CN117588511A - 一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器 - Google Patents

Abstract

一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，构成包括结构框架、弹簧、弹簧压紧块、振子、阻尼片和轴套。其原理为在与吸振器频率一致的受迫振动下，振子往复运动，带动阻尼片运动，利用阻尼片的内阻尼和相互之间的摩擦来将机械能转变为热能，达到快速衰减振动能量/幅值的作用。其核心思想是基于空间环境中存在的振动、真空、辐射等因素，采用满足空间环境要求的材料和防冷焊设计，通过调节振子的质量(m)和支撑刚度(k)来调节系统频率，通过橡胶阻尼片的数量来调节阻尼大小(c)，来适应不同的使用需求。本发明可安装在空间环境产品上，快速衰减由于自激或受迫激励导致的振动，具有结构紧凑、安装灵活、便于调节、环境适应性和可靠性高的优点。

Description

一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器

技术领域

本发明涉及空间产品振动抑制技术领域，特别是一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，主要用于快速衰减空间产品(尤其是精密光机设备和高精度指向机构)由于自激或者受迫激励导致的振动。

背景技术

空间产品尤其是精密光机设备和高精度指向跟踪机构广泛应用于激光通信、激光雷达和对地观测等领域。精密的光学仪器产品在制造过程中经过仔细的装调和测试来满足其微米级的位置公差要求，空间产品在主动段发射过程中需要经历的力学振动环境是对光学仪器性能的重大挑战，因此十分必要对其进行振动抑制。高精度指向跟踪机构常用于激光通信和激光武器领域，其指向跟踪的目标较远，距离在几百公里至几万公里，对于指向机构的精度要求在微弧度量级。在激光通信和激光武器领域，高精度指向跟踪机构的负载为光学天线或者大口径的反射镜，刚度较高而自身阻尼较小，特别是在使用压电电机作为驱动机构时，系统的响应速度快，频率高，在进行指向跟踪的过程中，由于频繁的转向和启停，会产生自激振动，出现在目标位置附近的震荡，影响跟瞄效果，对振动抑制有着明确的需求。

空间产品由于其具有力学振动条件苛刻、高真空度、宇宙辐射和高可靠性等特点，对材料的选用，润滑处理，密封方式，抗辐照设计和小型化/轻量化设计均提出了要求。常规的液体和气体阻尼器在高真空工况下难以使用，可靠的密封需要较大的资源消耗。目前，空间产品上主要为对整星或者整机类产品进行减振和吸振，隔振平台同时也是安装支承结构，和整体结构设计的耦合关系较强，难以针对局部的敏感区域敏感频率点进行针对性的减振吸振。采用的阻尼材料多为一体式的金属或橡胶块，不利于灵活调整阻尼大小，未利用多接触面摩擦来增加能量耗散。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，该减震器结构简单紧凑，可靠性高，采用防冷焊设计和抗辐照设计，安装使用灵活，可在不改变原有产品整体构型的情况下，通过附加安装吸振器，来衰减空间产品(尤其是精密光机设备和高精度指向机构)由于自激或者受迫激励导致的振动，提高空间产品的可靠性和稳定性，规避研制风险，缩短研制周期，降低研制成本。

本发明的技术构思是：空间产品上的精密光机设备和高精度指向机构通常具有高刚度，低阻尼的特点，在受迫或者自激振动中，振动响应的幅值较大，衰减时间较长，对产品安全性和性能造成了较大的挑战。本发明采用质量块-振子-弹簧-橡胶阻尼片的组合，将吸振器的谐振频率点调节到与需要产品需要减振的频率点一致，在空间产品发生振动时，引起吸振器的共振，振子在吸振器内进行往复运动，带动与振子连接的橡胶阻尼片发生变形和相互摩擦，将机械能转变为热能，从而快速衰减振动能量，抑制空间产品的振动幅值，提高执行精度。

本发明的构成包括结构框架、弹簧、弹簧压紧块、振子(质量可调)、橡胶阻尼片和轴套。其工作原理为在与吸振器频率一致的受迫振动下，吸振器振子往复运动，带动与之相连接的橡胶阻尼片运动，利用橡胶阻尼片的内阻尼和相互之间的摩擦来将机械能转变为热能，达到快速衰减振动能量/幅值的作用。

