动力吸振器在斯特林制冷机振动控制中的应用

　　1 引言

　　斯特林制冷机因具有效率高、制冷范围宽、冷量大而广泛适用于红外系统、夜视侦查仪器、超导元器件的冷却。但是由于气体的交变流动和运动部件的高频运动会造成制冷机的振动，从而会影响冷却对象的性能。在国外，斯特林制冷机的减振技术被作为影响应用的关键技术被研究[1]。与主动减振技术相比，被动减振技术具有不耗电能、结构简单、可靠性高等优点。动力吸振器作为被动减振的主要方法，可以有效的减小制冷机的振动输出。

　　2 理论分析

　　影响斯特林制冷机的振动的因素很多主要有: 压机活塞与排出器的高频运动、气体的交变流动、由于外界干扰带来的振动、压机驱动的不平衡力等。但总体上主要分为: 运动部件的运动和气体的交变流动两类。

　　2. 1 振动模型

　　如果只考虑运动部件的高频运动带来的振动影响，可以将制冷机的振动看成弹簧振子系统在正弦激励下的受迫振动模型，忽略系统的非线性因素，可以得到振子系统的不平衡力为:

　　从( 1) 式中可以看出，振子系统的不平衡力与振子系统的固有属性 k，c，m 和不平衡力的幅值 F0和驱动频率 ω 有关。对于给定的制冷机，其固有属性无法改变; 而驱动频率 ω 关系到热力学性能与动力学性能之间的匹配，一般情况下在制冷机的运行过程中保持不变。

　　文献[2]给出了只考虑气体的交变流动的情况下冷指振动的振幅:

　　从公式( 2) 中可以看出，冷指振动的幅值与冷指材料的弹性模量 E、冷指的长度 l、厚度 δ、粗细 R 以及与压力的峰峰值 Δp 有关。

　　从公式( 1) 、( 2) 中看出，对于给定的制冷机，振动的大小与本身属性有关; 与不平衡力幅值、驱动频率有关，但是从热力学因素和动力学因素等综合考虑，改变的余地并不大。式( 1) 、式( 2) 分别为考虑高频部件的运动和气体交变流动时制冷机的振动幅值和不平衡力的大小，但是由于各种非线性因素，实际制冷机的振动不平衡力难以用理论分析得出。

　　斯特林制冷机的振动在频域上表现为以驱动频率为基频的一系列离散谐波。大量实验证明振动主要是以基频为主，谐波成分主要集中在300Hz 以内。而造成高阶谐波的主要原因是驱动力以及其它非线性因素。

　　2. 2 动力吸振器的理论分析

　　由于制冷机在运行过程中频率保持不变，因此可以利用动力吸振器来有效的减小制冷机的振动输出。动力吸振器是通过添加辅助的弹簧质量系统使制冷机的振动减小的减振方式，它具有不耗电能、结构简单、可靠性高等特点，因而广泛使用于振动频率变化不大的场合。