CN107559371B - 一种基于磁流变技术的半主动隔振器 - Google Patents
一种基于磁流变技术的半主动隔振器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于磁流变技术的半主动隔振器,将磁流变液用于控制力矩陀螺、飞轮及载荷整机结构振动控制,可以实现半主动控制,可通过改变磁场来改变磁流体的阻尼及刚度,满足发射段抗力学环境要求和在轨段的振动隔离与抑制需求,体积小、重量轻、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔振器,特别是一种基于磁流变技术的半主动隔振器,适用于对星上执行机构或载荷宽频低振动进行隔离和抑制,属于航天器隔振技术领域。
背景技术
随着我国军事详查、精确掌握战场动态、精密制导、打击效果评估等领域的快速发展,卫星平台姿态精度和稳定度的要求日益提高,同时载荷等对平台的振动指标要求也越来越高。为了减小传递至卫星平台的振动,提高卫星平台姿态精度和稳定度,通常采用的有效方式为在执行机构(控制力矩陀螺)、载荷与卫星平台之间安装隔振器。,1990年发射的“哈勃”太空望远镜、1999年发射的Chandra-X射线望远镜以及正在建造的“韦伯”太空望远镜均在扰振源之一——姿态控制飞轮上安装了被动隔振装置。1999年发射的EOS-AM1卫星为减小有效载荷的振动,采用了在有效载荷安装座上增加粘弹性材料的被动减振方法以及采用压电作动器的主动隔振方法。2006年发射的TacSat2对地观测卫星安装了主被动集合的有效载荷隔振装置。2009年发射的WorldView-2卫星为了获得高品质的图像,同时对控制力矩陀螺与相机采取了隔振措施。
以控制力矩陀螺为例,控制力矩陀螺高速转子在高速旋转过程中,将产生宽频微幅振动,成为星上主要的振源之一,需要用隔振器将控制力矩陀螺产生的振动与卫星平台隔离。隔振器产品要具有较好的在轨微振动隔离性能,就要求隔振器具有比较低的刚度和适当小的阻尼;要具有较好的抗主动段力学环境性能却要求隔振器具有较高的刚度和大阻尼;这两个要求相互制约。
传统的隔振器主要是被动式结构,多以减小或削弱特定频点的设计为主,结构尺寸、构型及重量与被隔振对象相关。这种结构抗主动段力学性能能力弱,难以兼顾在轨和发射段的不同需求。J.Spanos提出了主被动结合的隔振器设计,主要采用以机械弹簧为被动部分,音圈电机作动器为主动部分的隔振器实现了对卫星动量轮的六自由度隔振,可以针对振动频率中相对低频的频率成分进行隔振,而且在可以抗主动段力学影响。但结构相对复杂。目前已有的专利或已申请的专利还未在轨应用,技术实现复杂,可靠性还有待验证。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种基于磁流变技术的半主动隔振器,通过改变电磁线圈的电流大小和方向来改变磁场方向、强度,从而调节磁流变液的阻尼力和刚度,适用于航天器上执行机构、载荷及其他有隔振需求的产品。
本发明的技术解决方案是:一种基于磁流变技术的半主动隔振器,其特征在于:包括密封端盖、安装端波纹管、激磁线圈、阻尼板、连接端波纹管、连接端盖;
所述安装端波纹管一端与连接端波纹管一端固定连接,所述安装端波纹管另一端采用密封端盖进行密封,所述连接端波纹管另一端采用连接端盖进行密封,所述安装端波纹管、连接端波纹管、密封端盖与连接端盖组成密闭的充液腔,所述充液腔内充有磁流体;
所述阻尼板位于所述充液腔内,将所述充液腔分为两部分;
所述阻尼板上装有用于所述两部分充液腔内磁流体的相互交换的阻尼孔;
所述激磁线圈环绕在安装端波纹管、连接端波纹管外部与阻尼板对应位置处。
进一步地,还包括安装座,所述安装座为一端开口的空心柱结构,所述安装端波纹管与连接端波纹管固定安装在所述安装座内。
所述安装座、安装端波纹管、密封端盖、阻尼板、连接端波纹管、连接端盖通过焊接的方式连成一体。
所述安装座与连接端波纹管为一体成型结构。
所述安装座设有用于激磁线圈走线的出线孔。
进一步地,还包括包裹在激磁线圈周围的线圈保护套。
所述阻尼孔至少两个。
所述阻尼孔的数量与单个阻尼孔截面积的乘积构成阻尼孔面积A,阻尼孔面积A与阻尼板所受阻尼力F、以及阻尼板的截面积A0满足如下关系式:
F=kA3/A0 1.5,
其中,k为正常数。
所述磁流体为MRF-122EG磁流变液。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明将磁流变液用于控制力矩陀螺、飞轮及类似载荷的振动控制,结构简单可靠,可以实现半主动控制。针对控制力矩陀螺、飞轮产生的宽频微幅振动,具有隔振效果好、隔振范围宽的优点,可以实现对星上执行机构或载荷宽频低振动进行隔离和抑制;同时又可实现很好的抗力学环境性能;
(2)本发明设计了基于磁流变液的可变刚度、阻尼结构,这种结构通过改变电磁线圈的电流大小和方向来改变磁场方向、强度,用来调节磁流变液的阻尼力和刚度,可以极大地提高振动抑制与隔离的针对性和有效性;
(3)本发明设计了基于磁流变液的可变刚度、阻尼结构,可以实现较低的刚度和适当小的阻尼,实现了较好的在轨微振动隔离性能;
