CN107606022B - 一种柔性适配装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性适配装置，属于机械振动隔离领域。本柔性适配装置由开槽圆管及连接在开槽圆管两端的上、下安装连接结构构成，上、下安装连接结构均为法兰盘；在开槽圆管管壁上沿该开槽圆管的轴线方向、圆周方向开槽形成环形波浪梁以及垂直于该环形波浪梁的多个短梁。通过控制开槽圆管的尺寸、环形波浪梁的高度以及连接梁的分布方式和高度，实现对柔性适配装置各向刚度、结构强度的要求。该装置具有轴、径向刚度分配灵活，承载范围大，结构紧凑、空间利用率高，便于与其它外部零件连接，方便批量生产等诸多优点。

Description

一种柔性适配装置

技术领域

本发明属于机械振动隔离领域，具体涉及一种可满足全方向刚度要求的柔性适配装置。

背景技术

隔振器、动力吸振器广泛应用于机械、建筑工程领域中的隔振设计问题。近年来，在航天领域，特别是对地观测与天文观测卫星的设计中，由于设计分辨率越来越高，对卫星平台中诸如飞轮、制冷机等激振源，或诸如遥感相机等对振动敏感的设备，一般采取隔振措施。典型的隔振器、动力吸振器设计中必须包括提供刚度的元件，且元件性能直接影响隔振器的隔振性能、结构强度。因此，刚度元件的选型、设计和参数识别是隔振器设计中的重要步骤。

一种解决方式为采用传统金属螺旋弹簧作为刚度元件来提供刚度。此种弹簧只在轴向范围内具有较好的线性刚度，其它两个平动、三个转动方向刚度不作为可控制指标在手册(《Passive Vibration Isolation》ASME PRESS 2003)中列出，且线性度差。此外，传统金属螺旋弹簧一般由给定截面的金属丝绕制而成，局部结构频率较低，在复杂载荷条件下，如航天器在主动段承受的宽频段随机载荷及瞬态冲击载荷，易发生结构共振从而造成弹簧结构发生塑性变形甚至失效。工程中的一种解决方法是为螺旋弹簧添加轴向导向装置(如导向杆)，约束螺旋弹簧只在单向(即轴向)振动，再将多个此种单向弹簧按照一定的几何构型构成弹簧系统，进而提供多个方向的刚度。但这种方法应用于需在轨工作的航天器时，导向杆的间隙引入的非线性效应、导向杆相对运动部件的磨损可能使弹簧组实际刚度偏离设计刚度，进而严重影响隔振系统的性能。此外，导向杆中的润滑剂于真空环境中还存在挥发等问题。

针对上述问题，航天应用中一般采用一种基于沿管状结构管壁圆周方向开槽的方式实现的柔性适配装置作为刚度元件，如图1所示，开槽圆管400管壁上沿该圆管的圆周方向开多个槽410形成交错堆叠悬臂梁的结构。但是，在航天器设计应用中，该传统对称开槽结构形式也存在一定的局限。在受力方面，此种柔性适配装置的轴、径向平动刚度均是由开槽结构中的切向梁弯曲(单端固支梁)实现的，因此该类开槽形式中，适配装置轴径向刚度比接近1，即仅通过开槽尺寸难以有效地分配其轴径向刚度比，仅能通过改变适配装置外形尺寸(增加高径比)来实现。在一些需要高轴径向刚度比的场合，此种开槽方式需额外占用外部空间(增加高度)或是缩小内部可利用空间(缩小直径)。此外，由于受力以单端固支梁弯曲的形式实现，因此，当适配装置的设计刚度下降时，其相应方向的静力承载能力也降低，这样当此适配装置应用于低频隔振问题时，设计时必须考虑额外添加锁定解锁装置或限位装置。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种柔性适配装置，这种柔性适配装置通过在圆管管壁上沿圆管圆周方向、轴线方向进行开槽得到，具有轴、径向刚度分配灵活，承载范围大，结构紧凑、空间利用率高，便于与其它外部零件连接，方便批量生产等诸多优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种柔性适配装置，由开槽圆管及连接在该开槽圆管两端的上、下安装连接结构构成，上、下安装连接结构均为法兰盘；其特征在于，在开槽圆管管壁上沿该开槽圆管的轴线方向、圆周方向开槽形成1个或多个环形波浪梁以及垂直于所述环形波浪梁的多个连接梁；开槽圆管管壁上端或下端与相邻的环形波浪梁之间、相邻的两环形波浪梁之间均通过连接梁连接。

