平行轴布置的斯特林制冷机设计原理与应用分析

孙　皓，陈晓屏

（昆明物理研究所，昆明　650223）

平行轴布置的斯特林制冷机设计原理与应用分析

孙皓，陈晓屏

（昆明物理研究所，昆明650223）

稳定平台光电系统设计常用线性斯特林制冷机以达到振动小的要求，但以牺牲重量、尺寸、功耗为代价。旋转式制冷机功耗低、尺寸小却振动大；设计平行轴布置斯特林制冷机以减小旋转制冷机对稳定平台的振动影响。分析了旋转制冷机振动源与稳定平台框架的系统刚性特点；从系统耦合的角度，通过力学模型分析平行轴布置斯特林制冷机振动源叠加的情况，根据分析结果提出利用稳定平台刚度高的方向吸收制冷机翻倒力矩的激励，降低平台的抖动程度。最后指出平行轴布置斯特林制冷机与框架结合应用的合理性与可行性。

斯特林制冷机；平行布置陀螺稳定平台；抖动

0　引言

斯特林制冷机随红外探测器常安装在稳定框架上作为光电载荷的重要元件。而斯特林制冷机的自激振动对稳定框架形成激励，框架随之发生抖动，因为这个原因安装在框架上的光电载荷成像变模糊，失去了目标指示的精度。稳定框架系统因此常选用线性制冷机作为制冷源，但是线性制冷机的尺寸、重量导致整个光电系统过大；另外线性制冷机的分置管有一定的刚性，对框架转动是一个干扰力矩，并且分置管反复弯曲也是可靠性薄弱点。

旋转电机驱动型斯特林制冷机的总体布置形式较为成熟，长期以来都是三轴正交的结构形式（压缩活塞轴线-膨胀活塞轴线-电机轴线正交），表现出振动和噪音大、工作寿命受限的不足［1］。2000年后，主要依靠轴承和支撑结构的改进，旋转式斯特林制冷机可靠性得到较大提升，达到10 000～20 000 h的水平［2］。但是振动的问题依然是旋转制冷机应用的明显不足，出于减振考虑，旋转制冷机应用时，常需要通过附加粘弹性阻尼垫来减轻制冷机振动对系统的干扰［3-4］。

1　设计构想及构型的提出

为克服框架的跳动保持光学系统的视轴稳定，转塔一类使用稳定框架的系统依靠稳定电机发出稳定力矩来抵消扰动力F对框架P造成的抖动［5］。因此减小平台上光电载荷的质量和自激振动对于平台的设计是有重要意义的，这不仅减小了平台的转动惯量、而且抑制了对稳定系统的扰动。转动惯量和扰动的减小有助于控制电机的设计容量并提高平台伺服跟踪的角速度、精度指标［6］。文章所述斯特林制冷机重量轻，结构布局结合稳定框架平台结构特性，对平台的扰动较小，如图1所示。

图1　陀螺稳定平台组成图［5］

1.1稳定框架的结构特性

稳定框架是一组平衡环，每个环架都有一个回转轴与另一个环架相连，可以围绕回转轴自由转动。由于环架的自由度是回转，于是当受到垂直于回转轴的力或者力矩时，回转轴提供抵抗力矩抵消扰动；当受到平行于回转轴的力或者力矩时，框架以回转轴为中心旋转。光电系统常用到的稳定框架平台因为回转轴自身的自由度条件而呈现出系统刚度的方向性特点，平行于回转轴的方向上灵活，仅有轴承的阻尼，对扰动较为敏感；垂直于轴的方向上，轴承对轴的支撑刚度较大，吸收振动的能力较强。

1.2旋转斯特林制冷机的自激振动特性

旋转斯特林制冷机是依靠回转电机驱动的往复式压缩机，通过曲柄-连杆机构将回转运动转化为直线往复运动。因此，与所有曲柄-连杆机构一样，旋转斯特林制冷机的自激振动主要有两个来源，一个是往复式活塞运动时的不平衡力，另一个是运动转化过程中驱动力矩施加在活塞与机架间的侧向力，表现为使机架倾倒的趋势，即翻倒力矩。往复不平衡力可以采用简单的结构通过仔细的平衡设计抵消掉一阶不平衡力，高阶不平衡力较小，振动输出扰动较小。而翻倒力矩需要通过相反的力矩去平衡，制冷机工作时转速并不均匀，平衡机构很复杂，需要附加较多机构。

1.3构型提出

红外光电系统常用的两轴稳定框架两个轴正交，构成一个稳定的平面，当扰动力矩与这个平面的法线平行时，扰动力矩被两个轴的轴承支撑抵消，框架的振动响应（抖动）就可以忽略。平行轴布置斯特林制冷机的设计考虑到稳定框架结构刚性具有方向性的特点，将翻倒力矩布置在不与框架回转轴平行的方向上，利用框架的刚性抑制制冷机振动输出对框架的影响。翻倒力矩的方向与电机轴的方向一致，也就是将电机轴安排在与冷指相平行的平面内，即光轴与电机回转轴平行。

2　力学模型与分析

2.1惯性力的产生与平衡

曲柄-连杆机构将旋转运动转化为往复直线运动，如图2所示。电机以ω角速度驱动活塞A直线移动，活塞呈正弦规律移动，因此产生了加速度。曲柄连杆机构中的零部件根据运动性质可以分为旋转和直线运动两类，运动起来产生惯性效果。因此存在两种力的作用。

