具体实施方式

参照图1至图8所示，本实施例的一种基于静压气浮式重载工件快速输运装置，包括负载工件5、设置于负载工件5下端的轨道7、配合负载工件5的动力系统、悬浮系统和检测系统；所述动力系统包括设置于负载工件5侧面的固定台1和设置于固定台1上的燃气作动筒2，所述燃气作动筒2的输出端连接于负载工件5，用于提供负载工件5在轨道7上水平移动的侧推动力；所述悬浮系统包括设置于负载工件5下端面的气垫组件、配合气垫组件的气瓶4和设置于负载工件5上端面的水平仪6；配合动力系统、悬浮系统和检测系统设有主控器和电源装置15。

在本发明中，动力系统由固定台1和燃气作动筒2组成，为系统提供侧面推力，固定台1是将燃气作动筒2固定于地面上，利用反作用力将悬浮的负载工件5在轨道7上进行推动。

所述气垫组件包括排列设置的若干气垫模块3，所述气瓶4的输出口依次设有减压阀19、主管路29、总阀20和控制箱30，任一所述气垫模块3输入口与总阀20控制箱30输入口间空间连接有支气管路31。

在本发明中，气垫模块3置于悬浮平台的下面，两侧各放5个，打开减压阀19，将气瓶4内高压气体压力P0降至P1（减压阀19内压力）左右，待稳定后测试系统开始采集数据。打开总阀20控制箱30，此时气流通过主管道流进总阀20控制箱30，总阀20控制箱30会进行气流分配成四路支气管，此时会出现一个压力降，调节减压阀19将主管道内压力稳定在P1附近。待悬浮压力稳定后观测水平仪6是否仍保持水平位置，当水平仪6位置倾斜时通过调节总阀20控制箱30上的四个支路减压阀19调节每个支路流量进而调节其压力，从而使水平仪6重新回到水平位置上来。

一种基于静压气浮式重载工件快速输运装置的检测方法，包括如下步骤：首先将水平仪6调至水平位置，打开气瓶4的气源阀门，气源阀门经过稳压阀压力稳定在工作压力区间，打开气室阀门，气流流进气垫组件内，在气室压力作用下，工件被慢慢抬起，通过改变各气室的压力将水平仪6再次调至水平位置，完成设备调试工作。然后关闭气室阀门，等待输运指令。输运指令下达后，打开气室阀门，待系统稳定后（约1.2s）启动燃气作动筒2火装置，燃气作动筒2在高压燃气压力作用下推动悬浮系统向前移动，当作动筒达到最大行程后与工件分离，工件自由滑行至指定位置。

任一所述气垫模块3包括从下至上依次设置的铝合金板承载本体14、橡胶气囊25和铝板24。

气垫模块3由铝合金板承载本体14和气垫单元组成。气垫单元由柔性橡胶气囊25和中间铝板24构成。橡胶气囊25为气悬浮系统的关键部件，是由氨基甲酸乙酯和编制网制成的环饼状气囊。

当气垫模块3尚未工作时，橡胶气囊25依托铝合金板承载本体14。当气源打开后，压缩空气一部分进入特种橡胶气囊25使其膨胀，另一部分进入到气室内部再经过橡胶气囊25与地面的间隙流出，如图4中a所示。当压力逐渐升高时，橡胶气囊25进一步膨胀使得气膜厚度减小，气室内压力升高使得悬浮高度增大致使气膜厚度增大，二者之间存在复杂的耦合关系，如图4中b所示。当气室内压力超过承载重物质量时，平台达到平衡悬浮状态，此时入口流量与出口流量基本相等，如图4中c所示。

所述检测系统包括设置于燃气作动筒2输出端的推力传感器22、设置于负载工件5上端面的十轴数字姿态传感器23、配合动力系统的位移传感器和配合悬浮系统的压力传感器18。

