CN104500648A - 两参数微振动主被动隔振平台及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两参数微振动主被动隔振平台及系统，包括：端盖、第一波纹管、第二波纹管、阻尼孔连接件、法兰联结套筒、法兰末端、活塞、缓冲器保护罩、阻尼孔；端盖的内侧端、第一波纹管、阻尼孔连接件、第二波纹管、法兰末端的内侧端依次连接；阻尼孔连接件上设置有贯通阻尼孔连接件两端的阻尼孔；第一波纹管、第二波纹管贮存有粘性液体。本发明中的两参数隔振器由波纹管和粘滞流体产生的阻尼构成，在取得最大阻尼情况下能够降低共振峰幅值，效避免隔振过程中的摩擦和迟滞，并控制平台的低频纵向的运动，弥补被动隔振的不足，具有质量轻、试装性好、设计简单等优点，能够满足质量限制和对隔振频率的要求。

Description

两参数微振动主被动隔振平台及系统

技术领域

本发明属于微振动主动控制和减振领域，涉及卫星微振动主被动隔振平台设计，尤其是该平台结合了主被动控制的优点，可以在较宽的频率范围内的实现有效的微振动控制。

背景技术

对微振动进行抑制，首先要清楚振源的特性，如振源的产生原因、激励方式、振源振动特性等。对于在轨状态的卫星平台，从引起振动的因素上来讲，卫星上的振源可以分为外在扰源和内在扰源。

外在扰源主要包括：太阳辐射光压、微粒子碰撞、太阳及月球引力、轨道的椭圆形、地球扁率影响、地球引力场等。这些扰源的振动频率极低(一般在0.01Hz以下)，振动幅值小(一般不超过10-6g)，作用时间长(等同于航天器在轨飞行时间)。这类振动一般常被认为是不易消除的准稳态加速度的背景干扰，主要受卫星的轨道设计影响。由于载荷对这类振动不敏感，其影响也较小，在微振动控制中一般不予考虑。

内在扰源主要由于卫星的热控系统、姿态控制系统、空调系统、电源系统、太阳翼等部件的运动等所引起。这类振源主要以中高频为主(>0.001Hz)，量级可达到10-2g。其中，中频(0.001Hz～1Hz)扰源一般由载荷或宇航员的瞬时行为所产生；高频(>1Hz)扰源一般由反作用轮、动量轮、压缩机、水泵、推进器点火等引起。这类这扰源具有频段宽，同时呈现低频高幅、高频低幅的特性，是对航天器上载荷性能产生干扰的主要振源。

微振动控制的目的是减小或消除卫星在轨工作时的往复运动对有效载荷性能的有害影响，其控制途径与常规振动控制一样，亦从振源、传递途径和被控对象入手。常用的隔振措施有：对振源采取隔振措施减弱振源的影响；对传递路径(结构)进行优化，减小传递路径在载荷作用下的响应；采用载荷隔离技术，即在载荷和安装结构之间加入隔振装置，减少结构振动对载荷的影响。根据控制方式的不同，又可以分为被动控制、主动控制、半主动控制(自适应控制)、主被动混合控制。

总的来说，对振源的隔振主要采用被动控制系统较多，其中的原因除了被动隔振系统的可靠性高等因素之外，还需要考虑激励力的特性等因素。对于CMG这样的主要振源，其激励力主要来源于内部动量轮的高速旋转所产生的不均衡力。这种力的频率较高，采用被动隔振系统完全可以满足要求。同时，主动控制对于低频振动控制效果较好。

