CN114590421B - 一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置 - Google Patents

一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振‑耗能装置，包括减振弹片、辅助支架、安装螺栓、拧紧螺栓、安装螺母和拧紧螺母。其中，减振弹片上设计有吸振质量，利用动力吸振原理，可实现振动能量由动量轮向减振弹片转移；减振弹片与动量轮轮辐之间形成水平非线性摩擦接触面，减振弹片与辅助支架之间形成竖直非线性摩擦接触面，通过多个摩擦接触面的干摩擦迟滞耗能作用，实现振动能量由动量轮向减振弹片转移过程中的高效耗散；通过对拧紧螺母的拧紧力矩大小的调整，可实现干摩擦迟滞耗能的最优化控制。本发明的吸振‑耗能装置具有结构简单、减振频带宽、减振效率高、载荷适应性强等优点，在振动控制领域具有广阔的应用前景。

Description

一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置
技术领域
本发明属于航天振动控制领域，具体涉及一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置。
背景技术
动量轮是控制航天器平台姿态和保持精度的关键机械部件，其工作原理是通过自身储存的角动量与航天器进行角动量交换，来实现稳定飞行。动量轮在轨运行时的振动直接影响航天器平台的指向精度、姿态稳定度和成像质量。随着我国对卫星等航天器平台的指向精度要求达0.01°甚至角秒级，姿态稳定度达到10-3～10-4(°/s)，甚至更高的5×10-5～1×10-4(°/s)量级等不断提升的性能指标要求，动量轮的振动对卫星平台高性能指标的影响愈发凸显，成为我国高精度、高性能卫星发展的瓶颈问题。为保障航天器平台的指向精度、姿态稳定度和成像质量，亟需对动量轮的振动进行控制。
非线性干摩擦吸振-耗能弹片是一种能够实现在一定频带内吸振的动力吸振器，其工作原理是将弹片的共振频率设计为与被减振物体的工作频率相同，弹片在工作状态处于共振状态，从而将被减振物体的振动能量吸收，并通过非线性干摩擦实现能量耗散。在工作过程中，局部摩擦接触面处存在接触-分离等接触行为，产生非线性局部约束刚度，且对于轻薄的弹片结构，高振动载荷大变形下还具有一定的几何非线性特征。根据非线性能量阱理论，非线性特征可实现对更宽频带内振动能量的有效转移，因此，非线性干摩擦吸振-耗能弹片被广泛应用于振动控制领域。
目前采用的干摩擦弹片为单摩擦接触面减振弹片，存在以下局限性：(1)摩擦接触面个数较少，干摩擦迟滞耗能的能力有限；(2)摩擦接触面往往与被减振物体的主要振动方向垂直，导致在实际工作过程中，减振弹片在沿摩擦接触面方向的相对运动量较小，干摩擦迟滞耗能的效果受限。
因此，有必要设计一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性摩擦吸振-耗能装置，在现有干摩擦弹片的基础上设计吸振质量，利用动力吸振原理，提高减振效率；此外，通过多摩擦接触面设计，提高干摩擦迟滞耗能的能力上限；并且非线性摩擦接触面正交设计，无论动量轮沿何种方向振动，减振弹片在至少两个非线性摩擦接触面上会产生较大的相对运动，具有较好的干摩擦迟滞耗能效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，目的是实现动量轮振动能量的高效转移-耗散，进而降低其振动响应，以保障航天器平台的指向精度、姿态稳定度和成像质量。其中，能量转移是利用动力吸振原理，将动量轮的振动能量向减振弹片转移；而能量耗散是利用非线性能量阱理论，通过多个非线性摩擦接触面的干摩擦迟滞耗能，实现振动能量由动量轮向减振弹片转移过程中的高效耗散。
