CN104088962B

CN104088962B - 一种带有减振器的飞轮体

Info

Publication number: CN104088962B
Application number: CN201410300237.1A
Authority: CN
Inventors: 吴金涛; 卿涛; 王延荣; 刘彬; 张激扬; 武登云; 王全武; 王虹; 罗睿智; 周宁宁
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: CN104088962A

Abstract

本发明涉及一种带有减振器的飞轮体，包括轮缘、辐条、轮毂、法兰、颗粒减振器。颗粒减振器包括减振器腔体、颗粒/粉末、减振器端盖。颗粒减振器均布于飞轮体的轮缘中，当飞轮体受到外部激励时，利用颗粒与颗粒以及颗粒与空腔之间的非弹性碰撞和摩擦消耗系统的能量，从而达到提高飞轮体抗冲击振动的能力。根据本发明的飞轮体减振效果明显、成本低、结构简单、适应更宽温度范围、性能稳定、寿命更长、可靠性更高、飞轮体经历环境试验后不平衡量基本不变化，对整机使用影响小。

Description

一种带有减振器的飞轮体

技术领域

本发明涉及一种带有减振器的飞轮体，属于空间执行机构领域。

背景技术

航天器姿态控制系统中常用的惯性执行部件有飞轮和控制力矩陀螺。角动量是飞轮和控制力矩陀螺的核心技术指标之一，而飞轮体是提供角动量所需的转动惯量的主体要素。飞轮体设计的基本原则是获得尽可能大的惯量/质量比，大多采用幅板式——圆板支撑轮缘或轮辐式——辐条支撑轮缘。传统情况下，飞轮体是一个刚性整体，没有任何减振装置，在相同条件下，幅板式与轮辐式结构相比，幅板式结构的抗冲击和振动的能力强，但整体重量偏大；轮辐式整体质量较轻，但抗冲击振动能力较弱。

在申请号为200710193119.5、发明名称为“一种带有减振阻尼装置的改进型飞轮体设计”(公开号：CN101187410A)中公开的飞轮体采用轮辐式获得了较大的惯量/质量比；为减小受振动载荷时的振动响应，在辐条上加装了摩擦片和阻尼环，通过改变摩擦片和阻尼环之间的间隙大小来控制阻尼效果。这种带减振阻尼装置的飞轮体在工程应用中存在如下问题：

1、五根辐条上加装多个摩擦片、阻尼环、支撑衬套、螺栓等零件，阻尼装置安装复杂、阻尼效果一致性差，需多次通过正弦扫频试验由测量测到的振动加速度值来调整摩擦片和阻尼环之间的间隙，以得到满足要求的阻尼效果，时间和经济成本高；

2、带减振器装置的飞轮体装入飞轮后，在经历力学环境试验或运载发射段飞行后，飞轮的扰振力矩一般增加2～5倍，成为航天器主要的微振动源；扰振力矩的增加主要来源于带减振器装置的飞轮体在经历较大的力学载荷后摩擦片和阻尼环之间的间隙发生了变化，摩擦片、阻尼环、支撑衬套、螺栓与飞轮体之间的相对位置关系发生了变化等导致飞轮体不平衡量增大，飞轮的绕振力矩增大。

因此，有必要研制一种新的飞轮体，以提高航天器的姿态控制精度，并提高相机的成像质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种带有减振器的飞轮体，该飞轮体的减振效果稳定、适用温度范围更宽、成本低、操作简单、不影响整体外形，可用于各种航天器特别是高分辨率对地观测卫星的飞轮或控制力矩陀螺产品上。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种带有减振器的飞轮体，其特征在于，包括轮缘、辐条、轮毂、设置在轮毂一端的法兰盘、以及颗粒减振器，其中，

多个颗粒减振器均匀地布置在轮缘上，每个颗粒减振器包括减振器腔体、颗粒或粉末、以及减振器端盖，并且其中，减振器腔体沿轴向设置在轮缘中，减振器腔体的一端具有开口端，另一端封闭；颗粒或粉末容置于减振器腔体中；减振器端盖密封地盖设在减振器腔体的开口端。