(4)本发明设计了基于磁流变液的可变刚度、阻尼结构,可以实现较高的刚度和大阻尼,实现了较好的抗主动段力学性能;解决了在轨段和发射段的振动隔离与抑制要求相互矛盾的问题;
(5)本发明设计了基于波纹管的磁流变液密封结构,这种结构在磁流体失效的情况下,还可作为减振弹簧和流体阻尼器使用,提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明剖面示意图。
图2为本发明在不同磁场状态下的磁流体示意图。
具体实施方式
如图1所示基于磁流变技术的半主动隔振器,包括安装座1、密封端盖2、安装端波纹管3、线圈保护套4、激磁线圈5、连接端波纹管7、阻尼板6、连接端盖8。
安装端波纹管3和密封端盖2、阻尼板6构成第一充液腔,连接端波纹管7和连接端盖8、阻尼板6构成第二充液腔,第一充液腔和第二充液腔用于充满磁流体,典型的磁流体如美国Lord公司提供的型号MRF-122EG的磁流变液。
阻尼板6上设计有阻尼孔,磁流体通过阻尼孔在第一充液腔和第二充液腔进行交换,产生阻尼。阻尼孔至少2个,直径1mm。阻尼孔的个数和直径根据需要来进行设计,当阻尼板6的截面积确定的时候,需要大的阻尼效果时,可以适当减小阻尼孔的个数(至少2个)和直径。
阻尼力F与阻尼孔面积(所有阻尼孔的总面积A)以及阻尼板6的截面积A0关系如下:
F=kA3/A0 1.5。
安装端波纹管3、密封端盖2、阻尼板6、连接端波纹管7、连接端盖8通过焊接的方式连成一体。焊接后,应检查漏率,确保使用时磁流体不发生泄漏。根据安装端波纹管3的波高、节距和厚度对隔振器的弹性进行调节。
密封端盖2上设计有密封螺孔,连接端盖8上设计有充液孔,充液孔用于往第一充液腔和第二充液腔内充入磁流体,充满后用密封螺孔进行密封(实际操作过程中建议产品竖直放置,密封螺孔在上,充液孔在下,便于排出腔内气体)。密封螺孔使用自密封螺钉(螺钉螺纹采用55°或者60°管螺纹,后者在螺钉螺纹上涂密封胶)进行锁紧和密封,防止磁流体的泄露。
安装座1用于固定减振器,设计有安装螺孔,安装螺孔螺纹大小根据发射时的力学冲击来选择,对于重量约10kg的减振对象,安装座1螺纹一般选择M6及以上即可满足需要。连接端盖8上也设计有安装螺孔,用于固定减振对象(控制力矩陀螺、飞轮或者其他载荷)。安装盖与连接端波纹管7通过螺钉或者焊接成一体(设计时也可将安装盖和连接端波纹管7设计成一体)。
激磁线圈5产生电流来改变磁流体的内阻尼特性,设计在安装端波纹管3、固紧端波纹管6与安装座1之间,安装座1设计有出线孔用于激磁线圈5走线。
结合附图2说明本发明的几种工作状态如下:
在发射的主动段是,将激磁线圈5通电,加大减振器刚度,避免火箭产生的振动对减振对象造成破坏,如图2中的c)强磁场状态。
在轨工作时,根据星体的振动情况,调节激磁线圈5的电流,从而改变减振器刚度、加大减振器的阻尼,从而避免减振对象产生的振动对星体造成影响,如图2中的b)弱磁场状态。
如果激磁线圈5或者其线路失效,磁流体仅靠本身的流体特性和波纹管的弹簧特性起作用,磁流体如如图2中的a)无磁场状态。
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 (3)
1.一种基于磁流变技术的半主动隔振器,其特征在于:包括密封端盖(2)、安装端波纹管(3)、激磁线圈(5)、阻尼板(6)、连接端波纹管(7)、连接端盖(8);
所述安装端波纹管(3)一端与连接端波纹管(7)一端固定连接,所述安装端波纹管(3)另一端采用密封端盖(2)进行密封,所述连接端波纹管(7)另一端采用连接端盖(8)进行密封,所述安装端波纹管(3)、连接端波纹管(7)、密封端盖(2)与连接端盖(8)组成密闭的充液腔,所述充液腔内充有磁流体;
所述阻尼板(6)位于所述充液腔内,将所述充液腔分为两部分;磁流体通过阻尼孔在第一充液腔和第二充液腔进行交换,产生阻尼;
所述阻尼板(6)上装有用于所述两部分充液腔内磁流体的相互交换的阻尼孔;
所述激磁线圈(5)环绕在安装端波纹管(3)、连接端波纹管(7)外部与阻尼板对应位置处;
还包括安装座(1),所述安装座(1)为一端开口的空心柱结构,所述安装端波纹管(3)与连接端波纹管(7)固定安装在所述安装座(1)内;
所述安装座(1)、安装端波纹管(3)、密封端盖(2)、阻尼板(6)、连接端波纹管(7)、连接端盖(8)通过焊接的方式连成一体;或所述安装座(1)与连接端波纹管(7)为一体成型结构;
所述安装座(1)设有用于激磁线圈(5)走线的出线孔;
还包括包裹在激磁线圈(5)周围的线圈保护套(4);
所述阻尼孔至少两个。
2.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的半主动隔振器,其特征在于:所述阻尼孔的数量与单个阻尼孔截面积的乘积构成阻尼孔面积A,阻尼孔面积A与阻尼板(6)所受阻尼力F、以及阻尼板(6)的截面积A0满足如下关系式:
F=kA3/A0 1.5,
其中,k为正常数。
3.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的半主动隔振器,其特征在于:所述磁流体为MRF-122EG磁流变液。
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