所述环形波浪梁为1个时，通过各连接梁将环形波浪梁的顶端、底端分别与开槽圆管管壁的上、下端连接。

所述环形波浪梁为多个时，各环形波浪梁沿开槽圆管轴向平行排列；开槽圆管管壁的上、下端分别同与相邻环形波浪梁的顶端、底端之间，以及相邻两环形波浪梁之间均通过多个连接梁连接。

本发明提出的柔性适配装置的特点在于：

所采用的开槽圆管为在圆管管壁上沿轴线及切线方向开槽得到，可视为由环形波浪梁与垂直于环梁的纵向连接梁组成。相比现有的开槽圆管结构形式，该结构形式因波浪形式的封闭环梁类似于平面弹簧，展开长度更长，通过合理地布置平行于圆管结构轴线的连接梁，可以在保证强度的同时实现更低的结构多向隔振频率。为获得更低的隔振频率，可以采用多个沿圆管轴向平行排列的环形波浪梁，相邻两波浪梁之间用连接梁连接。

本装置可以看成机械传动设计中常用开槽式柔性联轴器的一种改进，在继承了开槽式联轴器六自由度方向线性刚度、高局部结构频率的同时，采用对称式双向正交均匀开槽的方式：分别沿圆管圆周方向开槽形成连接梁，沿圆管轴向开槽形成环形波浪梁。当此适配装置端部发生位移时，其结构变形及受力分布更加均匀，因此相比于柔性联轴器中的开槽形式，此种开槽形式拥有更大的线性度范围、以及更高的局部结构强度，更适用于航天任务中的复杂载荷条件。此外，由于采用双向正交开槽的方式，此种适配装置刚度参数具有良好的轴对称特性，便于应用于多隔振器组成的平台隔振系统。

本发明提出的柔性适配装置的益效果在于：

(1)当装置端部发生径向相对位移与轴向相对位移时，其轴径向刚度分配灵活，在同样的刚度设计条件下，其结构更加紧凑，高径比低于传统结构的三分之一。

(2)可通过改变波浪高度与短梁的宽度来达到较高的弯曲强度、刚度比，当等效刚度一定时，柔性适配装置的承载范围高于传统结构的3倍。

(3)可通过改变环形波浪梁的高度和波浪的宽度、环形波浪梁的数量或连接梁的布置来满足对各个方向上隔振频率的要求。

(4)柔性适配装置的结构可以为一体化金属结构，可按线弹性结构进行准确建模，适于针对不同场合，进行优化设计，使之具有需要的隔振频率。

附图说明

图1是传统的沿圆周方向开槽的柔性适配装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的总体结构示意图；

图3是图2的爆炸图；

图4是本发明开槽圆管的实施例1的结构示意图。

图5是本发明开槽圆管的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种柔性适配装置，结合实施例及附图详细说明如下：

本实施例的柔性适配装置总体结构如图2所示，该柔性适配装置001包括上安装连接结构100、开槽圆管结构200以及下安装连接结构300，该装置采用轴承钢或钛合金以车、铣、钳及线切割等方式加工成型，为一体结构；其中上安装连接结构100、下安装连接结构300分别位于开槽圆管结构200的上、下两端。

本实施例的柔性适配装置的爆炸图参见图3，在开槽圆管200管壁上沿该开槽圆管的轴线方向、圆周方向开槽形成1个或多个环形波浪梁210以及垂直于所述环形波浪梁的多个连接梁，开槽圆管管壁上端或下端与相邻的环形波浪梁之间、相邻的两环形波浪梁之间均通过连接梁连接。所述连接梁用于降低本装置的横向隔振频率但又保证开槽圆管结构的强度；通过控制开槽圆管的尺寸、环形波浪梁的高度以及连接梁的分布方式和高度，实现对柔性适配装置各向刚度、结构强度的要求。

开槽圆管200实施例1的结构如图4所示，本实施例设置1个环形波浪梁210，通过各连接梁220将环形波浪梁210的顶端(可以是环形波浪梁顶端的闭口处或开口处)、底端(可以是环形波浪梁底端的闭口处或开口处)分别与开槽圆管管壁的上、下端进行连接；本实施例的连接梁为不开槽的短梁。所述环形波浪梁210为封闭梁，位于开槽圆管的管壁上。若选取环形波浪梁上任意一点将该环形波浪梁切断，并将其在厚度方向压平，则其形状与平面弹簧相似。波浪形环梁在开槽圆管轴线方向上的高度沿环向均相同，波浪形环梁的顶端闭口处(即波峰)的内轮廓面260和外轮廓面230、底端闭口处(即波谷)的内轮廓面250和外轮廓面240为圆弧面或者直角面。