在本发明中，测试系统的检测工作主要包含十轴数字姿态传感器23加速度校对及磁场校对，位移传感器（激光及拉线式）、推力传感器22、压力传感器18的校对等。具体包含如下：1、十轴数字姿态传感器23，加速度计校准、磁场校准等；2、压力传感器18、推力传感器22、激光位移传感器26和拉线位移传感器27清零。

在本发明中，推力传感器22型号为DYLF-102，量程范围为 -4980N至4980N。由传感器和放大器组成，如图4所示。放大器型号为DY510变送器，用来采集推力传感器22信号，进行放大稳压，转换为0-10V的电压信号。该传感器采用轮辐式弹性拉式结构，具有低外形、抗偏载、强度高、安装方便、输出拉压力对称性好等特点。采用了万向压头，可以自动找平，有效消除径向带来的误差影响。

在本发明中，十轴数字姿态传感器23的型号为3.1.5 WT901C十轴数字姿态传感器23，该模块集成了高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能有效降低测量噪声，提高测量精度，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。姿态测量精度静态0.05度，动态0.1度。

在本发明中，采用4路压力传感器18对4个气垫模块3内气室压力进行测试，拉线传感器测试工件的实时位移数据，激光传感器测试工件的悬浮高度，推力传感器22测试气缸对工件的作用力，十轴数据姿态传感器测试工件的实时姿态与加速度。压力传感器18型号为MIK-P300扩散硅压力变送器，采用了航空插头式，SS304不锈钢壳体，量程为0-0.6MPa，24V直流输入，0-10V直流输出。

所述位移传感器包括设置于负载工件5侧面的激光位移传感器26和设置于滑轨端部的拉线位移传感器27。

在本发明中，激光位移传感器26型号为HG-C1030，是利用激光漫反射技术进行非接触测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表。能够非接触精确测量被测物体的位置、位移等变化。该传感器采用CMOS影像技术，投光元件发射激光，激光遇到目标后产生漫反射，通过接受漫反射激光计算位置信息。与其它位移传感器相比，激光位移传感器26具有不接触、高精度和体积小的优点，广泛应用于工业自动化生产中。

在本发明中，拉绳位移传感器27型号为WXY60-L-2020-A1，将工件位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号。当被测物体移动时，拉动与其相连接的钢绳，钢绳带动传感器传动机构和传感元件同步运动；而当位移反向运动时，传感器内部的回旋装置自动将绳索收回，从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。与激光位移传感器26相比，拉线式传感器由于与被测工件通过拉线连接在一起，一定程度上对被测工件施加了一个作用力，对其运动特性会产生一定的影响。同时，拉线式位移传感器由于采用物理接触，当被测工件的加速度过大时，对拉线本身会造成一定的损伤，故要求被测工件的运动速度、加速度和往复频率不能太快。

配合所述检测系统设有数字信号采集器28，所述数字信号采集器28的输出端连接有PC机21，所述PC机21的输出端连接于主控器的输入端。

在本发明中，本实验中用到的传感器数量较多，需要采集的参数有四路压力传感器18、拉线位移传感器27、激光位移传感器26、推力传感器22、十轴数字姿态传感器23。DHDAS动态信号采集分析系统可同时采集16路信号，满足实验要求。

该系统应用范围广，可以完成应力应变、振动、压力、力等各种物理量的测试和分析。DHDAS动态信号采集分析系统的主要特点有：（1）系统抗干扰能力强，可实现多通道并行采样，最高采样频率256kHz/通道；（2）采用了先进的DDS数字频率合成技术，采样脉冲高精度、高稳定度，确保多通道采样速率的同步性、准确性和稳定性；（3）对信号采集可实现实时采集、实时储存、实时显示、实时分析等功能；（4）接口灵活，采用USB3.0接口使得电脑与仪器通讯方便，界面友好偏于操作使用。通过对采集器进行参数设置（量程、传感器灵敏度、采样速率等）、清零、采样、停止等操作，可以方便实现信号的采集工作。

