气动分置式斯特林制冷机被动减振技术研究

　　1 引 言

　　气动分置式斯特林制冷机与传统的牛津型双驱动斯特林制冷机相比没有膨胀机驱动电机，排出器的运动仅靠两端的压差、弹簧刚度和阻尼来实现。它具有结构简单紧凑、可靠性高、振动输出相对较小等优点，因而广泛应用于红外元器件、超导滤波器件等其他场合的冷却。但是由于高频运动部件和气体穿梭导致制冷机产生的振动干扰[1]，会影响气动分置式斯特林制冷机在对振动要求比较苛刻的场合的使用，因此需要可靠的减振技术来减小制冷机的振动输出。国外纯气动式斯特林制冷机的被动减振技术研究的比较深入透彻，并且减振效果很明显。较为典型的是Ricor 公司 K535 型制冷机，在未进行被动减振前振动输出达到 14. 8 Nrms; 在制冷机使用动力吸振器后( K535-LV 型) 其振动仅为 0. 1 Nrms，已满足 NASA 对空间制冷机振动的要求; 通过调节其中一个压缩机活塞的运动，可以得到更小的振动输出 ( K535-ULV型)[2]，其性能可以满足对振动要求极其苛刻的 HDM的使用。与传统的主动减振系统相比，被动减振系统具有结构简单、可靠性高、不耗电能等优点。并且如果在纯气动式斯特林制冷机中使用主动减振技术需要做很大的改动，会失去气动式斯特林制冷机的原来优点。因此在气动分置式斯特林制冷机中，被动减振技术具有无可替代的优点。

　　2 振动特性

　　制冷机的振动特性主要是指制冷机振动的幅值特性和频率特性，它与制冷机本身的固有属性和驱动力的属性有关，以及安装方式等有关，制冷机的振动特性直接影响着冷却对象的某些性能。通过分析制冷机的振动来源和制冷机本身的固有属性有助于深入的了解制冷机的振动特性，从而可以更好选取合适的振动控制方案。

　　2. 1 振动来源

　　引起斯特林制冷机冷指振动的原因很多并且各种因素相互影响，主要有: 压机活塞高频运动、排除器的运动、气体的交变流动和压力脉动以及环境等外界条件引入的振动等。总体上可以分为: 机械振动与气动作用。气动式斯特林制冷机排出器的运动可以看作是弹簧振子系统在受到正弦作用力后受迫振动的模型[3]。根据振动力学可以知道，如果不考虑阻尼以及排出器等部件的非线性因素，振子输出的振动不平衡力为:

　　式中: Ff为制冷机的振动输出力，m 为制冷机质量，ω 为运行角频率，F 为驱动力幅值，k 弹簧刚度。从式( 1) 中可以看出其振子不平衡力与振子固有属性有关和驱动力有关，在一般情况下制冷机的运行频率与热力学因素等有关，在制冷机的工作过程中保持不变。而驱动力幅值与压缩机行程、死空间、压比、充气压力、阻尼等有关。