[發明專利]磁懸浮飛輪可重復抱式鎖緊裝置用彈片的設計方法

有效

• 申請號: 201510355363.1
• 申請日: 2015-06-24
• 公開（公告）號: CN104899400B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 劉強;陳家慶;曹建樹;葉郭波;焦向東;周天宇;郭永春
• 申請（專利權）人: 北京石油化工學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,付久春

技術領域

本發明涉及磁懸浮飛輪可重復抱式鎖緊裝置用彈片的設計領域，特別是大型航天器用大慣量磁懸浮飛輪和大型磁懸浮控制力矩陀螺鎖緊裝置用彈片的設計方法。

背景技術

隨著航天技術的發展，為滿足對航天器定姿、定軌精度越來越高的要求，通常采用反作用飛輪和偏置動量輪控制衛星平臺。磁懸浮飛輪是一種新型航天器姿態控制系統，與傳統機械飛輪相比，在控制精度和使用壽命等方面具有明顯優勢。由于磁懸浮飛輪定、轉子間存在一定的磁保護間隙，為防止發射主動段飛輪定、轉子相互碰撞沖擊而損壞，飛輪系統必須采用鎖緊機構，對其進行鎖緊約束保護。

根據鎖緊裝置在磁懸浮飛輪中的位置，鎖緊裝置可分為內鎖緊裝置和外鎖緊裝置。根據鎖緊/解鎖次數，鎖緊裝置可分為一次性鎖緊裝置和可重復鎖緊裝置。航天器發射前，磁懸浮飛輪必須完成各種地面環境試驗，需經常對其進行鎖緊/解鎖。此外，變軌工作時，為防止自由狀態的飛輪對姿控平臺的干擾，也需將其鎖緊；入軌后，再對飛輪轉子進行解鎖。目前所使用的可重復鎖緊裝置主要有電磁鎖緊裝置、基于電機-錐面鎖蓋鎖緊裝置、基于電機-杠桿鎖緊裝置和抱式鎖緊裝置。專利申請號200810119968.0所述的電磁鎖緊裝置，通過控制電磁鐵的電磁磁場與永磁磁場正/反向疊加，實現飛輪的重復鎖緊/解鎖。但鎖緊啟動力與解鎖間隙成反比，且解鎖間隙不可調整，對鎖緊裝置的裝配調試帶來極大不便。工作時，一般在飛輪底座上沿圓周方向安裝三至四個電磁鎖緊裝置，使得執行鎖緊和執行解鎖時，對電磁鐵動作的同步性要求較高。此外，若任一電磁鎖緊裝置失效，就會導致磁懸浮飛輪系統不能執行鎖緊和解鎖，降低了鎖緊裝置的可靠性。專利申請號201210338347.8所述的基于電機-錐面鎖蓋鎖緊裝置，通過電機正/反轉，驅動錐面鎖蓋壓緊/松開飛輪轉子，實現了飛輪的重復鎖緊/解鎖。錐面鎖蓋放置于定子芯軸徑向內側，減小了飛輪體積和重量，但錐面鎖蓋錐面的約束面積較小，鎖緊約束剛度偏低，導致振動過程中大慣量磁懸浮飛輪定、轉子間振動位移較大。專利申請號200910093150.0所述的抱式鎖緊裝置，利用彈片作為伸張機構，利用鋼絲繩作為收緊機構，通過電機正/反轉，驅使收緊機構將伸張機構收攏/松開，從而抱緊/釋放飛輪轉子，實現飛輪的重復鎖緊/解鎖。該鎖緊裝置與電磁鎖緊裝置相比，當鎖緊裝置發生故障時，采用火工品斬斷鋼絲繩對飛輪進行強制解鎖，增加了執行解鎖可靠性，且彈片行程可調，即解鎖間隙可調，具有裝配調試方便的優點。與基于電機-錐面鎖蓋鎖緊裝置相比，抱式鎖緊裝置的彈片與飛輪轉子邊緣接觸面積較大，增加了鎖緊的剛度，從而可更好地對大慣量飛輪轉子進行約束保護。

彈片作為可重復抱式鎖緊裝置的關鍵部件，其力學性能對飛輪系統的影響如下：(1)鎖緊狀態下的解鎖力決定了鎖緊裝置的解鎖可靠性；(2)鎖緊電機功率一定時，鋼絲繩張力保持不變，即解鎖力與鎖緊力之和為一定值，解鎖力越大鎖緊力越小，鎖緊可靠性越低；(3)鎖緊狀態下過大的彎曲應力可能導致彈片塑性變形；(4)解鎖狀態下，彈片處于自由狀態，其解鎖狀態一階共振頻率過低，會影響飛輪系統控制力矩精度；(5)鎖緊狀態下，即使鎖緊力能夠約束飛輪轉子，但過低的鎖緊剛度會導致發射主動段定、轉子間的振動位移過大，致使定、轉子間發生激烈的碰撞與沖擊；(6)發射主動段，飛輪轉子慣性力較大，過低的鎖緊阻尼不能夠及時吸收飛輪轉子動能，迫使振動位移進一步放大，也會導致激烈碰撞與沖擊的發生。因此如何設計出能滿足整個鎖緊裝置的鎖緊與解鎖可靠性、飛輪系統性能和飛輪鎖緊保護效果要求的彈片是需要解決的問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種磁懸浮飛輪可重復抱式鎖緊裝置用彈片的設計方法，能設計出高剛度高阻尼的磁懸浮飛輪用可重復抱式鎖緊裝置，解決現有小慣量磁懸浮飛輪鎖緊裝置設計方法以質量最小為優化目標的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種磁懸浮飛輪可重復抱式鎖緊裝置用彈片的設計方法，該方法以可重復抱式鎖緊裝置用彈片的鎖緊剛度和鎖緊阻尼綜合最優為設計目標，包括以下步驟：

步驟1，設定離散設計變量彈片個數為n＝i＝4；

步驟2，設定連續設計變量彈片高度h、彈片厚度t和彈片寬度w的初始值；

步驟3，采用有限元軟件ANSYS作為處理工具，利用設定的彈片個數和彈片高度h、彈片厚度t和彈片寬度w的初始值，分別建立以下彈片相關狀態的模型，具體為：