本发明采用的技术方案为：一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，以实现动量轮振动能量的高效转移-耗散，进而降低其振动响应，所述吸振-耗能装置包括减振弹片、辅助支架、第一安装螺栓、第二安装螺栓、第一安装螺母、第二安装螺母、第一拧紧螺母、第二拧紧螺母、拧紧螺栓和第三拧紧螺母；所述减振弹片设置有第一弧面、第一安装平面、第二弧面和吸振质量；所示辅助支架设置有第二安装平面、第一预紧力调整面、第二预紧力调整面、第一摩擦接触面和第二摩擦接触面；所述第一安装螺栓和第二安装螺栓从上方依次穿过辅助支架、减振弹片和动量轮轮辐，利用所述第一安装螺母和第二安装螺母将辅助支架与减振弹片连为一体，利用所述第一拧紧螺母和第二拧紧螺母将减振弹片固定在动量轮轮辐上；在所述第一拧紧螺母和第二拧紧螺母的预紧下，所述第一弧面和第二弧面与动量轮轮辐之间分别形成第一水平非线性摩擦接触面和第二水平非线性摩擦接触面；所述拧紧螺栓穿过第一、第二预紧力调整面的第一、第二预紧螺栓孔，与所述第三拧紧螺母配合；在所述第三拧紧螺母的预紧下，第一、第二摩擦接触面与吸振质量的两个侧边接触，分别形成第一竖直非线性摩擦接触面和第二竖直非线性摩擦接触面。
进一步地，多个所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置沿动量轮的周向等角度均匀布置，且其数量至少为4个。
进一步地，所述减振弹片1的第一弧面、第二弧面和吸振质量的形状尺寸由动量轮的主要工作频率确定。
进一步地，通过调整所述第一拧紧螺母和第二拧紧螺母的拧紧力矩，实现对第一弧面、第二弧面与动量轮轮辐之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二水平非线性摩擦接触面产生高效干摩擦迟滞耗能。
进一步地，通过调整所述第三拧紧螺母的拧紧力矩，实现对第一、第二摩擦接触面与吸振质量之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二竖直非线性摩擦接触面产生高效干摩擦迟滞耗能。
进一步地，所述第一、第二摩擦接触面上设置有数个凸台，所述吸振质量在振动时与所述凸台之间产生非线性干摩擦，实现振动能量的高效耗散。
进一步地，所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置兼具吸振器与阻尼器的优点；作为吸振器，通过改变第一弧面、第二弧面和吸振质量的结构尺寸调整所述减振弹片的固有频率，在该固有频率下，所述减振弹片发生共振，实现对动量轮振动能量的吸收；作为阻尼器，动量轮振动时，在第一水平非线性摩擦接触面，第二水平非线性摩擦接触面，第一竖直非线性摩擦接触面和第二竖直非线性摩擦接触面上产生干摩擦迟滞耗能，实现振动能量由动量轮向所述减振弹片转移过程中的高效耗散。
进一步地，当其作为吸振器时，对动量轮不平衡量引起的简谐激励，所述减振弹片的固有频率设计值接近或等于转速频率；对外界施加的冲击激励或白噪声激励，所述减振弹片的固有频率设计值接近或等于动量轮的振动主频。
本发明的用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置的优点在于：
(1)本发明无需改变动量轮本身的结构形式和结构尺寸，可直接在动量轮上加入本发明的吸振-耗能装置。对于结构形状、质量不同的动量轮，仅需调整减振弹片的参数，即可实现振动能量由动量轮向减振弹片的高效转移。
(2)局部摩擦接触面处存在接触-分离等接触行为，产生非线性局部约束刚度，且对于轻薄的减振弹片，高振动载荷大变形下还具有一定的几何非线性特征；本发明利用上述非线性特征，可实现对更宽频带内振动能量的高效耗散。
(3)本发明设计有两组垂直布置摩擦接触面，无论动量轮沿何种方向振动，减振弹片在至少两个非线性摩擦接触面上会产生较大的相对运动，进而实现高效的干摩擦迟滞耗能，具有载荷适应性强的优点。
(4)本发明通过调整第一和第二拧紧螺母的拧紧力矩大小，可实现对第一、第二弧面与动量轮轮辐之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二水平非线性摩擦接触面产生高效干摩擦迟滞耗能；通过调整第三拧紧螺母的拧紧力矩，可实现对第一、第二摩擦接触面与吸振质量之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二竖直非线性摩擦接触面产生高效干摩擦迟滞耗能。
附图说明
