CN102338187A - 星载变阻尼减振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的星载变阻尼减振装置，包括活塞组件、活塞筒、弹性支撑装置、阻尼发生装置和传感装置；传感装置包括光纤光栅传感器(2)、光子晶体光纤(3)和光纤光栅解调器(4)。本发明采用调节光纤光栅作为振动感应器，与现有技术相比，重量轻、结构简单、灵敏度高，可以实现振动频率的实时反馈。同时，本发明采用光子晶体光纤作为传感信号的传输介质，可以减小光纤布线所产生的弯曲损耗，尤其是振动运动环境下的拉伸损耗，提高控制精度。

Description

星载变阻尼减振装置
技术领域
本发明属于航天技术领域，特别涉及一种用于航天光学遥感器的宽频带变阻尼减振装置。
背景技术
航天光学遥感器在发射阶段所处的力学环境恶劣，需要承受宽频带、大幅值的随机振动。从振动的频谱分布上看，既包含几赫兹到几百赫兹的低频结构振动，也包含几百到几千赫兹的高频声激振动。遥感器在在轨工作阶段，星上的飞轮、制冷器和其他运动部件的扰动可能对光学遥感器的成像质量造成影响。普通的被动隔振措施很难同时满足发射阶段和在轨工作阶段的隔振要求。
阻尼减振装置是振源和振动体的柔性环节，外部力激振或运动激振在通过减振装置传递后衰减，实现减振效果。目前常用的阻尼减振装置有采用电流变液等粘滞流体阻尼为液体的阻尼减振器。
粘滞流体阻尼减振器是工程中常用的一种减振装置，它在阻尼缸内封装高密度液体，在活塞上设置小孔或者空隙，当振动发生时，液体流经小孔或空隙产生阻尼达到隔振效果。专利申请号CN200710193513“液压限位式变阻尼减震器”公开了一种变阻尼减振器，但粘滞流体阻尼不可调，阻尼变化范围较窄，较难满足宽频带范围下的减振要求，同时在振动过大装置失效时，无法提供保护支撑。
当采用电流变液作为介质时，由于电流变液是悬浮液体，当电流变液受到电场作用时，表观粘度急剧增大，屈服强度成倍增加，表现为类似固体的性质；而当撤除外加电场时，流体又恢复原来的流动性质，而且这种转换是无级可逆可控的，具备较好的可控性能和力学性能。专利申请号CN96236145“电流变液与压电陶瓷复合的自适应阻尼器”公开了一种利用压电陶瓷进行反馈的电流变液自适应阻尼器。但该装置中压电陶瓷输出电压为瞬态电压，对定量控制阻尼系数带来困难。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种体积小、结构简单、控制精度高、振动频率实时反馈的星载变阻尼减振装置。
本发明的技术解决方案为：星载变阻尼减振装置，包括活塞组件、活塞筒、弹性支撑装置、阻尼发生装置和传感装置；活塞组件包括导杆、支撑板、承力板、阻尼活塞和限位板；支撑板、承力板、阻尼活塞、限位板由上至下同轴排列、通过导杆固接；所述阻尼活塞由上下两块阻尼活塞板组成，上下两块阻尼活塞板上都均匀开有4-8个阻尼孔，阻尼孔的圆心位于同一圆周上；活塞筒组件包括支撑缸、密封连接板、阻尼缸、副缸和限位块；支撑缸、密封连接板、阻尼缸及副缸从上至下轴向排列通过连接螺栓连接为一体，限位块放置在副缸底部；弹性支撑装置包括上弹性支撑和下弹性支撑；上弹性支撑设置在活塞组件的承力板上下，承力板通过上弹性支撑与支撑缸和密封连接板连接；下弹性支撑设置在活塞组件的限位板上下，限位板通过下弹性支撑与阻尼缸和副缸连接；阻尼发生装置包括电流变液、输入电源、可调谐电源控制器、正电极和负电极；正电极与负电极成对设置，共三对，分别设置在阻尼缸顶部、两块阻尼活塞板上下表面以及阻尼缸底部；电流变液充满整个阻尼缸；可调谐电源控制器接受传感装置的振动变化后调节输入电源电压大小向正电极和负电极供电；传感装置包括光纤光栅传感器、光子晶体光纤和光纤光栅解调器；光纤光栅传感器设置在活塞组件的支撑板底部，光纤光栅解调器设置在活塞筒组件的支撑缸顶部，光纤光栅传感器和光纤光栅解调器通过光子晶体光纤连接，信号输入光纤光栅解调器解调出振动频率。
所述电流变液为微纳米结构的6％铬离子掺杂TiO2电流变液颗粒，固体TiO2颗粒所占体积百分比为20％-30％，TiO2颗粒的直径为1.5-2.5μm，表面生长有直径30-50nm的长条刺状结构，连续相基液为甲基硅油。
所述光子晶体光纤为空芯带隙型光子晶体光纤。
所述光子晶体光纤的整体空气填充率为85％-95％。