进一步地，颗粒减振器的数量与辐条的数量相同，并且，每个颗粒减振器在轮缘上的位置与辐条的位置相对应。

进一步地，颗粒减振器的数量与辐条的数量相同，并且，每个颗粒减振器在轮缘上的位置位于相邻的两根辐条之间。

进一步地，颗粒减振器的数量是辐条的数量的两倍，这些颗粒减振器在轮缘上的分布位置为与辐条相对应的位置以及相邻的两根辐条之间的位置。

进一步地，颗粒减振器的减振器腔体的截面为圆形或腰槽形状。

进一步地，颗粒或粉末的颗粒形状为球形，可采用铅、铜、或碳化钨材料；并且颗粒或粉末的粒径范围为0.02mm～4mm。

进一步地，颗粒减振器中填充的颗粒或粉末可以是同一粒径的颗粒，或者是不同粒径的颗粒的混合物。

进一步地，颗粒减振器中填充的颗粒或粉末在减振器腔体中的体积填充率为70％～90％。

进一步地，颗粒减振器的减振器端盖与减振器腔体可通过环氧胶接或电子束焊接的方式进行密封连接。

与现有技术相比，根据本发明的带有减振器的飞轮体的优点在于：

1、根据本发明的带颗粒减振器的飞轮体具有成本低、结构简单的优点，缩短了研制的经济成本和时间成本，效益显著；

2、根据本发明的带颗粒减振器的飞轮体能适应更宽的温度范围、性能稳定，寿命更长、可靠性更高；

3、根据本发明的带颗粒减振器的飞轮体经历环境试验后，不平衡量基本不变化，对整机使用影响小。

附图说明

图1a为根据本发明的带有减振器的飞轮体的主视图,图1b为图1a中的飞轮体沿A-A向的剖视图；

图2a-图2c分别为颗粒减振器的三种不同布置示意图；

图3a和图3b分别为颗粒减振器的减振器腔体的不同截面形状示意图；以及

图4为飞轮体有无安装颗粒减振器的振动响应对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的带有减振器的飞轮体作进一步详细的说明。

请参考图1a和图1b，根据本发明的带有减振器的飞轮体包括轮缘1、辐条2、轮毂3、设置在轮毂3一端的法兰4、以及颗粒减振器5。其中，多个颗粒减振器5均匀地布置在轮缘1上，每个颗粒减振器5包括减振器腔体51、颗粒或粉末52、以及减振器端盖53。并且减振器腔体51沿轴向设置在轮缘1中，减振器腔体51的一端具有开口端，另一端封闭。颗粒或粉末52容置于减振器腔体51中；减振器端盖53密封地盖设在减振器腔体51的开口端。

如图1所示，飞轮体中的轮缘1、辐条2、轮毂3、法兰4可以在单独加工后焊接而成，或者采用整体加工的方式形成。颗粒减振器5的减振器腔体51位于轮缘1内部。

颗粒减振器5均布于轮缘1中，需综合考虑对飞轮体的强度和刚度的影响，其数量可以根据实际情况而定。如图2a-图2c所示，在图2a和图2b中，颗粒减振器5的数量与辐条2的数量相同，只是颗粒减振器的具体设置位置有所不同，在图2a中，每个颗粒减振器5在轮缘1上的位置与辐条2的位置相对应，即，5个颗粒减振器5布置于径向沿辐条2对应的轮缘1位置。在图2b中，每个颗粒减振器5在轮缘1上的位置位于相邻的两根辐条2之间，即，颗粒减振器5布置于两个相邻的辐条2对应的轮缘1的扇形中间位置。在图2c中，颗粒减振器5的数量是辐条2的数量的两倍，这些颗粒减振器5在轮缘1上的分布位置为与辐条2相对应的位置以及相邻的两根辐条2之间的位置。即，颗粒减振器5布置于轮缘1中图2(a)、图2(b)的组合方案。

如图3a和图3b所示，颗粒减振器5的减振器腔体51的截面可采用如图3a的圆形或如图3b的腰槽形状。

此外，颗粒减振器5的颗粒或粉末52可采用铅、铜、碳化钨等密度大的材料，并且颗粒或粉末的粒径范围为0.02mm～4mm。颗粒或粉末52可以是同一粒径或不同粒径的混合颗粒。颗粒或粉末52在减振器腔体51中的体积填充率为70％～90％。

颗粒减振器5的减振器端盖53与轮缘1中减振器腔体(51)的密封可通过环氧胶接或电子束焊接方式实现，以防止颗粒/粉末在飞轮体工作或振动中漏出。

优选地，飞轮体的轮缘1、辐条2、轮毂3、法兰4均为不锈钢材料，各零件通过焊接方式连接。颗粒减振器5采用图2a所示的方案均布于轮缘1中，并且颗粒减振器5的减振器腔体51的截面采用如图3a所示的直径为6mm的圆形。