图2　旋转制冷机的曲柄连杆机构受力分析简图

曲柄连杆机构中做旋转运动的质量mr，包含曲轴偏离旋转轴线的当量质量和连杆集中在曲柄轴颈上跟随曲轴做旋转运动的当量质量，其旋转惯性力是：

曲柄连杆机构中做直线往复运动的质量mj，包含活塞和连杆集中在活塞销上跟随活塞做直线运动的当量质量，一系列简谐分量，忽略高阶项后其往复惯性力是：

旋转惯性力可以用另一个旋转的附加质量mp去平衡，使得附加质量的质径积与旋转惯性力相等即可。

往复惯性力的分量中，二阶惯性力与一阶惯性力相差λ倍。对于斯特林制冷机而言，连杆比λ常选择1/15或1/20。旋转斯特林制冷机着眼于结构简单，忽略掉二阶以上的惯性力，采用过量平衡法［7］来平衡掉全部或一部分一阶惯性力，根据垂直情况与水平两个方向的刚度或吸振能力决定过量转移的大小。

2.2翻倒力矩的产生

活塞作用在气体上的力，来自于电机输出转矩作用在连杆上再传递到活塞上的力FL投影到气缸中心线的分量，如图所示，则侧向力FN和压缩气体的力F为：

侧向力作用在制冷机机壳上，以回转轴为中心以活塞位置SA为力臂形成力矩，使制冷机有翻倒的趋势。翻倒力矩为：

这个翻倒力矩与驱动力矩大小相等，具有使制冷机顺着旋转方向倾倒的趋势。制冷机的机架上需要一个与电机转矩方向相反、大小相等的支反力矩，对安装基座形成一个脉动转矩激励，这也是制冷机振动输出的一个来源。翻倒力矩需要一组旋转的质量来平衡，增加机构的复杂性，破坏微型制冷机结构的简单性，考虑到制冷机与旋转质量同步的难度，平衡翻倒力矩效果并不好。

2.3正交布置与平行布置的振动特性比较

在目前主流的IDDCA结构下，制冷机冷指（膨胀活塞轴线）与光轴同轴，因此冷指与平台的俯仰轴和方位轴正交或成一定的角度。如图3所示，翻倒力矩以电机轴为中心的黑色旋转箭头，往复不平衡力以双箭头作用在压缩机轴线上。传统正交布置构型的斯特林制冷机翻倒力矩以回转轴为中心与框架转动轴平行，往复不平衡力作用在框架转动轴上形成扰动力矩，振动输出对框架的扰动效果叠加，框架抖动就厉害。平行布置的状况是回转轴与光轴平行，翻倒力矩与两轴框架存在一定角度，轴的刚性吸收了一部分翻倒力矩的作用，叠加到往复不平衡力扰动力矩上的分量小，所以整个框架的抖动较小。平行轴布置的制冷机将膨胀活塞轴线布置在与电机轴平行的方向上，与压缩活塞轴线相垂直，如图4所示，翻倒力矩方向与冷指平行。

图3　正交布置及平行布置自激振动与框架的关系

3　应用分析

使用平行轴布置斯特林制冷机关键是依靠框架轴在非回转自由度上的较高刚性吸收翻倒力矩激励，抑制扰动造成的影响。所以光电系统最常见的两轴平台适合采用平行轴布置斯特林制冷机，翻倒力矩始终与平台框架的任一轴成一定角度，扰动总有一部分被抑制，当光轴与框架垂直时，翻倒力矩能够被回转轴的轴承刚性完全克服，亦即框架抖动最小。

随着平台轴数的增加，力学作用关联更趋复杂。图5是典型的三轴平台，其中横滚轴与光轴同向，平行轴布置制冷机的翻倒力矩平行于此轴，该方向上的振动响应可能比另外两个轴敏感。但横滚轴的调整比俯仰轴和方位轴的调整平稳一些，平台上的载荷和扰动对三轴平台的影响更为复杂，需要更精确的模型分析和测试。平行轴布置制冷机对三轴或者四轴的平台匹配应用有待进一步试验去揭示。

图5　三轴稳定平台的结构示意图［8］

从翻倒力矩与不平衡力扰动不叠加的角度来看，平行轴布置制冷机与两轴平台有一个较好的匹配效果，对三轴或四轴平台而言也不会差于传统正交轴制冷机。

4　总结

平行轴布置斯特林制冷机设计充分考虑旋转斯特林制冷机的自激振动来源与稳定平台系统刚性的特殊性，利用两轴平台的刚性约束吸收制冷机的翻倒力矩扰动，有利于光电系统设计。根据旋转机械振动产生的力学原理分析制冷机振动的产生与抑制，针对平行轴布置制冷机与稳定平台的匹配应用进行分析，阐述其应用价值。平行轴布置斯特林制冷机结构简单，具有一定创新性，拓展了旋转式制冷机的应用前景并可明显改善系统设计和应用，随着平行轴制冷机的成熟，光电系统有望依靠旋转制冷机的小型化而变得更小也更好。

［1］许国太，闫春杰，霍英杰，等.空间用斯特林制冷机结构的发展［J］.真空与低温，2008.14（3）：167-171.

［2］陈晓屏.微型斯特林制冷机可靠性现状及趋势［J］.真空与低温，2010，16（4）：198-202.

［3］VeprikA，DjerassyS，BabitskyV.Optimaldesignofasnubbed vibration isolator for vibration sensitive electrooptic payload［C］//Procof SPIE，2008，6940：69402B-1.

［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］许德新.机载光电跟踪陀螺稳定技术［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007：2-5.

［6］李伟.陀螺稳定平台控制策略研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：6-13.

［7］袁兆成.内燃机设计［M］.北京：机械工业出版社，2008.7：43.

［8］杨蒲，李奇.三轴陀螺稳定平台控制系统设计与实现［J］.中国惯性技术学报，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

孙皓（1979-），男，云南通海人，高级工程师，硕士研究生，主要从事小型斯特林制冷机研究。E-mail：652700@sina.com。