现有技术的缺陷是：该类应用在国内文献以及专利当中较为少见，现有结构存在以下缺点，灵活度不高，结构较为繁杂，产生阻尼较少，同时在结构方面，会存在不必要的磁滞和摩擦。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种两参数微振动主被动隔振平台。本发明采用了主被动控制结合方式，被动隔振部分-两参数阻尼器，可以在降低共振峰峰值的同时有效抑制结构的高频振动，结构采用波纹管，可以避免隔振过程中的摩擦和迟滞，同时针对于微振动的特殊要求，采用刚度很软的波纹管串联，同时采用了阻尼放大的原理，波纹管微小变形，在阻尼孔处被放大产生阻尼效应。主动部分压电棒可以控制低频振动，拟补被动控制不足，在作动器下方的机加工弹簧主要用于承载，它具有良好线性性。整个隔振器可以独自应用，也可以由多个单机组成多自由度隔振系统。其中，两参数阻尼器，针对与微振动的特殊要求，通过自身结构特点，放大波纹管处的振动，使系统产生足够大的阻尼。机加工弹簧，它具有承载能力强，并且具有良好的线性性。本发明的主被动安装布置方式，不仅结构紧凑而且能够完成微振动隔振。

根据本发明提供的一种两参数微振动主被动隔振平台，包括：基座、上平台、衬套、作动器、机加工弹簧、两参数阻尼器；

上平台、作动器、衬套、机加工弹簧、基座依次连接；

基座与上平台之间连接有两个两参数阻尼器，这两个两参数阻尼器对称斜置在作动器的两侧以降低共振峰幅值，作动器用于产生主动控制力，使所述两参数微振动主被动隔振平台控制单一方向的振动；

其中，所述两参数阻尼器，包括：端盖、第一波纹管、第二波纹管、阻尼孔连接件、法兰联结套筒、法兰末端、活塞、缓冲器保护罩、阻尼孔；

缓冲器保护罩、端盖、法兰联结套筒、法兰末端、活塞依次连接并同轴设置；

在法兰联结套筒的腔室内，端盖的内侧端、第一波纹管、阻尼孔连接件、第二波纹管、法兰末端的内侧端依次连接；阻尼孔连接件上设置有贯通阻尼孔连接件两端的阻尼孔；第一波纹管、第二波纹管贮存有粘性液体并且通过阻尼孔连通；阻尼孔连接件连接活塞并随活塞同步移动。

优选地，还包括：阻尼孔件；

阻尼孔连接件设置有贯通阻尼孔连接件两端的螺纹孔，阻尼孔件设置有阻尼孔，阻尼孔件螺纹连接于阻尼孔连接件的螺纹孔内。

根据本发明提供的一种两参数阻尼器，包括：端盖、第一波纹管、第二波纹管、阻尼孔连接件、法兰联结套筒、法兰末端、活塞、缓冲器保护罩、阻尼孔；

缓冲器保护罩、端盖、法兰联结套筒、法兰末端、活塞依次连接并同轴设置；

在法兰联结套筒的腔室内，端盖的内侧端、第一波纹管、阻尼孔连接件、第二波纹管、法兰末端的内侧端依次连接；阻尼孔连接件上设置有贯通阻尼孔连接件两端的阻尼孔；第一波纹管、第二波纹管贮存有粘性液体并且通过阻尼孔连通；阻尼孔连接件连接活塞并随活塞同步移动。第一波纹管内部、第二波纹管内部、阻尼孔形成贮存粘性液体的封闭腔体。

根据本发明提供的一种两参数微振动主被动隔振系统，包括负载物台和基础座，还包括多个上述的两参数微振动主被动隔振平台，其中，负载物台与基础座之间连接有多个并联的所述两参数微振动主被动隔振平台，以控制多个方向振动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中的两参数隔振器由波纹管和粘滞流体产生的阻尼构成，在取得最大阻尼情况下，可以降低共振峰幅值，并且在高频部分有20dB的衰减。

2、本发明由于使用了波纹管，可以有效避免隔振过程中的摩擦和迟滞。

3、本发明中主动控制力由压电作动器产生，可以有效控制平台的低频纵向的运动，弥补被动隔振的不足。

4、本发明是一种简单、高效、灵活的主被动隔振平台设计。通过该隔振平台，可以有效的对宽频带内的微振动进行控制，并且可以根据实际情况，组装多个隔振平台，以实现多自由微振动主动控制。具有质量轻、试装性好、设计简单等优点，能够满足质量限制和对隔振频率的要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为两参数阻尼器装配图。

