremely low friction in horizontal direction to eliminate effects of additional deployable moment of force whichcaused by friction and it finally verifes the feasibility of alternative design of annular floatation cushion with pressure—equalizing groove.

Key words：extremely low friction；annular floatation cushion；pressure—equalizing groove；Fluent software太阳翼是航天器能源系统的重要组成部分?，航天器在轨运行期问所需的能源大都由太阳翼电池帆板提供。为了模拟太空中航天器的失重状态，在地面进行太阳翼电池帆板展开实验时，需要提供零重力环境模拟设备。文献[2]中提到了悬挂式零重力展开试验装置，该试验装置由支撑结构、纵向导轨、横向导轨、摇臂架、悬挂单元组成。其中，横向导轨带有滚轮的小车(纵向小车)在纵向导轨上滑动，悬挂单元通过带有滚轮的小车(横向小车)可在横向导轨上滑动，悬挂单元的作用力通过各太阳翼帆板的质心。文献[3]中提到收稿日期：2012—09—25；修回日期：2012—10，16基金项目：浙江省 自然基金资助项 目(Y1111137)；浙江工业大学特种装备制造与先进加lT技术教育部重点实验室开放基金(2009EPO1)作者简介：孙建辉(1955)，男，浙江杭州人，教授 ，硕士生导师，主要研究方向为机电一体化。E-mail：sjh195###zjut．edu．en[新设备 ·新材料 ·新方法] 孙建辉 ，等：带有均压槽的环形气浮垫设计了一种吊丝配重法，采用悬吊的方式，通过滑轮组利用配重的重力来补偿吊挂物的重力。以上2种悬挂方式都在垂直方向上提供了一种低重力的环境，但是这 2种方法存在一个共同的问题，即在水平方向上由于机械摩擦力引入了附加的展开力矩。为了消除上述机械摩擦力，文章设计并开发了一种带有均压槽的高承载力的环形气浮垫，来代替上述2种悬挂部件，并对气浮垫的承载能力进行了理论计算和仿真研究。

1 带有均压槽的环形气浮垫的结构设计悬挂式零重力展开试验装置如图1所示。环形气浮垫是空气轴承的一个具体应用，通过气浮力使气浮平板与承载面形成一个气膜，从而实现极低摩擦力。

环形气浮垫悬挂部件三维剖面图，如图2所示。

横导轨4 横 向小车 普通横导轨 纵向小车图1 悬挂式零重力展开试验装置Figure 1 Suspension-type zero gravitydeployable test unit图2 环形气浮垫悬挂部件三维剖面图Figure 2 3 D profile map of annular floatationcushion suspension mechanism太阳翼电池帆板在做地面展开试验时，可以对太阳翼帆板的展开功能进行考察 ，但由于不可避免地要引入一些环境因素，如吊挂装置做跟随运动时产生的摩擦力与自身重力的影响等，因而在传统的地面展开试验中很难给出太阳翼电池帆板在轨道上作展开运动时正确的参数(时间、速度等)。

为了解决这些问题，文中设计了带有均压槽的环形气浮垫，作为太阳翼帆板展开实验的吊挂部件，实现垂直方向零重力，水平方向无摩擦，能够更加逼真的模拟太空环境。均压槽开设在环形气浮垫横载面上的节流孑L周围，气体可以在均压槽内自由地流动，因此，均压槽能使槽中各处的气体压力值近似相等。

均压槽的尺寸，应在能达到压力均匀化的要求下尽量地小，原因是均压槽会增加气膜中包含的气体体积，使轴承倾向于产生气锤自激振动。槽的深度和下底宽度一般可选为H=(5～10)h，b=(2～3)d式中，h为气膜的平均厚度，d为节流孑L直径。

文献[5]已经研究了多供气孑L静压圆盘止推气体轴承的参数设计，文章在参考前人的设计基础之上给出了环形气浮垫的参数，结构如图3所示。 为气浮平板， 为环形气浮垫，环形气浮垫外径 ．为 100mm，内径 ，为 30 mm，采用／J,~L节流，孔径选取 0．4mm，供气孔数为 4个。其中均压槽下底宽度 b=0．3mm，深度 H=0．17 mm，截面为梯形，底角为 60。，周向均压槽分布在直径 为70 mm的圆周上，设计浮起高度大于 10 mln。

。

— — ． 一 1R.

