摘要：概述气垫悬浮技术和装置的主要工作原理、结构组成、设计要点及其在起重运输机械方面的应用。该技术相对于传统机械式起重搬运方法，可以有效地提高作业能力，尤其在通道狭窄、曲折，净空较低等场地空间受限的场合，具有明显优势和发展空间，得到越来越多行业的应用。
关键词：气垫悬浮技术；起重运输机械；气囊；气垫搬运装置
应用气垫悬浮技术进行物料搬运在国外已有很悠久的历史，但国内是在上个世纪70年代初才开始引进和开发，经过专业人员的努力，在许多领域得到了成功的应用。
气垫悬浮技术可分为动态型气垫（多用于野外作业）和静态型气垫。静态型气垫又可分为刚性气垫和柔性气垫，本文只涉及柔性气垫。由于这种气垫悬浮技术具有占用场地空间小、可以原地万向转动和平移、与地面的摩擦系数小从而可以降低移动重物的驱动力等优点，适用于一些由于场地空间条件受限，大型起重设备无法发挥作用的场合，具有区别于其他物料搬运技术的优势和发展空间。本文主要就气垫悬浮技术的工作原理、设计要点和应用实例3方面进行简要介绍。
1. 气垫悬浮技术的工作原理
利用压缩空气，通过环形气垫抬升重物使之悬浮。初始状态时，装置和重物的全部重量通过支架由地面支承；当压缩空气充入气囊时，气囊底面逐渐与地面紧密接触并使支架脱离地面；当气囊中的空气充气力足以抵消载荷时，空气便从弹性的环形囊与地面之间缓慢而均匀地向四周溢出，形成一层气膜，重物就可以随着气垫的钢结构装置在气膜上被平稳地悬浮起来。移动的摩擦系数很小，可以达到0.001~0.006[1]。地面材质的硬度和平整度直接影响摩擦系数，硬度高、平整度好，所需推动重物的力就小。例如要运送10 t的重物，如果地面摩擦系数达0.001，则推力只需98 N，1个人即可轻松操作。
利用气垫悬浮技术的气垫搬运装置见图1[1]，出于对气囊材料和均匀载荷等方面的考虑，通常采用多气囊方式，囊内气压一般控制在（60~100） 103 Pa[1]。气垫悬浮的基本工作条件可用公式P M G表述，式中P、M、G分别表示气压、气垫盘承载总面积和总载荷。
图1 带驱动的气垫搬运装置工作示意图
1．手柄 2．操纵机构 3．电气柜 4．防滑轮
5．车体 6．气垫盘 7．进气管 8．驱动轮
气囊的结构和工作原理见图2[1]。气体通过进气孔进入气室，再通过节流孔6和中心气孔9分别进入气囊腔5和气垫区7，当充气满足P M G时，气体从气囊腔沿地面溢出到大气中，从而在气囊和地面之间形成1层流动的气膜，使载荷达到悬浮状态。
图2 气囊的结构和工作原理示意图
1．承载件 2．气室 3．盖子 4．管接头 5．囊腔
6．节流孔 7．气垫区 8．支承面 9．中心气孔
10．中心压环 11．囊孔 12．弹性膜 13．外压环
2. 气垫悬浮技术的设计要点
2.1 气囊分配
根据气垫悬浮的基本工作条件（P M G）和工件外形、重心位置的条件，并尽可能使每个气垫承载基本相同的原则（气垫的偏载适应能力为10%~15%）来确定气囊的个数和几何排列，一般可以采用3点式排列和双列式排列，见图3[1]。
图3 气囊几何排列示意图
（a）3点式排列 （b）双列式排列
2.2 空气流量
空气流量主要受载荷和地面粗糙度的制约，在有关于册中可以查到不同地面的粗糙度系数，一般光滑混凝土地面的粗糙度系数大约为2~7。在选定工作压强和气囊个数的条件下，根据以上条件对照图4[1]可以估算出气囊单位周长的空气流量。
图4 气囊单位周长空气流量与气囊压力
和地面粗糙度系数的关系图
2.3气囊设计
气囊设计是气垫技术中最重要和最复杂的部分，包括气垫区半径r0、气膜缝隙b0、气囊内径r1、气囊外径r2、气囊应力 、气膜出气孔直径d等，见图5[1]。需要考虑众多的边界条件和进行相当复杂的计算，限于篇幅，本文仅简述其要点并列出有关计算公式。
图 5 气囊设计示意图
1．气垫盘承载面 2．气囊 3．地面
4．进气孔 5．出气孔
（1）气垫区半径r0
气垫区半径的确定应保证形成足够大的气垫支撑面积，使载荷达到悬浮状态。根据下面公式可以计算出气垫区的半径r0
式中 r0 气垫区的半径，m
G 载荷，N
p2 气垫区的压强，取值范围一般为（60~100） 103 Pa
（2）气膜厚度h。气膜厚度主要受载荷的大小、支承面状态、气囊的弹性和气囊壁厚度影响。
式中 S 计算系数，取值范围一船为0.11~0.13
