平行軸布置的斯特林制冷機設計原理與應用分析

孫　皓，陳曉屏

（昆明物理研究所，昆明　650223）

平行軸布置的斯特林制冷機設計原理與應用分析

孫皓，陳曉屏

（昆明物理研究所，昆明650223）

穩定平臺光電系統設計常用線性斯特林制冷機以達到振動小的要求，但以犧牲重量、尺寸、功耗為代價。旋轉式制冷機功耗低、尺寸小卻振動大；設計平行軸布置斯特林制冷機以減小旋轉制冷機對穩定平臺的振動影響。分析了旋轉制冷機振動源與穩定平臺框架的系統剛性特點；從系統耦合的角度，通過力學模型分析平行軸布置斯特林制冷機振動源疊加的情況，根據分析結果提出利用穩定平臺剛度高的方向吸收制冷機翻倒力矩的激勵，降低平臺的抖動程度。最后指出平行軸布置斯特林制冷機與框架結合應用的合理性與可行性。

斯特林制冷機；平行布置陀螺穩定平臺；抖動

0　引言

斯特林制冷機隨紅外探測器常安裝在穩定框架上作為光電載荷的重要元件。而斯特林制冷機的自激振動對穩定框架形成激勵，框架隨之發生抖動，因為這個原因安裝在框架上的光電載荷成像變模糊，失去了目標指示的精度。穩定框架系統因此常選用線性制冷機作為制冷源，但是線性制冷機的尺寸、重量導致整個光電系統過大；另外線性制冷機的分置管有一定的剛性，對框架轉動是一個干擾力矩，并且分置管反復彎曲也是可靠性薄弱點。

旋轉電機驅動型斯特林制冷機的總體布置形式較為成熟，長期以來都是三軸正交的結構形式（壓縮活塞軸線-膨脹活塞軸線-電機軸線正交），表現出振動和噪音大、工作壽命受限的不足［1］。2000年后，主要依靠軸承和支撐結構的改進，旋轉式斯特林制冷機可靠性得到較大提升，達到10 000～20 000 h的水平［2］。但是振動的問題依然是旋轉制冷機應用的明顯不足，出于減振考慮，旋轉制冷機應用時，常需要通過附加粘彈性阻尼墊來減輕制冷機振動對系統的干擾［3-4］。

1　設計構想及構型的提出

為克服框架的跳動保持光學系統的視軸穩定，轉塔一類使用穩定框架的系統依靠穩定電機發出穩定力矩來抵消擾動力F對框架P造成的抖動［5］。因此減小平臺上光電載荷的質量和自激振動對于平臺的設計是有重要意義的，這不僅減小了平臺的轉動慣量、而且抑制了對穩定系統的擾動。轉動慣量和擾動的減小有助于控制電機的設計容量并提高平臺伺服跟蹤的角速度、精度指標［6］。文章所述斯特林制冷機重量輕，結構布局結合穩定框架平臺結構特性，對平臺的擾動較小，如圖1所示。

圖1　陀螺穩定平臺組成圖［5］

1.1穩定框架的結構特性

穩定框架是一組平衡環，每個環架都有一個回轉軸與另一個環架相連，可以圍繞回轉軸自由轉動。由于環架的自由度是回轉，于是當受到垂直于回轉軸的力或者力矩時，回轉軸提供抵抗力矩抵消擾動；當受到平行于回轉軸的力或者力矩時，框架以回轉軸為中心旋轉。光電系統常用到的穩定框架平臺因為回轉軸自身的自由度條件而呈現出系統剛度的方向性特點，平行于回轉軸的方向上靈活，僅有軸承的阻尼，對擾動較為敏感；垂直于軸的方向上，軸承對軸的支撐剛度較大，吸收振動的能力較強。

1.2旋轉斯特林制冷機的自激振動特性

旋轉斯特林制冷機是依靠回轉電機驅動的往復式壓縮機，通過曲柄-連桿機構將回轉運動轉化為直線往復運動。因此，與所有曲柄-連桿機構一樣，旋轉斯特林制冷機的自激振動主要有兩個來源，一個是往復式活塞運動時的不平衡力，另一個是運動轉化過程中驅動力矩施加在活塞與機架間的側向力，表現為使機架傾倒的趨勢，即翻倒力矩。往復不平衡力可以采用簡單的結構通過仔細的平衡設計抵消掉一階不平衡力，高階不平衡力較小，振動輸出擾動較小。而翻倒力矩需要通過相反的力矩去平衡，制冷機工作時轉速并不均勻，平衡機構很復雜，需要附加較多機構。

