大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究

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1、第18卷第4期载人航天V01．18No．42012年7月MannedSpaceflight1大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究宋玉旺，一，韩邦成，魏学敏，房建成(1华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206；2北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)摘要针对大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架，进行频率、重量和体积的设计优化。针对单框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的工程化问题，设计了三种方案：单体带式、两体球壳和三体球壳等框架；经过频率、质量和工艺性的综合分析，选用了两体球壳框架的方案。采用先延长再剪切的

2、求交点方法，建立框架体参数化模型的封闭截面线；引入正交试验设计，分析几何参数对框架频率和重量的影响，取其中的主要影响因素为设计变量；以框架的频率为约束条件，以重量最小为目标进行设计优化。优化后质量较优化前减少了0．54kg，频率达到lO00Hz以上，满足磁悬浮控制力矩陀螺系统的控制稳定性要求。最后，给出了产品实例和额定转速的磁轴承位移波形图。关键词磁悬浮控制力矩陀螺；设计优化；正交试验；框架中图分类号：V448．22文献标识码：A文章编号：1674-5825(2012)04-0001-07在单框架MSCMG产品工程化过程中，框架伺1引言服系统

3、中体现的主要问题有三方面：(1)原理样机固控制力矩陀螺(ControlMomentGyroscope，定支撑的点过多，增加了航天器接口条件要求l7．8_，为CMG)是长期运行的大型航天器理想的姿态控制惯便于航天应用，应减少框架固定支撑点；(2)在满足性执行机构。根据其高速转子轴承的支撑方式，又可频率要求条件下，需要进一步减轻框架质量：国内关分为机械轴承支撑的机械CMG和磁轴承支撑的磁于MSCMG结构设计优化更多是集中在转子12]、密封悬浮控制力矩陀螺(MagneticallySuspendedControl罩【l3J和锁紧机构fl41方面，对

4、于框架仅考虑了传统带MomentGyroscope，MSCMG)两类。天空实验室【式框架结构的设计优化；(3)增加壳体密封防尘，提(Skylab)和国际空间站[2](ISS)上均采用双框架机械高整机的可靠性。CMG；而和平号空间站则采用单框架MscMG【3】。相对本文针对上述问题，研究工作从三个方面展开。机械CMG而言，MSCMG高速转子系统具有无接触、首先，综合比较了传统单体带式、两体球壳和三体球无需润滑、低振动、长寿命、高精度以及对振动可主壳等框架结构方案；其次，对两体球壳框架的主要结动控制等优点；单框架CMG结构简单且控制精度构参数，进

5、行了正交设计试验，选取了设计变量中影较高，实现工程化的难度相对较低，单框架MSCMG响“频率，质量”的主要影响因素；再次，以频率大于成为空间站和对地观测卫星等航天器实现高稳定1000hz为约束条件，以框架结构系统质量最小为目度、高精度姿态控制的一种解决方案。标，以主要影响因素为设计变量进行框架系统的设收稿日期：2011-05—10；修回日期：2011-08—07作者简介：宋玉旺(1980一)，男，博士，讲师，主要从事机电产品数字化设计方法与关键技术研究工作。E-mail：yuwangsong@buaaedu．cn第4期宋玉旺等：大中型磁悬浮控

6、制力矩陀螺的框架优化设计方法研究表1单体带式框架结构频率及振型表4三种框架结构设计方案特点对比分析阶次频率／(Hz)对应振型框架设计方案优点不足1546陀螺房绕框架轴转动、框架振动单体带式结构、加工和装配简单同等重量下频率低2856框架振动同等重量下频率较高，相对两体球壳，还要增加三体球壳加工和装配简单零件轴承套3883框架振动，重量较大41144框架振动两体球壳同等重量下频率最高加工和装配相对复杂51306框架振动径，并在两端各增加一个轴承套零件以保证左右端61623框架振动1框架轴从左右端口的顺利装配。因此，在保证相同频表2两体球壳框架结

7、构频率及振型率条件下，采用三体球壳框架设计方案的框架系统，其体积和质量都要大于两体球壳框架的设计方案。阶次频率／(I-Iz)对应振型经上述分析可知，两体球壳框架在质量和频率方1591陀螺房绕框架轴转动面优于传统的单体带式框架和三体球壳框架，具有质2851陀螺房上下振动，框架振动量轻、频率高的特点；其不足之处在于框架的加工和3952陀螺房左右振动，框架振动装配难度较大，提高了产品的生产成本和周期。俄罗41232陀螺房前后振动，框架振动斯在1987年“和平”号空间站将磁轴承技术应用于大型MSCMG时就采用了该种结构方案圈。为了实现产j51685陀

8、螺房转动，框架振动品质量最小的设计目标，本文的单框架MSCMG框架l61789陀螺房转动，框架转动伺服系统采用了两体球壳框架的设计方案。表3三体球壳框架结构频率及振