E 气囊的弹性模量，Pa
气囊壁的厚度，m
r2 气囊外缘半径，m
G 载荷，N
Rz 支承面的微观不平度十点高度，光滑混凝土地面的取值范围一般为0.15~0.2 mm
（3）气囊内缘半径r1
r1=（0.25~0.3）r2
（4）气囊外缘半径r2
气囊的外缘半径和内缘半径决定了气囊的大体形态。
式中 Q 气体流量，m3/s
气体的动力粘度，Pa s
（5）弹性膜上的气孔直径d
式中 空气密度，kg/m3
n 孔的个数，取3~8
p 囊腔与气垫间的压差，一般取2~5KPa
2.4 气源管路直径
可先设定一个输气软管的直径，然后根据气垫悬浮装置所需压强、气体流量、地面粗糙度、管路长度、阻尼大小和气垫盘个数等数据按照相应公式算出管路压力损失，如果出口压力与需要不符，则需适当调整管径，直至气源管路出口的压力满足要求为止。
2.5 气垫悬浮装置的驱动力F
绝大多数情况下气垫悬浮装置工作在室内，因此，可以根据气垫悬浮装置的总载荷、摩擦系数和水平移动的启动加速度来确定整个气垫悬浮装置的驱动力（一般推力小于294 N时无需机械驱动）。
F = fG + m = fmg + m
式中 f 摩擦系数，取值范围一股为0.001~0.006
G 载荷重力和气垫悬浮装置重力之和G =mg
m 载荷和气垫悬浮装置的总质量，kg
g 重力加速度
气垫悬浮装置水平移动的起动加速度
3. 应用实例
应用在某研究所的气垫搬运车，其主要使用场地是核检测实验室，工作场地示意见图6。
图6 核检测实验室示意图
1．气源室 2．工件 3．气垫车体
4．工件工作位置 5．气源软管
核检测实验室的通道狭窄曲折，工件需要从检测室外经过通道运入室内进行检测，通道门宽度仅为1.9 m，通道宽2.5 m，90转弯后实验室门宽2.0 m，室内高度3 m。狭小的空间无法使用相对庞大的起重运输机械；如果采用轮式搬运工具，靠人工不但难以移动工件顺利通过曲折的通道，地面也难以承受车轮的局部重大负荷，因此决定采用气垫悬浮搬运技术。这样只需要在核检测实验室外建一个气源室，设计制造出符合环境要求的气垫车即可完成所需的工作，图6中气垫车A位置为行进到直角转弯处状态，B位置为工作就位状态。
设计制造出的气垫搬运车见示意图7，气垫车的承载面尺寸为3.2 m 1.27 m 0.24 m（工作状态高度），所搬运的工件质量为8 t，仪器的外形尺寸为3.0 m 1.5 m 1.8 m。气垫车采用6个气囊双排列形式，气囊均匀分布在钢结构车体下，每个气囊安装有独立的进气调节阀门，气垫车还设有1个总的进气阀门，通过输气软管与气源室连接。调整时开启总进气阀，分别调节每个气囊的进气调节阀，使气垫车平稳悬浮；工作时，无需再调整气囊阀门，只要轻轻开启总进气阀门使气垫车浮起，推动手柄就可以顺利移动工件了。
图7 核检测设备专用气垫搬运车示意图
1．气垫盘 2．进气调节阀门 3．工件 4．气源软管
5．气垫车体 6．气源开关 7．气垫车扶手
此外气垫悬浮技术还可以应用于大型喷气式客机的拼装[3、4]、根据不同的比赛项目而移动的运动场观众看台[2、4]、大型的列车车体在总装车间的移动和安装[5]、气垫舞台、吊装用气垫龙门起重机、重物称量缓冲气垫装置等领域。
4. 结束语
气垫悬浮技术装置与其他搬运设备相比具有以下突出优点：
（1）省力 运动摩擦力极小，10 N的力可以移动成吨的重量。
（2）灵活 无需铺设轨道，可全方位移动，不受轮轴方向限制，即使在低矮空间里搬运重物，也可在狭窄通道和拐角处行走自如。
（3）安全可靠 工作装置整体高度很低，对载荷的举升高度低，起升、降落、运输平稳，操作简单，容易控制，安全性好。
（4）经济 结构简单，载重能力与自重比很高，且只需要压缩空气，无需其他动力，维护保养少；较之同样吨位的其他搬运设备，成本非常低。
（5）对地面压力小 搬运承载货物的着力面积大，受力均匀分散，地面无需采取昂贵的结构加固措施，而且气垫工作时与地面不接触，不会损伤地面。
（6）清洁环保 由于在绝大多数情况下使用无需动力驱动，只需压缩空气，不存在废气排放、噪声等环境污染问题。
我国应用气垫悬浮技术装置不是十分广泛，与习惯性的生产模式和各行业对该技术的认识有关，其实气垫搬运对场地的要求并不高[5]，为保证形成气膜，对地面的要求是坚实、平整、无明显裂缝，对有细小轻微裂缝的地面只要经过简单处理即可使用。