图2为主被动隔振平台三维总装图。

图3为主被动隔振平台二维装配图以及零件明细。

图4为机加工弹簧结构示意图图。

图5为两参数阻尼器中端盖的结构示意图。

图6为三个主被动隔振平台构成的三自由度隔振平台三维总装图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种可用于卫星在轨微振动主动控制的两参数微振动主被动隔振平台，该隔振结构主要包括两参数阻尼器、上平台、弹簧、下平台以及压电作动器，该隔振平台中的两参数隔振器由波纹管和粘滞流体产生的阻尼构成，在取得最大阻尼情况下，可以降低共振峰幅值，并且在高频部分有20dB的衰减，由于使用了波纹管，可以有效避免隔振过程中的摩擦和迟滞。主动控制力由压电作动器产生，可以有效控制平台的低频纵向的运动，弥补被动隔振的不足。平台中的弹簧主要起到承载作用。作为单独的隔振平台，该平台可以控制单一方向的振动；此外该平台也可以并联组装使用，同时控制多个方向振动。该平台具有质量轻、试装性好、设计简单等优点，能够满足质量限制和对隔振频率的要求。

具体地，本发明中的被动隔振部分为两参数阻尼器，下面介绍其参数和结构设计方法，设计装配图如1所示。

整个两参数阻尼器由8个主要零件构成，其中两个8个波纹的波纹管不仅起到贮存粘性液体的作用，同时由于采用很软的波纹管，同时让8个波纹管采用串联的方式，以至于当外界有微小的振动的时候，两个波纹管的液体就会随之相互流动，但是这还是不够的，为了使整个结构对于微振动更加的灵敏，设计了零件阻尼孔8，阻尼孔直径为1mm，这样对于变形起到一个放大的作用，波纹管的平均直径为30.5mm，通过尺寸可以直观的看出，在波纹管处微小变形，对于与阻尼孔处的变形为半径比的平方，930倍的放大，所以阻尼器对于微振动具有极高的灵敏度，同时伴随着流质液体在阻尼孔内部流动，继而产生了阻尼，对于阻尼器体积要求不严格的结构，可以通过扩大波纹管和阻尼孔面积比来提高阻尼器对于微振动的灵敏度。两参数阻尼器的连接方式为，缓冲器保护罩7与隔振基座9相连，阻尼孔连接件3与控制端(上平台)相连，阻尼孔连接件3的运动导致了位于上下的第一、第二波纹管内的流体流动，产生阻尼。最后再选材，选取波纹管刚度，同时选取粘滞流体的类型和阻尼孔的大小，完成结构参数设计，其中的关键零件设计图，如图1所示。

阻尼孔连接部件是整个两参数阻尼器的关键部件，本结构中的阻尼是通过流质液体流经阻尼孔，产生一个液阻，有压力损失产生压差，从而产生。阻尼孔的长度和直径对于阻尼效果重要影响，首先根据模拟计算确定一个基本值，然后通过实验修正这个值，基于以上原理，阻尼孔连接必须是可以更换的，同时也要容易更换，因为整个阻尼孔一直都要浸泡在流质液体当中，更换时，最好不能损失液体，同时阻尼孔连接件还有和外部部件(活塞6)相连接发生运动，从而产生阻尼。基于以上考虑，设计如图5所示零件，首先，阻尼孔连接件件中间是M6螺纹孔，方便把不同直接的阻尼孔固定在其中，同时为了考虑更换的方便性，螺纹的直径尺寸定位M6,长度尺寸定为30mm，可以方便的从两参数隔振器一端取出来，并且不会出现阻尼孔陷在液体中的情况。