图1是本发明的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置在动量轮上的安装示意图。
图2是本发明的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置的结构图。
图3是本发明的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置中的减振弹片结构示意图。
图4是本发明的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置中的辅助支架结构示意图。
图5是本发明的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置中的水平非线性摩擦接触面示意图。
图6是本发明的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置中的竖直非线性摩擦接触面示意图。
图7是不带该吸振-耗能装置的动量轮结构在升速过程中的响应瀑布图示意图。
图8是带该吸振-耗能装置的动量轮结构在升速过程中的响应瀑布图示意图。
图中：
A.动量轮，11.动量轮轮辐，B.多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置；
1.减振弹片，2.辅助支架，3.第一安装螺栓，4.第二安装螺栓，5.第一安装螺母，6.第二安装螺母，7.第一拧紧螺母，8.第二拧紧螺母，9.拧紧螺栓，10.第三拧紧螺母，11.动量轮轮辐；
1a.第一弧面，1b.第一安装平面，1c.第二弧面，1d.吸振质量，1e.第一螺栓孔，1f.第二螺栓孔；
2a.第二安装平面，2b.第一预紧力调整面，2c.第二预紧力调整面，2d.第一摩擦接触面，2e.第二摩擦接触面，2f.第三螺栓孔，2g.第四螺栓孔，2h.第一预紧螺栓孔，2i.第二预紧螺栓孔；
a.第一水平非线性摩擦接触面，b.第二水平非线性摩擦接触面，c.第一竖直非线性摩擦接触面，d.第二竖直非线性摩擦接触面。
具体实施方式
为使本发明的技术方案与要点更加明确，下面将结合图1-图8和具体实例对发明进行完整的描述。
如图1所示，本发明公开了一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置B安装于动量轮A的动量轮轮辐11上，用于吸收-耗散动量轮A的振动能量，降低其振动响应，以保障航天器平台的指向精度、姿态稳定度和成像质量。
如图2所示，单个所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置B包括减振弹片1、辅助支架2、第一安装螺栓3、第二安装螺栓4、第一安装螺母5、第二安装螺母6、第一拧紧螺母7、第二拧紧螺母8、拧紧螺栓9和第三拧紧螺母10。在所述动量轮A的每个动量轮轮辐11处，均放置所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置B，以实现振动能量的高效转移-耗散。所述第一安装螺栓3和第二安装螺栓4从上方依次穿过辅助支架2、减振弹片1和动量轮轮辐11，利用第一安装螺母5和第二安装螺母6将辅助支架2与减振弹片1连为一体，利用第一拧紧螺母7和第二拧紧螺母8将减振弹片1固定在动量轮轮辐11上；在第一拧紧螺母7和第二拧紧螺母8的预紧下，第一弧面1a和第二弧面1c与动量轮轮辐11之间分别形成第一水平非线性摩擦接触面a和第二水平非线性摩擦接触面b。所述拧紧螺栓9穿过第一、第二预紧力调整面2b和2c的第一、第二预紧螺栓孔2h和2i，与第三拧紧螺母10配合。在第三拧紧螺母10的预紧下，第一、第二摩擦接触面2d和2e与吸振质量1d的两个侧边接触，分别形成第一竖直非线性摩擦接触面c和第二竖直非线性摩擦接触面d。