＼ —p
。

、 ． ／／＼ ／ 图3 环形气浮垫结构图Figure 3 Structure chart of annular floatation cushion2 环形气浮垫承载能力的理论计算2．1 承载力模型建立在柱坐标中建立环形气浮垫气膜的几何模型如图4所示，气膜中某点 P的坐标以 r，0和 表示，其中指向半径增加方向为正，0是 r对原始参考线(OX轴)的夹角，逆时针为正， 为 P点与下止推板的垂直距离，轻工机械 LightIndustryMachinery 2013年第5期向上为正。三坐标的单位矢量是：于指向半径增加方向， 沿 r为半径圆的切线，指向0增加方向，乏向上。

、 和乏方向上的速度分别为 ， 和 。

图4 气膜几何模型Figure 4 Geometric model of gas film图中，其它几何参数如图3所示。供气压力为P ，节流孔人口压力为P。，气体密度为P。，气体黏性系数为 叼，温度为 ，节流孑L出口压力为P 。

2．2 承载力计算为了简化计算，根据经典润滑理论，作如下假设 ]1)气膜的厚度 h同半径 r比起来是很小的，且气膜厚度处处相等。

2)在沿气膜厚度的方向上，不计压力的变化。

3)假定流动是层流；气膜中到处都没有旋涡和紊流。

4)没有外力作用于气膜上。

5)忽略流体惯性力影响。

6)轴承上没有相对滑动。

根据以上假设，柱坐标系中的简化运动方程为 9¨]d口 a‘，叼式中： 一 气体常数，一般取 1．4；p。一 节流孑L人口压力；p 一 节流孔出口压力。

气膜内向外流动的质量流量为rh1=2wrl pv，dz R

气体的状态方程采用等温假设下的卫 ： P
— o f6)P Po由公式(1)～(6)6个方程，可以求得气膜压力P。由P可以计算出气膜的承载能力W = 2，
prdr+2 prdr一盯(尺 一R=2)p。(7)气浮垫气膜刚度 K ，是 h—W曲线的斜率，即K
w
= = (8)当气膜厚度大于30 mm以后，气浮垫的承载能力明显偏低，没有实际意思，因此文中研究的气膜厚度为5～30 mm。在供气压力为0．5 MPa时，承载力的计算结果如表 1所示。

表 1 气浮垫承载力理论计算值Table 1 Calculated value of floatation cushionbearing capacity theoretical气膜厚度／mm 承载力／N 气膜厚度／mm 承载力／N5 954．O3 20 408．37l0 807．23 25 286 O615 628．67 3O 129．65(1) 3 环形气浮垫的Fluent仿真分析总的质量流量为= n = 层 c2式中， 为气流总质量流量， 为单个节流孑L气体流量，n为节流孔个数， 为流量系数，一般取 0．8，A为节流面积。

= 当 >0．528；po当 ≤0．528Po环形气浮垫中的气体流场属于 维的复杂流场，高压气体流经节流孔小横截面后压力会陡降，文中已经给出了环形气浮垫的承载力理论计算结果，但是，正确性有待验证。因此，下面对文章设计的环形气浮垫进行 Fluent建模仿真，比较不同气膜厚度及有无均压槽的情况下的气浮垫承载能力。

3．1 网格划分与仿真条件根据图 3所设计的环形气浮垫的参数，首先在Gambit中建立环形气浮垫流场的三维模型，进行网格划分，均压槽的网格要更紧密些，气膜部分的网格密度不用太高。采用分块网格划分方法，分为节流孔 、均压p —P●
一21． ．．J 一一． 一、 J 一● p —p+一 一1， ， ● ●
＼ ．
C 一 一
· 84· 轻工机械 Light Industry Machinery 2013年第5期Z＼ 懈图9 不同气膜间隙下带均压槽的环形气浮垫的承载力曲线Figure 9 Bearing capacity curve of annularfloatation cushion with pressure-equalizinggroove for different thickness of gas film下基于气体的运动方程、质量连续性方程和状态方程建立的模型，不考虑惯性力等影响，当气膜厚度大于20 mm时，气膜内的气体流场变得较复杂，上述模型已经不适用此时的计算，因此这个时候的 Fluent仿真数据更准确些。