该系统主要技术指标：系统不确定度≤0.5%（FS），系统线性度为0.05%，失真度≤0.5%。

所述燃气作动筒2包括设有内腔体的作动筒体10、设置于内腔体内的助燃装置和配合内腔体的推动活塞12。

在本发明中，助燃装置为启动装置17体，将启动装置17放置在作动筒内直接通过启动装置17进行燃烧，从而产生高压燃气，推动活塞12在燃气作用下推动负载做功。结构简单紧凑，内弹道计算方便，可多用于推力不大的场合。

所述燃气作动筒2包括作动筒壳体、空间连通于作动筒壳体一侧部的高压仓壳体9和配合作动筒壳体另一侧部的推动机构，所述高压仓壳体9内依次设有端盖8、高能燃料16和启动装置17，所述启动装置17设置于高压仓壳体9内连通作动筒壳体的出口端。

所述推动机构包括贯穿作动筒壳体的活塞杆13和设置于推杆位于作动筒壳体内侧部的活塞12，所述活塞杆13位于作动壳体外侧端连接于负载工件5，所述活塞12的外壁设有配合作动筒壳体的密封橡胶圈11。

在本发明中，采用的是高压仓喷管作动筒式的结构，高压仓壳体9内的高能燃料16和启动装置17形成高压室，作动筒壳体和推动机构形成作动筒。高压室本质上是一个以启动装置17燃气为动力源的半密闭燃烧室，燃气压强的变化规律直接影响到流入作动筒的燃气量，从而影响作动筒内的燃气压强变化规律，最终影响其负载的运动规律。当作动筒压强与高压室压强之比小于临界压强比时，其喷管流动特性不受作动筒内压强影响，燃气流在喉部保持声速流动；当作动筒压强与高压室压强之比增大达到临界压强比时，喷管喉部的燃气流会出现亚音速流动现象。在亚临界状态下，由于作动筒压强相对较高，使得高压室燃气流量不仅受高压室压强大小的影响，还受低压室压强大小的影响。因此在此状态下，高压室压强会受到作动筒压强大小的影响。

由于指标要求悬浮平台的输运时间很短，故要求动力系统要有强大的推力，且尽量简单免维护，选择燃气作动筒2作为动力源。燃气作动筒2是用启动装置17作为动力源的驱动装置，具有很高的能量重量比，主要用于完成各种机构的展开和载荷释放。具有输入能量小、响应速度快、可靠性高等优点，大量应用在导弹、卫星和火箭的弹翼展开及其发射过程中。燃气式动力源可以分为纯燃气式和混合燃气式。混合燃气式一般是指燃气-蒸汽式，是在燃气动力源的基础上增加冷却剂组成的。冷却剂可以用水或者其它液体，也可以使固体。一般使用水作冷却剂。一般广泛用于外动力发射战略导弹的动力源。考虑到结构的简单型，本方案采用的是燃气式的动力源。

该动力系统的工作原理是：点启动装置17点火引燃高能燃料16，高能燃料16在高压仓内按照燃烧规律进行平行层端面燃烧，产生高压燃气通过喷管流入作动筒内，作动筒的压力升高，活塞12在高温高压的燃气作用下推动负载向右滑动。对于高压仓来说，一方面主药柱的燃烧产生的高压燃气使得高压仓的压强不断升高，同时喷管又将高压燃气排除高压仓，当二者达到平衡时，高压仓内压强相对稳定，此时药柱燃烧也相对稳定。对于作动筒内压强来说，一方面由于喷管流进的高压燃气使得其内压强升高；另一方面由于活塞12向右运动使得作动筒内自由容积增大间接导致压强降低。当二者在某时刻达到平衡时，作动筒内压强不再升高，而是逐渐降低。当活塞12运动到行程极限位置时，推杆会与负载分离，负载做自由滑行运动，作动筒内的压强在泄压口的作用下与大气压相等，高压仓内压强会在药柱燃烧完毕后逐渐减低至大气压。