1.3構型提出

紅外光電系統常用的兩軸穩定框架兩個軸正交，構成一個穩定的平面，當擾動力矩與這個平面的法線平行時，擾動力矩被兩個軸的軸承支撐抵消，框架的振動響應（抖動）就可以忽略。平行軸布置斯特林制冷機的設計考慮到穩定框架結構剛性具有方向性的特點，將翻倒力矩布置在不與框架回轉軸平行的方向上，利用框架的剛性抑制制冷機振動輸出對框架的影響。翻倒力矩的方向與電機軸的方向一致，也就是將電機軸安排在與冷指相平行的平面內，即光軸與電機回轉軸平行。

2　力學模型與分析

2.1慣性力的產生與平衡

曲柄-連桿機構將旋轉運動轉化為往復直線運動，如圖2所示。電機以ω角速度驅動活塞A直線移動，活塞呈正弦規律移動，因此產生了加速度。曲柄連桿機構中的零部件根據運動性質可以分為旋轉和直線運動兩類，運動起來產生慣性效果。因此存在兩種力的作用。

圖2　旋轉制冷機的曲柄連桿機構受力分析簡圖

曲柄連桿機構中做旋轉運動的質量mr，包含曲軸偏離旋轉軸線的當量質量和連桿集中在曲柄軸頸上跟隨曲軸做旋轉運動的當量質量，其旋轉慣性力是：

曲柄連桿機構中做直線往復運動的質量mj，包含活塞和連桿集中在活塞銷上跟隨活塞做直線運動的當量質量，一系列簡諧分量，忽略高階項后其往復慣性力是：

旋轉慣性力可以用另一個旋轉的附加質量mp去平衡，使得附加質量的質徑積與旋轉慣性力相等即可。

往復慣性力的分量中，二階慣性力與一階慣性力相差λ倍。對于斯特林制冷機而言，連桿比λ常選擇1/15或1/20。旋轉斯特林制冷機著眼于結構簡單，忽略掉二階以上的慣性力，采用過量平衡法［7］來平衡掉全部或一部分一階慣性力，根據垂直情況與水平兩個方向的剛度或吸振能力決定過量轉移的大小。

2.2翻倒力矩的產生

活塞作用在氣體上的力，來自于電機輸出轉矩作用在連桿上再傳遞到活塞上的力FL投影到氣缸中心線的分量，如圖所示，則側向力FN和壓縮氣體的力F為：

側向力作用在制冷機機殼上，以回轉軸為中心以活塞位置SA為力臂形成力矩，使制冷機有翻倒的趨勢。翻倒力矩為：

這個翻倒力矩與驅動力矩大小相等，具有使制冷機順著旋轉方向傾倒的趨勢。制冷機的機架上需要一個與電機轉矩方向相反、大小相等的支反力矩，對安裝基座形成一個脈動轉矩激勵，這也是制冷機振動輸出的一個來源。翻倒力矩需要一組旋轉的質量來平衡，增加機構的復雜性，破壞微型制冷機結構的簡單性，考慮到制冷機與旋轉質量同步的難度，平衡翻倒力矩效果并不好。

2.3正交布置與平行布置的振動特性比較

在目前主流的IDDCA結構下，制冷機冷指（膨脹活塞軸線）與光軸同軸，因此冷指與平臺的俯仰軸和方位軸正交或成一定的角度。如圖3所示，翻倒力矩以電機軸為中心的黑色旋轉箭頭，往復不平衡力以雙箭頭作用在壓縮機軸線上。傳統正交布置構型的斯特林制冷機翻倒力矩以回轉軸為中心與框架轉動軸平行，往復不平衡力作用在框架轉動軸上形成擾動力矩，振動輸出對框架的擾動效果疊加，框架抖動就厲害。平行布置的狀況是回轉軸與光軸平行，翻倒力矩與兩軸框架存在一定角度，軸的剛性吸收了一部分翻倒力矩的作用，疊加到往復不平衡力擾動力矩上的分量小，所以整個框架的抖動較小。平行軸布置的制冷機將膨脹活塞軸線布置在與電機軸平行的方向上，與壓縮活塞軸線相垂直，如圖4所示，翻倒力矩方向與冷指平行。