所述光子晶体光纤的光纤包层直径为70μm-100μm。
本发明的工作原理为：本发明采用光纤光栅传感器作为振动感应器，信号通过光子晶体光纤传输到解调器。可调谐电源控制器接受振动信息变化后调节输出电压大小，从而改变电流变液的阻尼系数。当支撑板收到外部振动激励时，导杆连同弹性支撑装置、阻尼活塞板、限位板一起运动，电流变液在两块阻尼活塞板上的小孔间流动，产生挤压阻尼，同时在阻尼活塞板与阻尼缸内壁间产生剪切阻尼，随着电流变液阻尼系数变化，实现可调谐变阻尼减振。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用调节光纤光栅作为振动感应器，与现有技术相比，重量轻、结构简单、灵敏度高，可以实现振动频率的实时反馈。
(2)本发明采用光子晶体光纤作为传感信号的传输介质，与现有技术相比，可以减小光纤布线所产生的弯曲损耗，尤其是振动运动环境下的拉伸损耗，提高控制精度。本发明进一步采用空芯带隙型光子晶体光纤作为传输介质具备较好的抗弯曲特性，且重量轻、体积小、不受电磁干扰，能够满足空间应用中复杂布线的要求。
(3)本发明采用复合阻尼活塞设计、阻尼活塞板由上下两块阻尼活塞板组成，上下两块阻尼活塞板上均匀开有4-8个阻尼孔。能够同时利用电流变液的剪切力和挤压力，增大阻尼系数。
(4)本发明采用副缸加限位块设计，在电气失效或振动过大的状态下，仍然能够提供被动支撑，不会引起星载设备的单点失效，可靠性高。
(5)本发明采用铬离子掺杂的表面生长有长条刺状结构的TiO2电流变液作为粘滞介质，能够增大电流变液的阻尼系数，扩大了振动频带的抑制范围。
附图说明
图1是本发明的三维模型图；
图2为本发明的整体结构剖视图；
图3为本发明阻尼腔的结构剖视图；
图4为空芯带隙型光子晶体光纤结构示意图；
图5为本发明的工作流程图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明星载变阻尼减振装置包括：活塞组件、活塞筒组件、弹性支撑装置、阻尼发生装置和传感装置。
活塞组件包括支撑板1、承力板15、阻尼活塞19、限位板22和导杆12；所述支撑板1、承力板15、阻尼活塞19、限位板22同轴由上至下排列、通过导杆12固定连接。阻尼活塞19由两块阻尼活塞板组成，构成复合阻尼结构；每块阻尼活塞上圆周分布4-8个阻尼孔18，阻尼孔18的圆心位于同一圆周上；由于采用复合阻尼结构增大了阻尼系数。当电流变流通过活塞上的阻尼孔18时产生挤压阻尼，同时在阻尼活塞19和阻尼缸8之间产生剪切阻尼，并耗能获得阻尼减振的效果。
活塞筒组件包括支撑缸16、密封连接板7、阻尼缸8、副缸10和限位块23；所述支撑缸16、密封连接板7、阻尼缸8和副缸10从上至下轴向排列通过连接螺栓6连接为一体，在密封连接板7和阻尼缸8之间设置密封圈17，限位块23放置在副缸10底部；支撑板1受到外部激励后在活塞筒组件内轴向运动，当振动过大引起电气失效时，限位块23和限位板22仍然能够提供被动支撑。
弹性支撑装置包括上弹性支撑5和下弹性支撑11。上弹性支撑5设置在承力板15上下，承力板15通过上弹性支撑5与支撑缸4和密封连接板7连接；下弹性支撑11设置在限位板22上下，限位板22通过下弹性支撑11与阻尼缸8和副缸24连接；所述上弹性支撑5和下弹性支撑11的弹性系数由负载决定。
阻尼发生装置包括电流变液9、可调谐电源控制器14、正电极20和负电极21；电流变液9充满整个阻尼缸8；可调谐电源控制器14接受光纤光栅解调器4的振动响应后调节输入电源13的电压大小向正电极20、负电极21供电；正电极20与负电极21成对设置，共三对，分别设置在阻尼缸8顶部、阻尼活塞19上、下表面和阻尼缸8的底部。所述的阻尼活塞19由上下两块阻尼活塞板组成，上下两块阻尼活塞板上都均匀开有4-8个阻尼孔18，阻尼孔18的圆心位于同一圆周上。本实施例中，阻尼孔18为4个。
所述电流变液9为微纳米结构的6％铬离子掺杂TiO2电流变液颗粒，连续相基液位甲基硅油，TiO2颗粒的直径为1.5μm，表面生长有直径30nm-50nm的长条刺状结构。同时，不同浓度的铬、镧等介质能够获得不同阻尼系数范围。
传感装置包括光纤光栅传感器2、光子晶体光纤3、光纤光栅解调器4；光纤光栅传感器设置在支撑板1底部，光纤光栅解调器4设置在支撑缸4顶部，两者通过空芯带隙型子晶体光纤3连接，信号输入光纤光栅解调器4解调出振动频率。