具体地，图1示出了端盖1、第一波纹管21、第二波纹管22、阻尼孔连接件3、法兰联结套筒4、法兰末端5、活塞6、缓冲器保护罩7、阻尼孔8之间的连接关系、位置关系：自上而下介绍整个装配体，首先是缓冲器保护罩7，它与端盖5通过4个M4螺栓连接，端盖5的上端有一个设置有定位安装孔的圆柱凸起，第一波纹管21通过圆柱凸起的定位安装孔来定位安装，第一波纹管21的下端通过AB胶水和端盖1连接，同时端盖1还和法兰联结套筒4通过6个M4螺栓连接。第一波纹管21的上端面与阻尼孔连接件3的下端面贴合通过AB胶水连接，阻尼孔连接件3和阻尼孔8通过M6的螺纹相互连接(作为次优选的方案，阻尼孔也可以通过在阻尼孔连接件3设置通孔实现)，阻尼孔连接件3的上端面和第二波纹管22的下端面通过AB胶水连接，第二波纹管22的上端面和法兰末端5的连接也是通过AB胶连接，同时法兰联结套筒4和法兰末端5通过6个M4螺栓连接，最后法兰末端5和活塞6通过4个M4螺栓连接。

接下来针对主动控制部分进行设计。根据微振动的特点，选取压电棒作动器，其特点是反映灵敏可控性好。隔振平台的承载主要依靠机加工弹簧。弹簧设计兼顾了结构线性和承载能力，并通过有限元分析最终确定机加工弹簧的刚度。

图3中，基座9、上平台10、衬套11、作动器12、机加工弹簧13、两参数阻尼器14之间的连接关系、位置关系以及工作时的配合原理具体如下：

对主被动隔振平台的主要零件进行介绍，基座9主要是和机加工弹簧13以及两参数阻尼器14连接，同时基座9中间所见6个孔，是为了让基础和实验测试中的振动测试台相连预留下来的。基座9的左右侧面902与水平面901夹角为30度，这主要是基于隔振平台尺寸和中间作动器尺寸决定的。上平台10主要是和两参数阻尼器14还有压电棒相连接，上平台10的下端开了一个矩形槽和圆形槽，矩形槽的作用是导引作动器12的导线，圆形槽是为定位压电棒使其在结构的中心处。上平台10因为要和三参数隔振器相连，所以整个上平台10采用的中空的结构，不但可以减少上平台的重量同时也可以让整个连接部件都在中空结构中。上平台最上端有四个完全贯穿螺纹孔，设计目的是为了使上平台10和负载质量块更好的连接。衬套11主要作用是把作动器和机加工弹簧13连接在一起，由于作动器其末端是螺纹，所以衬套和作动器通过螺纹连接。作动器12是根据平台要求进行配置。机加工弹簧13主要和基座9以及衬套11连接，主要起到承载的作用。两参数阻尼器14，为了更好的和上平台10和基座9相连，两端(即活塞6和缓冲器保护罩7)都采用圆柱的形式，都是在圆柱的末端开有螺纹孔。

主被动隔振平台装配体各部件的连接方式为，基座9与两参数阻尼器14通过基座9上的圆孔定位，通过螺栓连接。基座9与机加工弹簧13通过下沉的圆孔连接，利用负载重力紧固。作动器12的下端和衬套11是通过螺纹连接，作动器12的上端通过上平台10一个圆孔来定位位置。两参数隔振器14的上端与上平台10通过M8的螺栓连接，两个螺栓通过预紧力给机加工弹簧13施加压力，使其与基座9紧紧相连。

其中，机加工弹簧是一种非标准件，它是一个单独的零件，其特点就是线性度高，因为它相当于很多个梁串联在一起，同时每一个梁又均匀的承载。所说的线性度高，是相对于螺旋弹簧，螺旋弹簧在圈数较少时候，因为其自身结构的原因，会发生不对称的变形。

实例1

如图2中所示为单个主被动微振动隔振平台，使用中将负载物固定于上平台，下平台安置于基础，2个斜置的两参数阻尼器为系统提供阻尼，降低共振峰幅值，主动控制可以完成纵向的微振动控制，压电棒下面的机加工弹簧起到承载作用。

