CN106015454A - 一种控制力矩陀螺复合减振装置 - Google Patents

一种控制力矩陀螺复合减振装置 Download PDF

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Abstract

一种控制力矩陀螺复合减振装置，包括动力吸振器、金属橡胶隔振器，动力吸振器包括固紧配重块(1)、第一金属橡胶单元(3)、壳体(4)、壳体固紧螺钉(5)，金属橡胶隔振器包括套筒(10)、第二金属橡胶单元(11)、第三金属橡胶单元(11)、第四金属橡胶单元(12)。本发明复合减振装置通过在框架转子系统的减重槽上安装动力吸振器、在控制力矩陀螺机座的安装耳上安装金属橡胶隔振器，克服了整机隔振平台无法针对框架转子系统减振的缺陷、整机隔振平台将控制力矩陀螺安装在平台上导致整机重心升高的缺点，具有重量轻、体积小和结构简单的优点。

Description

一种控制力矩陀螺复合减振装置
技术领域
本发明涉及一种控制力矩陀螺技术，特别是一种控制力矩陀螺复合减振装置。
背景技术
控制力矩陀螺作为航天器的惯性执行机构，直接影响航天器的指向精度和稳定度。高精度和高稳定度航天器平台的研制，对控制力矩陀螺整机的微振动指标提出了很高的要求。根据控制力矩陀螺的结构特点，高速转子结构质量不平衡会导致框架转子系统产生微振动，微振动通过框架转子系统传递至低速组件，直接影响低速驱动的控制精度和稳定度。即使采用高速转子系统精密动平衡技术，也无法完全削除高速转子系统的动不平衡量，因此研究控制力矩陀螺减振方法，抑制其在轨高速运转过程输出的微幅宽频振动，是控制力矩陀螺研制过程中必须要解决的问题。
目前，航天器用控制力矩陀螺减振主要采用整机隔振的方式，2012年，张尧、张景瑞和翟光提出一种使用多级隔振平台提高光学载荷成像质量的方法并申请中国专利，编号CN201210275120.3，其基本设计思想是将隔振平台安装在飞轮或者控制力矩陀螺等卫星执行机构和卫星星体之间，实现控制力矩陀螺的减振。整机隔振平台主要有以下三个缺点：(1)重量和体积大、结构复杂，可靠性低；(2)高速转子结构为振源，其质量不平衡会导致框架转子系统产生微振动，整机隔振平台不能针对框架转子系统进行减振；(3)控制力矩陀螺整机安装在隔振平台上，导致控制力矩陀螺的重心升高，减振系统稳定性低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过使用动力吸振器和金属橡胶隔振器对控制力矩陀螺进行微振动抑制，解决了整机隔振平台结构复杂的缺陷的控制力矩陀螺复合减振装置。
本发明的技术解决方案是：一种控制力矩陀螺复合减振装置，包括动力吸振器、金属橡胶隔振器，动力吸振器包括固紧配重块、第一金属橡胶单元、壳体、壳体固紧螺钉；配重块一端中部设有直径与第一金属橡胶单元直径相等的盲孔，第一金属橡胶单元套入到配重块盲孔内，配重块、第一金属橡胶单元的组合体与外部框架转子系统固定连接，壳体覆盖固紧配重块、壳体并与外部框架转子系统固定连接；
金属橡胶隔振器包括套筒、第二金属橡胶单元、第三金属橡胶单元、第四金属橡胶单元；套筒为一端设有圆盘的空心柱状筒，第二金属橡胶单元、第三金属橡胶单元、第四金属橡胶单元中心设有通孔，第二金属橡胶单元、第四金属橡胶单元依次从套筒不设有圆盘的一端套入到套筒，套筒不设有圆盘的一端套入到外部控制力矩陀螺机座的安装耳，第三金属橡胶单元从套筒不设有圆盘的一端套入到套筒，控制力矩陀螺机座的安装耳、套筒固定连接至卫星星体。
所述的配重块、第一金属橡胶单元组合得到的配重块-第一金属橡胶单元组合体的频率与外部框架转子系统的固有频率相同。
还包括连接螺钉，配重块另一端中部设有直径与连接螺钉的螺杆直径相同的通孔，第一金属橡胶单中部设有直径与连接螺钉的螺杆直径相同的通孔，配重块、第一金属橡胶单元通过连接螺钉与外部框架转子系统固定连接。
还包括壳体固紧螺钉，壳体通过壳体固紧螺钉与外部框架转子系统固定连接。
所述的第二金属橡胶单元、第三金属橡胶单元的结构形状完全相同。
还包括安装螺钉，安装螺钉将控制力矩陀螺机座的安装耳、套筒固定连接至卫星星体。
还包括垫片，安装螺钉通过垫片将控制力矩陀螺机座的安装耳、套筒固定连接至卫星星体。
所述的第一金属橡胶单元、配重块为圆柱形结构。
所述的第二金属橡胶单元、第三金属橡胶单元、第四金属橡胶单元为中心设有通孔的圆柱体。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明复合减振装置通过使用动力吸振器和金属橡胶隔振器对控制力矩陀螺进行微振动抑制，解决了整机隔振平台结构复杂的缺陷，具有重量轻、体积小和结构简单的优点；