本发明基于空间环境中存在的振动、真空、辐射等因素，吸振器采用满足空间环境使用要求的固体材料制作，无泄漏、多余物等风险。减摩轴套采用自润滑效果、抗辐照能力和结构强度较好的聚酰亚胺材料，同时聚酰亚胺和304不锈钢组成的摩擦副可以有效的防止空间冷焊的发生。通过调节振子的质量(m)和支撑刚度(k)来调节整个振动系统的频率，通过橡胶阻尼片的数量来调节阻尼大小(c)，来适应不同的使用需求。

本发明设计了矩形安装框架，可根据使用场景灵活调整为全封闭式和半敞开式构型，框架整体使用铝合金制成，具有良好的导热能力，同时可配合不同的表面热控处理状态实现更加灵活的热控设计。

本发明设计了一款十字形弹簧振子，将弹簧和阻尼片对称连接在一起，并可沿轴向发生运动。

本发明设计了可调节的弹簧振子质量和弹簧刚度，可以对阻尼器的谐振频率进行调节。

本发明设计了聚酰亚胺配304不锈钢的运动摩擦副，可实现固体自润滑，同时避免产生空间冷焊效应。

本发明设计了薄片叠堆式固体阻尼器，使用0.5～1mm的橡胶阻尼片叠堆使用，可降低阻尼片的刚度，增加变形量，产生多接触面摩擦耗能，提高吸振效果；亦可灵活调整所需的阻尼系数。

本发明设计了中心开槽式橡胶阻尼片，通过在矩形橡胶阻尼片上开槽，实现振动方向的刚度降低，实现振动方向的变形。

本发明设计了迷宫式放气孔，可在地面试验阶段快速平衡气压变化，在发射阶段迅速放气并阻止多余物进入。

封闭式抗辐射框架为内部零部件提供安装接口、结构支撑和抗辐射屏蔽，扁平十字型振子安装在整个产品的中心位置，其两端细长的振子轴穿过安装在框架上的防冷焊轴套结构，两个对称的弹簧与振子轴同轴，装在振子轴外侧，通过安装在轴套上的压紧结构给振子提供弹性支承，使其保持居中的初始位置，振子上可以安装用来微调谐振频率的质量块。丁腈橡胶阻尼片上共三个安装孔位，两端的安装孔位与结构框架连接，为固定端；中间的孔位与振子连接，为运动端。阻尼片常规为每组两片，上下各一组，左右各一组，可根据需求调整阻尼片的数量来起到增大或者减小阻尼的效果。阻尼片两片为一组，每片阻尼片上加工有规律排布的通槽，用以降低阻尼片的刚性，增大变形量，同时两片一组，在振动过程中相互间的摩擦作用也可加快能量的耗散。防冷焊轴套为两层结构，外层为铝合金材料，提供结构支承，内层为聚酰亚胺衬套，与振子轴接触，为间隙配合。聚酰亚胺衬套可以降低接触摩擦系数，是良好的自润滑材料，同时摩擦副材料为聚酰亚胺配304不锈钢(振子材料)可避免在高真空环境下产生冷焊效应。在框架的两侧中心对称分布迷宫放气结构，可以快速平衡常压下的吸振器内外气压，同时不影响抗辐照能力和防尘能力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)基于空间环境中存在的振动、真空、辐射等因素，吸振器采用满足空间环境要求的固体材料制作，活动部件采取防冷焊设计，通过调节振子的质量(m)和支撑刚度(k)来调节系统频率，通过橡胶阻尼片的数量来调节阻尼大小(c)，来适应不同的使用需求。

2)整个结构形式为全固态设计，无空间环境中难以使用的气、液形态，同时结构紧凑，质量轻，抗辐照能力强，可灵活的布置在所需要的位置。

3)可安装在空间环境产品上，快速衰减由于自激或者受迫激励导致的产品振动，具有结构紧凑、安装灵活、便于调节、环境适应性和可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器结构示意图；

图2为本发明提供的一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器剖面示意图；

图3为本发明提供的迷宫式放气孔结构示意图。

图4为本发明一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器的使用状态图。

图中：1—框架；2—调节套筒；3—十字型振子；4—质量调节片；5—弹簧；6—阻尼片；7—横梁；8—减摩轴套；9—盖板；10—迷宫放气结构；11—放气底座；12—放气盖板；13—本发明；14—俯仰轴系；15—方位轴系；16—基座。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，图2，为本发明一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器的结构示意图。由图可见，本发明包括：框架1；调节套筒2；十字型振子3；质量调节片4；弹簧5；阻尼片6；横梁7；减摩轴套8；盖板9；迷宫放气结构10。其装配关系如下：