在本发明中：悬浮工件为大质量高强度水泥制品，密度为3720kg/m3。

1、悬浮质量：20吨；

2、输运距离：≥10米；

3、作动筒活塞杆13有效长度：1米；

4、工作时间：≤10s；

5、工件外形尺寸长宽高为：3米×3米×0.6米；

6、当输运动作完成后，经过简单处理，可以重复使用；

7、准备时间短，尽量做到免维护。

在本发明中：1）将工件装进箱体，将水平仪6安装在箱体上，并将水平仪6调至水平位置。2）检查气瓶4压力是否满足工作压力要求，一般要达到10MPa以上，连接减压阀19及各气路，检查气路管道是否漏气，待检查都正常后，关闭总阀20。3）检查动力系统是否正常，动力系统是由依靠活塞12在气缸中的运动产生动力。4）安装并调试测试系统，标定各传感器，待调试系统正常后气悬浮系统开始工作。5）打开减压阀19，将气瓶4内高压气体压力P0降至P1（减压阀19内压力）左右，待稳定后测试系统开始采集数据。6）打开总阀20，此时气流通过主管道流进控制箱30，控制箱30会进行气流分配成四路支气管，此时会出现一个压力降，调节减压阀19将主管道内压力稳定在P1附近。7）待悬浮压力稳定后观测水平仪6是否仍保持水平位置，当水平仪6位置倾斜时通过调节控制箱30上的四个支路阀门调节器调节每个支路流量进而调节其压力，从而使水平仪6重新回到水平位置上来。8）打开动力系统，活塞杆13上安装的推力传感器22记录活塞12对悬浮系统的实时作用力。悬浮平台在推力作用下开始向前运动，待活塞12行程结束后二者分离，此后悬浮平台做自由滑行运动，拉线位移传感器27记录其实时位置信息，十轴数字姿态传感器23记录其实时运动参数信息。9）悬浮平台在气浮摩擦阻力的作用下做近似均减速运动，直至最终速度为零静止下来。10）将悬浮平台拉回初始位置进行重复性实验。11）实验完成后关闭气源总阀20门，将气垫模块3拿出，完成重载工件的输运。注意，推力的作用线尽量保证在质心附近，不然悬浮系统会产生侧向滑行。

考虑到尽量减小摩擦系数，要求轨道7尽量光滑，选择玻璃钢。

高压室从本质上讲就是半密闭的启动装置17燃烧室，有两个特点：一是高压室容积不变；二是有气体流出现象。作动筒内压强较低(一般远低于高压室)又称为低压室。随着负载的运动，低压室容积不断扩大。为简化计算，忽略温度的变化，得到高压室及作动筒内弹道数学模型如下：

上式中：为某瞬时高压室燃气压强；为燃气气体常数；为燃气温度；为高压仓内自由容积；为高压仓初始自由容积；为高压室装药质量；为时间内装药已燃气部分的质量，即燃气生成量；为时间内高压室燃气的总流出量；为燃气生成速率；为喷管流出燃气的速率；为装药燃去质量百分比；为装药密度；为装药端面面积；为装药燃速；为与绝热指数相关的常量；为喷管喉部面积；为喷管喷口的出口面积；为装药燃去的肉厚；为装药燃速系数；为装药燃速指数；为某瞬时作动筒内燃气压强；为作动筒的初始自由容积；为作动筒内径；为作动筒的行程极限；为次要功系数；为负载质量；v为负载的运动速度。