(2)本发明复合减振装置通过在框架转子系统的减重槽上安装动力吸振器，克服了整机隔振平台无法针对框架转子系统减振的缺陷，实现了框架转子系统的振动抑制，减少了传递至机座的微振动；
(3)本发明通过在控制力矩陀螺机座的安装耳上安装金属橡胶隔振器，克服了整机隔振平台需要将控制力矩陀螺安装在平台之上导致整机重心升高的缺点，具有减振系统稳定性好的优点。
附图说明
图1为本发明一种控制力矩陀螺复合减振装置结构中动力吸振器结构示意图；
图2为本发明一种控制力矩陀螺复合减振装置结构中金属橡胶隔振器结构图。
图3为本发明的复合减振装置在控制力矩陀螺中的安装位置示意图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种控制力矩陀螺复合减振装置，包括动力吸振器、金属橡胶隔振器，通过将动力吸振器安装在控制力矩陀螺中框架转子系统的减重槽上、金属橡胶隔振器安装在控制力矩陀螺中机座的安装耳处，在传递路径上采取抑制措施，降低了控制力矩陀螺的微振动水平，具体内容如下：
在控制力矩陀螺中框架转子系统的减重槽上安装动力吸振器，在控制力矩陀螺的激励频率下，动力吸振器结构发生共振，其包括的配重质量具有的较大惯性、金属橡胶具有的阻尼特性，形成动力吸振器系统，将框架转子系统中高速转子激振力的振动能量转移到金属橡胶单元中，实现减振效果。在控制力矩陀螺中机座的安装耳处安装金属橡胶隔振器，实现三个方向的隔振。每套金属橡胶隔振器由3个环型金属橡胶单元体组成，其中上下两个金属橡胶单元体完全相同，实现Y向隔振，中间金属橡胶单元体实现X、Z向隔振，进而实现Y向刚度和X向、Z向刚度的独立调整，相互不耦合。下面结合附图对本发明装置进行详细说明。
如图1所示，动力吸振器包括固紧配重块1、连接螺钉2、金属橡胶单元3、壳体4与壳体固紧螺钉5。金属橡胶单元3为圆心设有通孔的圆柱体，配重块1一端中部设有与金属橡胶单元3直径相等的盲孔，另一端设有与连接螺钉2的螺杆直径相同的通孔，且两个通孔相连，配重块1和金属橡胶单元3通过连接螺钉2与框架转子系统6连接，在动力吸振器外部的壳体4与框架转子系统6通过壳体固紧螺钉5连接，保证装置工作过程中产生的碎屑等多余物不会扩散。通过配重块1重量和金属橡胶单元3刚度调整，配重块1-金属橡胶单元3组合体的频率与框架转子系统6的固有频率相同，在控制力矩陀螺的激励频率下，动力吸振器结构发生共振，通过配重块1的惯性以及金属橡胶单元3的阻尼特性，形成动力吸振系统，将高速转子激振力的振动能量转移到金属橡胶单元3中，实现减振效果。
如图2所示，金属橡胶隔振器包括安装螺钉8、垫片9、套筒10、两个结构形状完全相同的金属橡胶单元11、金属橡胶单元12，套筒10为一端设有圆盘的空心柱状筒，金属橡胶单元11、金属橡胶单元12均为中心设有通孔的圆柱体，金属橡胶单元11、金属橡胶单元12依次从套筒10不设有圆盘的一端套入到套筒10，然后套筒10不设有圆盘一端套入到控制力矩陀螺机座的安装耳13，另一个金属橡胶单元11从套筒10不设有圆盘的一端套入到套筒10，安装螺钉8通过垫片9将控制力矩陀螺机座的安装耳13、套筒10固定至卫星星体14。金属橡胶隔振器的上下两个金属橡胶单元体11完全相同，能够实现Y向(套筒10的轴向方向)隔振，中间金属橡胶单元体12实现X向、Z向隔振(X向和Z向根据笛卡尔坐标系确定)，可以实现Y向刚度和X、Z向刚度的独立调整，相互不耦合，其中，金属橡胶单元体11(Y方向)的刚度和阻尼比确定过程如下：
(1)框架转子系统在Y轴方向上可以看成单自由度的振动问题，根据动力学理论，阻尼系统的固有频率计算公式为：式中：k表示金属橡胶隔振器的Y方向总刚度，m表示被隔振件的质量，ζ表示阻尼比。根据控制力矩陀螺的质量和金属橡胶单元的材料参数，得到控制力矩陀螺-金属橡胶隔振器系统的固有频率随单个金属橡胶单元刚度变化的曲线。
(2)根据谐振频率要求范围以及步骤(1)得到控制力矩陀螺-金属橡胶隔振器系统的固有频率随单个金属橡胶单元刚度变化的曲线，初步计算得到金属橡胶单元体Y方向刚度的取值范围。
(3)整个控制力矩陀螺系统可以近似简化为弹簧-质量系统，进而推导得到振幅放大倍数计算方法。
(4)根据步骤(2)得到的Y方向刚度的取值范围，取三组Y方向刚度数值，阻尼比取三种典型数值，运用步骤(3)推导的振幅放大倍数计算方法分别进行谐响应分析，得到不同阻尼比下振幅放大倍数与激振频率之间的曲线关系。根据正弦振动试验中振幅放大倍数的要求，最终确定金属橡胶隔振器Y方向上的刚度和阻尼比。
(5)根据步骤(4)得到的Y方向上的刚度和阻尼比，结合控制力矩陀螺机座的安装耳位置的几何尺寸特征，可以确定金属橡胶单元11的尺寸。同时可通过步骤1～4所述方法确定金属橡胶单元体12(X方向和Z方向)的刚度和阻尼比，进而得到金属橡胶单元12的尺寸。