优选地，颗粒减振器5的颗粒或粉末52采用粒度为2mm的碳化钨滚珠，并且颗粒或粉末在减振器腔体51中的体积填充率为90％。

当在飞轮体轴向(法兰4安装面的法向方向)施加如下面的表1所示的正弦扫频试验条件时，得到的试验结果如图4所示：轮缘1上的各阶响应峰值均明显的衰减，其中飞轮体的最大响应峰值从126.48g降为62.95g；固有频率由564.5Hz变化为552.9Hz，变化率约为2％，对产品基本无影响。

表1正弦扫频试验条件

频域	100Hz－2000Hz
		振动幅值	1g
加载扫描率	4oct/min

采用本发明的带有减振器的飞轮体，当振动激励从飞轮体的法兰依次传递至轮毂、辐条到轮缘时，轮缘内颗粒减振器的颗粒/粉末与颗粒/粉末以及颗粒/粉末与减振器腔体发生碰撞和摩擦消耗系统的能量，可以衰减飞轮体轴向伞形模态、径向摆动和扭转模态，从而达到减振目的。

采用本发明的带有减振器的飞轮体将大大提高航天器的姿态控制精度，特别是对高分辨率对地观测卫星将降低对相机的干扰，提高相机的成像质量。

在根据本发明的带有减振器的飞轮体中，利用颗粒减振器中颗粒与颗粒以及颗粒与腔体之间的非弹性碰撞和摩擦消耗系统的能量，从而达到减振的目的。与现有的摩擦阻尼技术相比，颗粒减振器的结构简单、受多次振动载荷的减振效果稳定，整体结构不平衡量无变化。与现有的粘弹性阻尼技术比较，颗粒阻尼对环境要求不敏感、适应更宽的温度范围和恶劣条件，不老化。与现有金属弹簧阻尼技术比较，没有金属弹簧缠绕工艺复杂、性能一致性较难保证、长时间受载微变形及断裂等风险。因此，根据本发明的带有减振器的飞轮体是一种低成本、抗老化、耐恶劣环境、减振效果好、性能稳定的减振器，在航天领域具有广泛的应用前景。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，例如，轮缘1、辐条2、轮毂3、及法兰4的具体设置，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种带有减振器的飞轮体，用于航天器，其特征在于，包括轮缘(1)、辐条(2)、轮毂(3)、设置在轮毂(3)一端的法兰盘(4)、以及颗粒减振器(5)，其中，

多个颗粒减振器(5)均匀地布置在轮缘(1)上，每个颗粒减振器(5)包括减振器腔体(51)、颗粒或粉末(52)、以及减振器端盖(53)，并且，减振器腔体(51)沿轴向设置在轮缘(1)中，减振器腔体(51)的一端具有开口端，另一端封闭；颗粒或粉末(52)容置于减振器腔体(51)中；减振器端盖(53)密封地盖设在减振器腔体(51)的开口端；

颗粒或粉末(52)的颗粒形状为球形，采用铅、铜、或碳化钨材料；并且颗粒或粉末(52)的粒径范围为0.02mm～4mm；

颗粒减振器(5)中填充的颗粒或粉末在减振器腔体(51)中的体积填充率为70％～90％。

2.根据权利要求1所述的带有减振器的飞轮体，其特征在于，颗粒减振器(5)的数量与辐条(2)的数量相同，并且每个颗粒减振器(5)在轮缘(1)上的位置与辐条(2)的位置相对应。

3.根据权利要求1所述的带有减振器的飞轮体，其特征在于，颗粒减振器(5)的数量与辐条(2)的数量相同，并且每个颗粒减振器(5)在轮缘(1)上的位置位于相邻的两根辐条(2)之间。

4.根据权利要求1所述的带有减振器的飞轮体，其特征在于，颗粒减振器(5)的数量是辐条(2)的数量的两倍，这些颗粒减振器(5)在轮缘(1)上的分布位置为与辐条(2)相对应的位置以及相邻的两根辐条(2)之间的位置。

5.根据权利要求1所述的带有减振器的飞轮体，其特征在于，颗粒减振器(5)的减振器腔体(51)的截面为圆形或腰槽形状。

6.根据权利要求1所述的带有减振器的飞轮体，其特征在于，颗粒减振器(5)中填充的颗粒或粉末是同一粒径的颗粒，或者是不同粒径的颗粒的混合物。

7.根据权利要求1所述的带有减振器的飞轮体，其特征在于，颗粒减振器(5)的减振器端盖(53)与减振器腔体(51)通过环氧胶接或电子束焊接的方式进行密封连接。