从图 10中可以看出环形气浮垫的气膜间隙在 10～ 15 mm之间时的气浮垫刚度达到最大值。

呈Z一 蜊瑟图1O 不同气膜间隙下带均压槽的环形气浮垫的刚度 曲线Figure 1 0 Stiffness curve of annular floatationcushion with pressure—equalizing groovefor different thickness of gas film4 结论为了解决太阳翼帆板在做地面展开试验时，由于吊挂装置引入的摩擦力干扰问题，提出了采用环形气浮垫来代替吊挂部件的设计方案，并设计了带有均压槽的高承载力的环形气浮垫，使太阳翼帆板被吊挂时可以沿水平方向作无摩擦展开运动，消除了由摩擦力引起的附加展开力矩的影响。

均压槽能使槽中的压力均匀化，有效地抑制了远离节流孑L位置的压力衰减；同时可以加强气浮垫的表面节流效应，提高环形气浮垫的刚度和承载能力。

环形气浮垫承载力的理论计算和仿真分析数值基本吻合，证明了理论计算的正确性。结果表明，单个环形气浮垫的气膜厚度在 10 mm以内时拥有 900 N以上的承载力。对于小型太阳翼帆板时，只要单个环形气浮垫，就能达到满意的承载力要求。如果吊挂大型太阳翼帆板，只需采用多个环形气浮垫作分布式吊挂，就可以解决单个环形气浮垫承载力不足的问题。

参考文献：[1] 杨军．大型卫星太阳翼展开动力学研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学 ．2006.

[2] 任守志，刘立平．零重力试验装置对太阳翼展开影响分析[J]．航天器工程 ，2008(11)：73—78.

[3] 高海波，郝峰，邓宗全，等．空间机械臂收拢状态零重力模拟[J].

机器人，201l(1)：9—15.

[4] 张国庆．提高静压气体轴承刚度和承载能力的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[5] 郭良斌．多供气孔静压圆盘止推气体轴承的参数设计[J1．润滑与密封，2007(4)：108—111.

[6] 平克斯 O，斯德因李希特B．流体动力润滑理论[M]．西安交通大学轴承研究小组，译．北京：机械工业出版社，1980.

[7] 张鸣，朱煜，段广洪．基于 FEM[ AB的气浮轴承静态性能求解方法[J]．润滑与密封，2006(2)：63—65.

[8] 查世红，梅涛．6自由度模拟卫星静压 气浮轴承理论计算方法[J]．机器人，2009(11)：561—567[9] 刘暾，刘育华，陈世杰．静压气体润滑[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.

『信■ ·鞠讯]‘ 技术信思 ·西门子推出高效标准型 Sinamics V90伺服驱动系统2013年8月3O日，西门子(中国)有限公司工业业务领域驱动技术集团推出了一款应用于标准运动控制的Sinamics V90伺服驱动系统。该系统包括最新研发并生产的 Sinamics V90驱动器和 Simotics S-1 FL6伺服电机，可以实现位置、速度和扭矩 三种控制模式，适用于各种行业和应用需求。此外 ，该伺服驱动系统可与 Simatic PLC(或带有脉冲接口的Simotion运动控制器)、Simatic人机界面、Sinamics V20变频器相结合，组成一套更全面、经济，也更可靠的通用运动控制系统，该解决方案不仅有利于用户提升机器设备的性能，还能降低开发成本，大幅缩短机器设备的上市时间，真正有效地提高用户的市场竞争力。作为西门子全球发布的～款标准型产品，Sinamics V90驱动器具有高性价比、伺服性能优化、操作简便、运行可靠等特点。

(刘晶石 )