如图3所示，动力吸振器15安装在控制力矩陀螺的框架转子系统6的减重槽处，金属橡胶隔振器16安装在控制力矩陀螺机座13的安装耳处。综上所述，本发明采用动力吸振器吸振和金属橡胶隔振器阻尼耗能两种方式吸收振动能量，可针对框架转子系统和整机进行减振，具有重量轻、体积小，结构简单，可靠性高、稳定性好的特点。下面结合实施例对本发明装置进行详细说明。
在控制力矩陀螺高速转子工作转速7000r/min，整机重量140KG环境下，设计4个动力吸振器，每个动力吸振器的重量为200g，几何尺寸(长×宽×高)为60×50×40，单元刚度为1.07×105N/m，阻尼比为0.2，设计4个金属橡胶隔振器，单个重量为120g，几何尺寸(直径×高)为φ38X80，Y向刚度为1.20×106，X、Z向刚度为1.09×106，阻尼比为0.2，在不工作时的存储温度-120℃～100℃、工作温度-40℃～60℃的工作环境下，通过仿真验证，本发明减振装置能够达到工作寿命15年，具有较好的适用效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于包括动力吸振器、金属橡胶隔振器，动力吸振器包括固紧配重块(1)、第一金属橡胶单元(3)、壳体(4)、壳体固紧螺钉(5)；配重块(1)一端中部设有直径与第一金属橡胶单元(3)直径相等的盲孔，第一金属橡胶单元(3)套入到配重块(1)盲孔内，配重块(1)、第一金属橡胶单元(3)的组合体与外部框架转子系统(6)固定连接，壳体(4)覆盖固紧配重块(1)、壳体(4)并与外部框架转子系统(6)固定连接；
金属橡胶隔振器包括套筒(10)、第二金属橡胶单元(11)、第三金属橡胶单元(11)、第四金属橡胶单元(12)；套筒(10)为一端设有圆盘的空心柱状筒，第二金属橡胶单元(11)、第三金属橡胶单元(11)、第四金属橡胶单元(12)中心设有通孔，第二金属橡胶单元(11)、第四金属橡胶单元(12)依次从套筒(10)不设有圆盘的一端套入到套筒(10)，套筒(10)不设有圆盘的一端套入到外部控制力矩陀螺机座的安装耳(13)，第三金属橡胶单元(11)从套筒(10)不设有圆盘的一端套入到套筒(10)，控制力矩陀螺机座的安装耳(13)、套筒(10)固定连接至卫星星体(14)。
2.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：所述的配重块(1)、第一金属橡胶单元(3)组合得到的配重块(1)-第一金属橡胶单元(3)组合体的频率与外部框架转子系统(6)的固有频率相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：还包括连接螺钉(2)，配重块(1)另一端中部设有直径与连接螺钉(2)的螺杆直径相同的通孔，第一金属橡胶单元(3)中部设有直径与连接螺钉(2)的螺杆直径相同的通孔，配重块(1)、第一金属橡胶单元(3)通过连接螺钉2与外部框架转子系统(6)固定连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：还包括壳体固紧螺钉(5)，壳体(4)通过壳体固紧螺钉(5)与外部框架转子系统(6)固定连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：所述的第二金属橡胶单元(11)、第三金属橡胶单元(11)的结构形状完全相同。
6.根据权利要求1或2所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：还包括安装螺钉(8)，安装螺钉(8)将控制力矩陀螺机座的安装耳(13)、套筒(10)固定连接至卫星星体(14)。
7.根据权利要求1或2所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：还包括垫片(9)，安装螺钉(8)通过垫片(9)将控制力矩陀螺机座的安装耳(13)、套筒(10)固定连接至卫星星体(14)。
8.根据权利要求1或2所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：所述的第一金属橡胶单元(3)、配重块(1)为圆柱形结构。
9.根据权利要求1或2所述的一种控制力矩陀螺复合减振装置，其特征在于：所述的第二金属橡胶单元(11)、第三金属橡胶单元(11)、第四金属橡胶单元(12)为中心设有通孔的圆柱体。
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