开槽圆管200实施例2的结构如图5所示，与实施例1不同之处在于，本实施例设置2个相同的环形波浪梁210，两环形波浪梁沿开槽圆管轴向平行排列，且两环形波浪梁关于开槽圆管的中截面对称设置；其中，上方环形波浪梁的顶端闭口处与下方环形波浪梁的底端闭口处之间通过连接梁270连接；上方环形波浪梁的顶端闭口处230与开槽圆管管壁上端之间通过沿开槽圆管轴线方向开槽的连接梁220连接，且连接梁220上开设的槽延伸至与其相连的环形波浪梁闭口处的内侧面；下方环形波浪梁的底端闭口处240与开槽圆管管壁下端之间通过沿开槽圆管轴线方向开槽的连接梁220连接，且该连接梁220上开设的槽延伸至与其相连的环形波浪梁闭口端的内侧面；连接两环形波浪梁之间的连接梁270与连接环形波浪梁端部与开槽圆管管壁端部的连接梁交错设置。

除此之外，位于相邻两环形波浪梁之间的连接梁还可采用如下布置方式：连接梁两端分别与上方环形波浪梁底端闭口处、下方环形波浪梁顶端闭口处连接；或者连接梁两端分别与一方环形波浪梁的闭口处、另一方环形波浪梁的开口处连接。

本发明的上、下安装结构与已有柔性适配装置相同，均为设有连接孔的法兰盘，法兰盘的形状、尺寸及其上连接孔的布设方式根据本柔性适配装置上方或下方的外部结构确定，通过上、下安装结构分别将本发明与上、下的外部结构相连。

本实施例的上安装连接结构100为矩形法兰，如图3所示，该上安装连接结构上共设有四个呈矩形方式布置的连接通孔，即通孔111、112、113、114，用于连接外部结构；该上安装连接结构的中部设有三个呈圆周均布的连接沉孔，即沉孔121、122、123，用于连接位于开槽圆管管腔内的附加结构。

本实施例的下安装连接结构为矩形法兰，如图3所示，该下安装连接结构上共设有四个呈矩形方式布置的连接通孔311、312、313和314，以及沿该四个通孔所在矩形长轴方向设置的沉槽301，该沉槽上设有两个对称布置的连接沉孔321、322，且该四个通孔(311、312、313、314)所形成的矩形长边与上安装连接结构100中四个连接通孔(111、112、113、114)所形成的矩形长边垂直，通过连接通孔311、312、313、314以及连接沉孔321、322与外部结构连接；该下安装连接结构中部开有与开槽圆管等径的通孔，用于穿过位于开槽圆管管腔内的附加结构。

Claims (5)

1.一种柔性适配装置，由开槽圆管及连接在该开槽圆管两端的上、下安装连接结构构成，上、下安装连接结构均为法兰盘；其特征在于，在开槽圆管管壁上沿该开槽圆管的轴线方向、圆周方向开槽形成多个环形波浪梁以及垂直于所述环形波浪梁的多个连接梁；开槽圆管管壁上端或下端与相邻的环形波浪梁之间、相邻的两环形波浪梁之间均通过连接梁连接；通过控制所述开槽圆管的尺寸、环形波浪梁的高度以及连接梁的分布方式和高度，实现所述柔性适配装置各向刚度和结构强度的要求；

各环形波浪梁沿开槽圆管轴向平行排列，相邻两环形波浪梁的闭口端对齐，或者相邻两环形波浪梁的闭口端与开口端对齐；当相邻两环形波浪梁的闭口端对齐时，位于相邻两环形波浪梁之间的连接梁的布置方式是：连接梁两端分别与上方环形波浪梁的顶端闭口处、下方环形波浪梁的底端闭口处连接；当相邻两环形波浪梁的闭口端与开口端对齐时，连接梁两端分别与一方环形波浪梁的闭口处、另一方环形波浪梁的开口处连接。

2.根据权利要求1所述的柔性适配装置，其特征在于，所述环形波浪梁为封闭环形梁。

3.根据权利要求1所述的柔性适配装置，其特征在于，所述环形波浪梁的顶端和底端的外轮廓面或内轮廓面为曲面或者平面。

4.根据权利要求1所述的柔性适配装置，其特征在于，连接梁沿开槽圆管轴线方向开槽或不开槽；开槽时，该槽延伸至环形波浪梁闭口端的内侧面。

5.根据权利要求1所述的柔性适配装置，其特征在于，所述柔性适配装置为使用车、铣、钳及线切割方式加工制成的一体成型结构。

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