如图3所示，所述减振弹片1设置有第一弧面1a、第一安装平面1b、第二弧面1c和吸振质量1d。所述第一安装平面1b上设有第一螺栓孔1e和第二螺栓孔1f，所述第一安装平面1b左侧为第一弧面1a，右侧为第二弧面1c。所述吸振质量1d位于第二弧面1c的末端，构成动力吸振器的质量振子部分。所述第一弧面1a和第二弧面1c的形状尺寸为减振弹片1刚度的主要影响因素，吸振质量1d的形状尺寸为减振弹片1质量的主要影响因素，刚度和质量共同确定了减振弹片1的共振频率。根据动力吸振器的工作原理，减振弹片1的共振频率应设计在动量轮A的主要工作频率附近，以实现振动能量的高效转移，即第一弧面1a、第二弧面1c和吸振质量1d的形状尺寸由动量轮A的主要工作频率确定。第一安装螺栓3和第二安装螺栓4依次穿过辅助支架2、减振弹片1与动量轮轮辐11，后分别用第一拧紧螺母7和第二拧紧螺母8的拧紧。通过调整第一拧紧螺母7和第二拧紧螺母8的拧紧力矩，可实现对第一弧面1a、第二弧面1c与动量轮轮辐11之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二水平非线性摩擦接触面a和b产生高效干摩擦迟滞耗能。
如图4所示，所示辅助支架2设置有第二安装平面2a、第一预紧力调整面2b、第二预紧力调整面2c、第一摩擦接触面2d和第二摩擦接触面2e。所述拧紧螺栓9穿过第一预紧力调整面2b和第二预紧力调整面2c，后用第三拧紧螺母10固定。通过调整第三拧紧螺母10的拧紧力矩，可实现对第一、第二摩擦接触面2d和2e与吸振质量1d之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二竖直非线性摩擦接触面c和d产生高效干摩擦迟滞耗能。第一摩擦接触面2d与第二摩擦接触面2e上设计有数个凸台，吸振质量1d在振动时与凸台之间产生非线性干摩擦，实现振动能量的高效耗散，凸台的结构形式和数量可根据具体的使用需求进行优化设计。其中，第二安装平面2a上设有第三、第四螺栓孔2f、2g；第一、第二预紧力调整面2b和2c对称布置，其上分别设有第一、第二预紧螺栓孔2h和2i，第一预紧螺栓孔2h和第二预紧螺栓孔2i对称布置；第一、第二摩擦接触面2d和2e对称布置。
如图5和图6所示，第一弧面1a、第二弧面1c与动量轮轮辐11之间分别形成第一水平非线性摩擦接触面a和第二水平非线性摩擦接触面b，第一摩擦接触面2d、第二摩擦接触面2e与吸振质量1d之间分别形成第一竖直非线性摩擦接触面c和第二竖直非线性摩擦接触面d。当动量轮轮辐11沿水平方向振动时，动量轮轮辐11与减振弹片1在第一水平非线性摩擦接触面a和第二水平非线性摩擦接触面b上产生相对运动，实现高效的干摩擦迟滞耗能；当动量轮轮辐11沿竖直方向振动时，减振弹片1与辅助支架2在第一竖直非线性摩擦接触面c和第二竖直非线性摩擦接触面d上产生相对运动，实现高效的干摩擦迟滞耗能；而当动量轮沿其余方向振动时，在四个非线性摩擦接触面上均产生相对运动，实现高效的干摩擦迟滞耗能。即所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置的减振性能对动量轮的振动方向不敏感，具有载荷适应性强的优点。
如图1和图2所示，为避免多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置的引入产生附加不平衡量，在实际应用中，多个吸振-耗能装置应沿周向等角度均匀布置，且吸振-耗能装置的数量应至少为4个。在本实例中，吸振-耗能装置的数量为5个。
本发明的吸振-耗能装置兼具吸振器与阻尼器的优点。作为吸振器，通过改变第一弧面1a、第二弧面1c和吸振质量1d的结构尺寸调整减振弹片1的固有频率，在该固有频率下，所述减振弹片1发生共振，实现对动量轮振动能量的吸收；对动量轮A不平衡量引起的简谐激励，减振弹片1的固有频率设计值接近或等于转速频率；对外界施加的冲击激励或白噪声激励，减振弹片1的固有频率设计值接近或等于动量轮A的振动主频。作为阻尼器，动量轮A振动时，在第一水平非线性摩擦接触面a，第二水平非线性摩擦接触面b，第一竖直非线性摩擦接触面c，第二竖直非线性摩擦接触面d上产生干摩擦迟滞耗能，实现振动能量由动量轮A向减振弹片1转移过程中的高效耗散。