实例2

如图6中将三个单机微振动隔振平台并联成一个三自由度主被动微振动隔振平台，负载物被固定于上平台，下平台安置于基础，6个斜置的两参数阻尼器为系统提供阻尼，3个压电棒可以对于隔振平台三个方向的振动进行有效的控制，当然单机的并联结构不限于此，单机不同的安装角度，不同的安装数量都在设计范畴之内。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种两参数微振动主被动隔振平台，其特征在于，包括：基座(9)、上平台(10)、衬套(11)、作动器(12)、机加工弹簧(13)、两参数阻尼器(14)；

上平台(10)、作动器(12)、衬套(11)、机加工弹簧(13)、基座(9)依次连接；

基座(9)与上平台(10)之间连接有两个两参数阻尼器(14)，这两个两参数阻尼器(14)对称斜置在作动器(12)的两侧以降低共振峰幅值，作动器(12)用于产生主动控制力，使所述两参数微振动主被动隔振平台控制单一方向的振动；

其中，所述两参数阻尼器，包括：端盖(1)、第一波纹管(21)、第二波纹管(22)、阻尼孔连接件(3)、法兰联结套筒(4)、法兰末端(5)、活塞(6)、缓冲器保护罩(7)、阻尼孔(8)；

缓冲器保护罩(7)、端盖(1)、法兰联结套筒(4)、法兰末端(5)、活塞(6)依次连接并同轴设置；

在法兰联结套筒(4)的腔室内，端盖(1)的内侧端、第一波纹管(21)、阻尼孔连接件(3)、第二波纹管(22)、法兰末端(5)的内侧端依次连接；阻尼孔连接件(3)上设置有贯通阻尼孔连接件两端的阻尼孔(8)；第一波纹管(21)、第二波纹管(22)贮存有粘性液体并且通过阻尼孔(8)连通；阻尼孔连接件(3)连接活塞(6)并随活塞(6)同步移动。

2.根据权利要求1所述的两参数微振动主被动隔振平台，其特征在于，还包括：阻尼孔件；

阻尼孔连接件(3)设置有贯通阻尼孔连接件两端的螺纹孔，阻尼孔件设置有阻尼孔(9)，阻尼孔件螺纹连接于阻尼孔连接件(3)的螺纹孔内。

3.一种两参数阻尼器，其特征在于，包括：端盖(1)、第一波纹管(21)、第二波纹管(22)、阻尼孔连接件(3)、法兰联结套筒(4)、法兰末端(5)、活塞(6)、缓冲器保护罩(7)、阻尼孔(8)；

缓冲器保护罩(7)、端盖(1)、法兰联结套筒(4)、法兰末端(5)、活塞(6)依次连接并同轴设置；

在法兰联结套筒(4)的腔室内，端盖(1)的内侧端、第一波纹管(21)、阻尼孔连接件(3)、第二波纹管(22)、法兰末端(5)的内侧端依次连接；阻尼孔连接件(3)上设置有贯通阻尼孔连接件两端的阻尼孔(8)；第一波纹管(21)、第二波纹管(22)贮存有粘性液体并且通过阻尼孔(8)连通；阻尼孔连接件(3)连接活塞(6)并随活塞(6)同步移动。

4.根据权利要求3所述的两参数微振动主被动隔振平台，其特征在于，还包括：阻尼孔件；

阻尼孔连接件(3)设置有贯通阻尼孔连接件两端的螺纹孔，阻尼孔件设置有阻尼孔(9)，阻尼孔件螺纹连接于阻尼孔连接件(3)的螺纹孔内。

5.一种两参数微振动主被动隔振系统，包括负载物台和基础座，其特征在于，还包括多个权利要求1或2所述的两参数微振动主被动隔振平台，其中，负载物台与基础座之间连接有多个并联的所述两参数微振动主被动隔振平台，以控制多个方向振动。