作动筒特性仿真如下：

利用计算机Matlab中Sinmulink模块搭建内弹道仿真程序。作动筒直径选用0.2米，高压仓直径为0.2米，喷管喉部直径为0.018米，喷管出口直径为0.04米，活塞12行程为1米，主药柱采用双基药柱双钴-2，药量为0.91kg，端面燃烧，燃速符合指数燃速规律，其中a=0.003，压力系数p=0.2，次要功系数 =1，负载选用480 kg，640 kg，800kg，960kg，1120 kg，1280 kg，1440 kg，1600 kg。活塞杆13推动负载做无摩擦平行移动，仿真结果如图9所示。

data1～data8表示的曲线依次为480kg，640kg，800kg，960kg，1120kg，1280kg，1440kg，1600kg的负载。从图a可以看出，尽管负载质量由480kg增加到1600kg，高压仓内的工作压强曲线几乎不发生变化。唯一区别在于燃烧结束后的拖尾段有所不同，这是由于负载与作动筒分离的时间有所差异造成的。从图b可以看出，随着负载质量的增加，作动筒内的压强也逐渐增加，压强峰值由7.05MPa增大到11.2MPa，但总体走势具有一致性。另外作动筒的工作时间也逐渐延长，从0.22s延长到0.33s左右。这是因为随着负载质量的增大，活塞12推动负载完成整个行程的时间也随之增加的结果。图c与图b具有类似性，随着负载质量的增大，活塞12的推力增大（推力峰值由2.22×105N增加到3.52×105N）且作用时间也随之增大。图d为负载加速度随时间变化曲线，从中可以看出，随着负载质量的增大，负载加速度逐渐减小，其加速度峰值由461m/s²降低到220 m/s²。图e为负载速度随时间变化曲线，可以看出随着负载质量的增大，负载离开推杆的瞬时速度逐渐减小，由28.4m/s降低到19.5m/s。图f为负载位移随时间变化曲线，可以看出，随着负载质量的增大，其位移曲线呈越来越平缓趋势，说明在某一时刻下其位移随质量增大而逐渐减少。

静压气悬浮平台运动学仿真如下：

利用计算机Matlab中Sinmulink模块编程。轨道7长10米，作动筒直径为0.2米，活塞12行程为1米，主药柱采用双基药柱，药量为1.52kg，端面等面燃烧，燃速符合指数燃烧规律，其中a=0.003，压力系数p=0.2。高压仓直径0.2米，长度0.1米。仿真结果如图10所示。

图a为高压仓与低压仓的压力变化曲线，可以看出药柱燃烧时间为0.29s。高压仓压强逐渐升高至60MPa，在0.29s后开始降低；低压仓压力在0.14s达到峰值为29.5MPa，此后逐渐降低，在0.27s后作动筒活塞12行程达到1m，此时在泄压孔的作用下压力急剧降低。

图b和图c分别是推力曲线和加速度曲线，二者曲线走势类似，在时间为0.14s时，推力和加速度同时达到最大值925kN和46m/s2，此后二者开始减小。0.27s后作动筒活塞12与悬浮平台分离，不产生推力和加速度。

图d中，速度在0.27s时增大至8.95m/s，保持不变直至运动完成；位移在1.28s达到10m。再根据启动时间为1.2s可得：全系统运动时间，满足总体设计指标要求。

以静压悬浮机理数值仿真与实验原理性验证为基础，以具体的设计指标为准则，实例设计了静压式悬浮输运平台的总体方案。

该系统采用燃气式高压仓式作动筒方案，悬浮系统采用10块标准气垫，在此基础上增加了稳定平台、气源等装置。为降低悬浮摩擦系数，选用玻璃钢材质轨道7。设计了20吨负载质量的静压悬浮系统。

设计了高压仓燃气发生器及装药结构，建立了高压仓燃气内弹道数学模型，以负载质量为自变量，采用Matlab中Simulink模块对燃气式高压仓作动筒的内弹道特性及推力特性进行了数值仿真计算，得到了高压仓燃气作动筒2内弹道的一般规律和推力特性曲线。

对悬浮系统加载动力系统后，通过Simulink数值仿真，结果显示满足总体设计要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。