图7所示为不带该吸振-耗能装置的动量轮结构在升速过程中的响应瀑布图示意图，图8所示为带该吸振-耗能装置的动量轮结构在升速过程中的响应瀑布图示意图。对比可知：加入该吸振-耗能装置后，动量轮的响应显著下降，说明该吸振-耗能装置的减振效果明显。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，用于实现动量轮振动能量的高效转移-耗散，进而降低其振动响应，其特征在于：所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置包括减振弹片、辅助支架、第一安装螺栓、第二安装螺栓、第一安装螺母、第二安装螺母、第一拧紧螺母、第二拧紧螺母、拧紧螺栓和第三拧紧螺母；
所述减振弹片设置有第一弧面、第一安装平面、第二弧面和吸振质量；
所示辅助支架设置有第二安装平面、第一预紧力调整面、第二预紧力调整面、第一摩擦接触面和第二摩擦接触面；
所述第一安装螺栓和第二安装螺栓从上方依次穿过辅助支架、减振弹片和动量轮轮辐，利用所述第一安装螺母和第二安装螺母将辅助支架与减振弹片连为一体，利用第一拧紧螺母和第二拧紧螺母将减振弹片固定在动量轮轮辐上；在第一拧紧螺母和第二拧紧螺母的预紧下，所述第一弧面和第二弧面与动量轮轮辐之间分别形成第一水平非线性摩擦接触面和第二水平非线性摩擦接触面；
所述拧紧螺栓穿过第一、第二预紧力调整面的第一、第二预紧螺栓孔，与所述第三拧紧螺母配合；在所述拧紧螺栓的预紧下，第一、第二摩擦接触面与吸振质量的两个侧边接触，分别形成第一竖直非线性摩擦接触面和第二竖直非线性摩擦接触面。
2.根据权利要求1所述的一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，其特征在于：多个所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置沿动量轮的周向等角度均匀布置，且其数量至少为4个。
3.根据权利要求1所述的一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，其特征在于：所述减振弹片的第一弧面、第二弧面和吸振质量的形状尺寸由动量轮的主要工作频率确定。
4.根据权利要求1所述的一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，其特征在于：通过调整所述第一拧紧螺母和第二拧紧螺母的拧紧力矩，实现对第一、第二弧面与动量轮轮辐之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二水平非线性摩擦接触面产生高效干摩擦迟滞耗能。
5.根据权利要求1所述的一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，其特征在于：通过调整所述第三拧紧螺母的拧紧力矩，实现对第一、第二摩擦接触面与吸振质量之间接触压力的最优化控制，保证第一、第二竖直非线性摩擦接触面产生高效干摩擦迟滞耗能。
6.根据权利要求1所述的一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，其特征在于：所述第一、第二摩擦接触面上设置数个凸台，所述吸振质量在振动时与所述凸台之间产生非线性干摩擦，实现振动能量的高效耗散。
7.根据权利要求1所述的一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，其特征在于：所述多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置兼具吸振器与阻尼器的作用；作为吸振器，通过改变第一弧面、第二弧面和吸振质量的结构尺寸调整所述减振弹片的固有频率，在该固有频率下，所述减振弹片发生共振，实现对动量轮振动能量的吸收；作为阻尼器，动量轮振动时，在第一水平非线性摩擦接触面、第二水平非线性摩擦接触面、第一竖直非线性摩擦接触面和第二竖直非线性摩擦接触面产生干摩擦迟滞耗能，实现振动能量由动量轮向所述减振弹片转移过程中的高效耗散。
8.根据权利要求7所述的一种用于动量轮的多摩擦接触面非线性吸振-耗能装置，其特征在于：当其作为吸振器时，对动量轮不平衡量引起的简谐激励，所述减振弹片的固有频率设计值接近或等于转速频率；对外界施加的冲击激励或白噪声激励，所述减振弹片的固有频率设计值接近或等于动量轮的振动主频。
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