圖3　正交布置及平行布置自激振動與框架的關系

3　應用分析

使用平行軸布置斯特林制冷機關鍵是依靠框架軸在非回轉自由度上的較高剛性吸收翻倒力矩激勵，抑制擾動造成的影響。所以光電系統最常見的兩軸平臺適合采用平行軸布置斯特林制冷機，翻倒力矩始終與平臺框架的任一軸成一定角度，擾動總有一部分被抑制，當光軸與框架垂直時，翻倒力矩能夠被回轉軸的軸承剛性完全克服，亦即框架抖動最小。

隨著平臺軸數的增加，力學作用關聯更趨復雜。圖5是典型的三軸平臺，其中橫滾軸與光軸同向，平行軸布置制冷機的翻倒力矩平行于此軸，該方向上的振動響應可能比另外兩個軸敏感。但橫滾軸的調整比俯仰軸和方位軸的調整平穩一些，平臺上的載荷和擾動對三軸平臺的影響更為復雜，需要更精確的模型分析和測試。平行軸布置制冷機對三軸或者四軸的平臺匹配應用有待進一步試驗去揭示。

圖5　三軸穩定平臺的結構示意圖［8］

從翻倒力矩與不平衡力擾動不疊加的角度來看，平行軸布置制冷機與兩軸平臺有一個較好的匹配效果，對三軸或四軸平臺而言也不會差于傳統正交軸制冷機。

4　總結

平行軸布置斯特林制冷機設計充分考慮旋轉斯特林制冷機的自激振動來源與穩定平臺系統剛性的特殊性，利用兩軸平臺的剛性約束吸收制冷機的翻倒力矩擾動，有利于光電系統設計。根據旋轉機械振動產生的力學原理分析制冷機振動的產生與抑制，針對平行軸布置制冷機與穩定平臺的匹配應用進行分析，闡述其應用價值。平行軸布置斯特林制冷機結構簡單，具有一定創新性，拓展了旋轉式制冷機的應用前景并可明顯改善系統設計和應用，隨著平行軸制冷機的成熟，光電系統有望依靠旋轉制冷機的小型化而變得更小也更好。

［1］許國太，閆春杰，霍英杰，等.空間用斯特林制冷機結構的發展［J］.真空與低溫，2008.14（3）：167-171.

［2］陳曉屏.微型斯特林制冷機可靠性現狀及趨勢［J］.真空與低溫，2010，16（4）：198-202.

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［4］Azoulay M，Veprik A，Babitsky V.FE design of vibration protective pads for portable cryogenically cooled infrared imagers［C］//SPIE Defense and Security Symposium.International SocietyforOpticsandPhotonics，2008：69402A-69402A-10.

［5］許德新.機載光電跟蹤陀螺穩定技術［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007：2-5.

［6］李偉.陀螺穩定平臺控制策略研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011：6-13.

［7］袁兆成.內燃機設計［M］.北京：機械工業出版社，2008.7：43.

［8］楊蒲，李奇.三軸陀螺穩定平臺控制系統設計與實現［J］.中國慣性技術學報，2007，15（2）：171-176.

THE PRINCIPLE AND APPLICATIONS OF PARALLEL-AXIS LAYOUT STIRLING COOLER

SUN Hao，CHEN Xiao-ping
（Kunming institute of Physics，Kunming650223，China）

IR imaging system on stabilized platform with gimbals is usually designed employing the linear cryocooler for small vibration.These systems trade off weight，size，and input power.Common rotary Stirling coolers take on bigger vibration than that of linear cooler though more efficient.The rotary cooler possessing parallel-axis layout could have a small effect on platform with high efficiency.This paper depicts the sources of self induced vibration and the characteristic of the stabilized platform.The rotary Stirling cooler is designed according to gimbals.Overturning moment can be countered by the bearings in platform，and then the payload jitter smaller.The new rotary Stirling cooler is compatible with the stabilized platform.

Stirling cooler；parallel-axis layout；stabilized platform with gimbals；jitter

TB65+.1

A

1006-7086（2015）02-0082-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.005

2015-02-05

孫皓（1979-），男，云南通海人，高級工程師，碩士研究生，主要從事小型斯特林制冷機研究。E-mail：652700@sina.com。