框架1和横梁7是整个装置的结构基础，为其他零件提供安装和固定基础。减摩轴套8安装在框架1的两侧，使用螺钉固定，其内孔为十字型振子3提供径向约束和支撑，轴向自由度释放。十字型振子3沿轴向两侧分别安装一个弹簧5，通过弹簧5的支撑，使得十字型振子3在非工作状态稳定在装置的中间位置，十字型振子3两侧通过螺钉螺母与阻尼片6连接，阻尼片6的两端连接在框架1上的固定孔位，并可多片叠加。调节套筒2安装在减摩轴套8上，端面用来支撑弹簧5。质量调节片4安装在十字型振子3的质心位置，用来调节系统的谐振频率。盖板9上下安装在框架1上，将装置密封起来，并提供散热接口，支持定制化设计。迷宫放气结构10安装在框架1两侧，对称分布。迷宫放气结构10由放气底座11和放气盖板12组成，如图3，形成一个迷宫式放气道，可有效防止多余物进入，同时不影响真空放气。

安装完成后十字型振子3在装置内部可以沿轴向进行一维往复运动，带动阻尼片变形和摩擦，从而实现机械能到热能的转换，到达吸振的效果。

整个结构形式为全固态设计，无空间环境中难以使用的气、液形态，同时结构紧凑，质量轻，抗辐照能力强，可灵活的布置在所需要的位置。

在使用空间环境用频率可调固态阻尼吸振器时，首先需要测试并明确希望吸振的频率点，可通过稳态正选激振法结合运动控制的残差做FFT分析来获得。

根据测试分析的结果在需要减震的方向上布置已经进行频率匹配的固态阻尼吸振器，安装位置放置在适合安装的响应最大处，吸振器振子轴向与振动方向平行。

图4展示了一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器的应用场景，可布置在俯仰轴系远端，来抑制俯仰轴高频往复运动时带来的结构自激振效应。

本发明提供一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，该减震器结构简单紧凑，可靠性高，采用防冷焊设计和抗辐照设计，安装使用灵活，可在不改变原有产品整体构型的情况下，通过附加安装吸振器，来衰减空间产品(尤其是精密光机设备和高精度指向机构)由于自激或者受迫激励导致的振动，提高空间产品的可靠性和稳定性，规避研制风险，缩短研制周期，降低研制成本。

Claims (6)

1.一种空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，其特征在于，包括：框架、调节套筒、十字型振子、质量调节片、弹簧、阻尼片和减摩轴套；

所述减摩轴套嵌套在所述框架两侧，所述十字型振子沿轴向两侧分别套设有弹簧，通过所述弹簧的支撑，使得十字型振子在非工作状态稳定在装置的中间位置，该十字型振子的两端伸入所述减摩轴套的中心孔内，从而对其提供径向约束和支撑，释放轴向自由度，所述十字型振子与阻尼片连接，该阻尼片的两端固定在框架上；所述调节套筒安装在减摩轴套上，端面用来支撑弹簧；所述质量调节片安装在十字型振子的质心位置，用来调节系统的谐振频率；所述十字型振子在框架内部沿轴向进行一维往复运动，带动所述阻尼片变形和摩擦，从而实现机械能到热能的转换，到达吸振的效果。

2.根据权利要求1所述的空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，其特征在于，还包括对称安装在框架两侧的迷宫放气结构，该迷宫放气结构由放气底座和放气盖板组成，形成一个迷宫式放气道，防止多余物进入，同时不影响真空放气。

3.根据权利要求1所述的空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，其特征在于，还包括盖板，安装在所述框架的上下表面，将装置密封起来，并提供散热接口。

4.根据权利要求1所述的空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，其特征在于，还包括迷宫放气结构，该迷宫放气结构由放气底座和放气盖板组成，可有效防止多余物进入，同时不影响真空放气。

5.根据权利要求1所述的空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，其特征在于，所述吸振器的内腔表面为铝合金黑色阳极氧化处理，外表面可以根据散热使用需求情况选择白漆、黑色阳极氧化或者不做处理。

6.根据权利要求1所述的空间环境用频率可调固态阻尼吸振器，其特征在于，所述阻尼片为橡胶阻尼片，可多片叠加使用，降低阻尼片的刚度，增加变形量，同时相互间的摩擦作用可以加快能量耗散。