飞轮和控制力矩陀螺高速转子轴向干扰特性的研究

　　飞轮和控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统中的主要执行机构,对卫星的姿态控制起着重要作用,但同时也是高精度航天器的主要干扰源之一。执行机构的高速转子在旋转过程所产生的高频抖动,将对卫星的姿态控制精度和稳定度造成一定程度的影响。目前对执行机构高速转子干扰特性,如转子的不平衡特性等研究主要集中在转子的径向干扰特性[1-2]。本文所进行的飞轮振动试验数据表明,在某些情况下,飞轮转子的轴向干扰力明显大于径向干扰力,所以转子的轴向干扰力不能被简单忽略[2]。此外,飞轮振动试验表明,飞轮的轴向干扰主要体现在轴向干扰力,而轴向干扰力矩的影响很小,所以这里暂且不考虑飞轮在绕其主轴高速旋转时所产生的轴向干扰力矩对卫星姿态控制产生的影响。

　　本文通过分析执行机构高速转子的轴向干扰完善转子干扰特性的研究,并通过相关的理论分析提出了减小转子轴向振动的方法和措施。

　　1　执行机构高速转子轴向干扰产生的原因

　　对于飞轮和控制力矩陀螺产生振动干扰的原因,目前国内外大多数的研究主要基于以下几个方面的考虑:高速转子的质量分布不均匀导致的不平衡特性;滚动轴承润滑不良引起的碰摩以及滚动体、保持架和内外圈形状和运动的不规则特性;直流驱动电机力矩脉动等[2]。这些引起转子振动的因素主要导致执行机构高速转子产生径向振动,但并不会直接引起转子的轴向振动。目前,机械式飞轮和控制力矩陀螺的高速支承主要采用的是机械球轴承。轴承刚度是表征轴承动态特性的最重要的参数,其大小及变化情况直接影响轴承-转子系统的振动特性。相关的研究资料表明,执行机构高速转子在工作过程中所形成的轴向振动主要是由于飞轮轴承的轴向刚度不足[1]。随着转子转速的增加,轴承滚动体的离心力迅速增加,滚动体与外圈沟道的接触角变小,从而使得轴承的轴向刚度迅速减小。此外,若转子或转子轴存在弯曲或结构比较特殊时,也会产生过大的轴向振动。

　　由力学原理可知,作用于物体上的力若通过物体的质心,其作用效果会使得物体在这个力的方向上产生位移,即产生平动效应,若作用力的方向没有通过物体的质心,而是与质心有一定的偏心,则其作用效果还会使物体产生转动效应。由于转子在加工制造和装配过程中的误差,转子在旋转过程中将受到动不平衡力矩的激励,从而出现锥形涡动。由于转子的锥形涡动,转子轴承对转轴的承载中心将沿转子轴向发生周期性的变化。这样,转轴对轴承的作用效果除了会使轴承产生径向位移,还会使其产生轴向偏转。实际上这是由于轴承承载力的平移产生了一个附加的力矩,如图1(b)所示。文献[3-4]的研究结果表明,对于径向球轴承而言,随着转子转速的提高,轴承的轴向刚度会迅速降低。这样,在附加力矩的作用下,轴承势必会发生轴向的偏转,如图1(c)所示。由于转子做周期性的旋转,所以轴承的承载中心就会在轴承的轴向发生周期性的变化,从而引起轴向振动。若转子轴向振动的固有频率与转子的工作频率接近或成整数倍时,将会产生轴向共振,从而引起强烈的轴向振动。