图4是光子晶体光纤3的结构示意图，本发明的光子晶体光纤3选用空芯带隙型光子晶体光纤。图中，空芯空气孔31、二维光子晶体结构32。本发明的光子晶体光纤3的纤芯由空气孔构成，光纤整体空气填充率达到85％-95％，光纤包层直径为70μm-100μm。本实施例中为10.9μm的空气孔，空气填充率为90％，光纤包层直径70μm。
图5为本发明的工作流程图。工作流程为：振动激励信号被光纤光栅传感器2探测，信号通过光子晶体光纤3传输到光纤光栅解调器4。电源控制器接受振动信息变化后通过可调谐电源控制器14调节输入电压大小，从而改变正、负电极对上电压的大小，电流变液9的阻尼系数由于电压大小的改变而改变，电流变液9在两块阻尼活塞19上的阻尼孔18间流动，产生挤压阻尼，同时在阻尼活塞板19与阻尼缸8内壁间产生剪切阻尼，随着电流变液阻尼系数变化，导杆12连同弹性支撑装置、阻尼活塞板19、限位板22一起运动，实现可调谐变阻尼减振。
本实施例中，由于采用光纤传感装置进行传感与信号传输，传感部分重量小于200g，能够实现宽频振动的反馈，振动频率反馈范围5Hz-6000Hz，控制精度提高。
当然，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。
本发明说明书未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (5)

1.星载变阻尼减振装置，其特征在于：包括活塞组件、活塞筒组件、弹性支撑装置、阻尼发生装置和传感装置；活塞组件包括支撑板(1)、导杆(12)、承力板(15)、阻尼活塞(19)和限位板(22)；支撑板(1)、承力板(15)、阻尼活塞(19)、限位板(22)由上至下同轴排列、通过导杆(12)固定连接；阻尼活塞(19)由上下两块阻尼活塞板组成，上下两块阻尼活塞板上都均匀开有4-8个阻尼孔(18)，阻尼孔(18)的圆心位于同一圆周上；活塞筒组件包括支撑缸(16)、密封连接板(7)、阻尼缸(8)、副缸(10)和限位块(23)；支撑缸(16)、密封连接板(7)、阻尼缸(8)及副缸(10)从上至下轴向排列，固定连接为一体，限位块(23)放置在副缸(10)底部；弹性支撑装置包括上弹性支撑(5)和下弹性支撑(11)；上弹性支撑(5)设置在活塞组件的承力板(15)上下，承力板(15)通过上弹性支撑(5)与支撑缸(16)和密封连接板(7)连接；下弹性支撑(11)设置在活塞组件的限位板(22)上下，限位板(22)通过下弹性支撑(11)与阻尼缸(8)和副缸(10)连接；阻尼发生装置包括电流变液(9)、可调谐电源控制器(14)、正电极(20)和负电极(21)；正电极(20)与负电极(21)成对设置，共三对，分别设置在阻尼缸(8)顶部、两块阻尼活塞板上下表面以及阻尼缸(8)底部；电流变液(9)充满整个阻尼缸(8)；可调谐电源控制器(14)接受传感装置的振动变化后调节输入电源电压大小向正电极(20)和负电极(21)供电；传感装置包括光纤光栅传感器(2)、光子晶体光纤(3)和光纤光栅解调器(4)；光纤光栅传感器(2)设置在活塞组件的支撑板(1)底部，光纤光栅解调器(4)设置在活塞筒组件的支撑缸(16)顶部，光纤光栅传感器(2)和光纤光栅解调器(4)通过光子晶体光纤(3)连接，信号输入光纤光栅解调器(4)解调出振动频率。
2.根据权利要求1的星载变阻尼减振装置，其特征在于：所述电流变液(9)为微纳米结构的6％铬离子掺杂TiO2电流变液颗粒，固体TiO2颗粒所占体积百分比为20％-30％，TiO2颗粒的直径为1.5-2.5μm，表面生长有直径30-50nm的长条刺状结构，连续相基液为甲基硅油。
3.根据权利要求1的星载变阻尼减振装置，其特征在于：所述光子晶体光纤(3)为空芯带隙型光子晶体光纤。
4.根据权利要求1或3的星载变阻尼减振装置，其特征在于：所述光子晶体光纤(3)的整体空气填充率为85％-95％。
5.根据权利要求1或3的星载变阻尼减振装置，其特征在于：所述光子晶体光纤(3)的光纤包层直径为70μm-100μm。
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