金屬橡膠減震器在輕型光電載荷隔震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李運(yùn)動(dòng)， 孫樹旺， 王 璐， 呂進(jìn)來(lái)

(1.中國(guó)航空工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471009;2.鄭州大學(xué)，鄭州 450052;3.空軍駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 邯鄲 056028)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)信息化技術(shù)的發(fā)展，航空偵察在戰(zhàn)場(chǎng)中的地位日益重要。輕型光電載荷是一款體積小(?255 mm×320 mm)、重量輕(12 kg)的機(jī)載光電偵察平臺(tái)，綜合集成了光學(xué)、控制、圖像處理、機(jī)械等專業(yè)技術(shù)，其中轉(zhuǎn)塔是輕型光電載荷中的一個(gè)重要組成部分，為紅外、可見光等光學(xué)傳感器提供了一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)。輕型光電載荷掛裝在無(wú)人機(jī)或直升機(jī)上，在利用光學(xué)傳感器對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行搜索、探測(cè)、識(shí)別、跟蹤的過(guò)程中，必然要受到載機(jī)振動(dòng)、風(fēng)阻擾動(dòng)等干擾因素的影響，其中振動(dòng)因素的影響顯得尤其突出，各種振動(dòng)因素通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)件傳遞到穩(wěn)定平臺(tái)上，轉(zhuǎn)塔本身又是一個(gè)多自由度的彈性系統(tǒng)，在某些振動(dòng)頻率下使振動(dòng)量值放大，強(qiáng)烈的震動(dòng)會(huì)引起陀螺儀產(chǎn)生偏移，軸系的振動(dòng)干擾會(huì)引起光學(xué)傳感器視軸抖動(dòng)，輸出視頻圖像出現(xiàn)晃動(dòng)、模糊現(xiàn)象，直接影響光電載荷系統(tǒng)的成像質(zhì)量和跟蹤精度，嚴(yán)重的會(huì)造成跟蹤目標(biāo)的丟失。載機(jī)的振動(dòng)包括角振動(dòng)和線振動(dòng)兩種方式，大量分析發(fā)現(xiàn)角振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線振動(dòng)，角振動(dòng)是影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素［1-4］。為了減少載機(jī)振動(dòng)對(duì)光電載荷成像質(zhì)量和跟蹤精度的影響，提高光電載荷的可靠性，降低產(chǎn)品的維護(hù)成本，必須對(duì)載體的振動(dòng)進(jìn)行抑制，在輕型光電載荷抑制振動(dòng)的方式主要采用了電子穩(wěn)像和被動(dòng)隔震技術(shù)。被動(dòng)隔震技術(shù)的應(yīng)用已日臻成熟，但本產(chǎn)品受限于內(nèi)部空間，使得隔震系統(tǒng)彈性支撐點(diǎn)的幾何中心無(wú)法與光電載荷的質(zhì)心重合，勢(shì)必造成線角振動(dòng)耦合現(xiàn)象，影響產(chǎn)品性能指標(biāo)，這在以往的文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道。為了減小線角振動(dòng)耦合對(duì)成像質(zhì)量的影響，開展隔震系統(tǒng)及安裝位置匹配設(shè)計(jì)技術(shù)研究是十分必要的。

1 隔振理論

振動(dòng)存在于工程應(yīng)用的眾多領(lǐng)域，其控制的方法主要有消振、隔振和吸振，在機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中運(yùn)用是廣泛的是隔振。隔振按振動(dòng)傳遞的方向可分為主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振［5-6］。由于被動(dòng)隔振不需要系統(tǒng)外部的能源裝置支持減震裝置工作，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因此，輕型光電載荷采用被動(dòng)隔震技術(shù)來(lái)隔離振源與產(chǎn)品之間的振動(dòng)傳遞。

典型的隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過(guò)合理選用和布局減震器來(lái)實(shí)現(xiàn)，解決大多數(shù)隔振問(wèn)題總是開始于假設(shè)系統(tǒng)是一個(gè)單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)［7］。這樣可以使大多數(shù)的參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，這些參數(shù)對(duì)決定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)隔離器是否令人滿意地完成任務(wù)或是否需要一個(gè)常規(guī)的設(shè)計(jì)是必要的，這一假設(shè)基于以下事實(shí):1)產(chǎn)品的重心與隔離系統(tǒng)的彈性中心一致;2)在所有方向上，系統(tǒng)彈性比率是相同的;3)產(chǎn)品的剛度比隔振系統(tǒng)的剛度要大得多，產(chǎn)品在一定的頻率范圍內(nèi)近似作為剛體。

文獻(xiàn)［5-6］對(duì)單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，在此不再詳述，其中位移傳遞率Tr是隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，該參數(shù)的設(shè)計(jì)好壞直接影響隔震效率和產(chǎn)品的工作性能。

減震系統(tǒng)位移的絕對(duì)傳遞率Tr為

式中:Y為系統(tǒng)位移響應(yīng)幅值;Y0為系統(tǒng)輸入位移激勵(lì)幅值;λ為系統(tǒng)頻率比，為彈性系數(shù)，m為質(zhì)量;ξ為系統(tǒng)阻尼比為系統(tǒng)阻尼系數(shù)。

位移傳遞率與系統(tǒng)阻尼比和系統(tǒng)頻率比有關(guān)，它們之間的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)λ=1時(shí)，位移傳遞率Tr將大大超過(guò)1，此時(shí)若ξ=0，則位移傳遞率達(dá)到無(wú)窮大，系統(tǒng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，不要使隔振系統(tǒng)的固有頻率與干擾頻率相同。

圖1 傳遞率與頻率比關(guān)系曲線Fig.1 Transmissibility vs frequency

以上分析是基于系統(tǒng)的“線性假設(shè)”，在實(shí)際系統(tǒng)中，存在著明顯的非線性因素，造成系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)并不嚴(yán)格遵循以上分析。通過(guò)對(duì)多種非線性系統(tǒng)的響應(yīng)分析結(jié)果表明:要實(shí)現(xiàn)隔振效果，非線性隔振系統(tǒng)的激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率的比值必須大于某一數(shù)值(具體取決于系統(tǒng)參數(shù))［8］。

2 隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輕型光電載荷安裝在無(wú)人機(jī)或直升機(jī)上進(jìn)行工作時(shí)，載機(jī)的工作特點(diǎn)決定了振動(dòng)成為突出問(wèn)題，其振動(dòng)環(huán)境比較惡劣，其振源有內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量、氣動(dòng)及不平衡質(zhì)量所引起的激振力，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的激振力，旋翼尾流作用在其他部件上所引起的激振力等，還有外部包括旋翼及尾槳交變氣動(dòng)環(huán)境引起的激振力、飛機(jī)著陸及墜撞時(shí)產(chǎn)生的激振力等。在輕型光電載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須設(shè)計(jì)出好的隔震系統(tǒng)有效地隔離載機(jī)運(yùn)行環(huán)境中的振動(dòng)、沖擊，從而提高系統(tǒng)的使用壽命和穩(wěn)定精度。

根據(jù)輕型光電載荷的設(shè)計(jì)空間及裝機(jī)使用要求，光電載荷采用了整體隔震方式。整體隔震的缺點(diǎn)是隔震設(shè)備質(zhì)量大，并且為了保證線振動(dòng)和角振動(dòng)解耦，以免帶入較大的角擾動(dòng)，要求隔震系統(tǒng)彈性支撐點(diǎn)的幾何中心與減震質(zhì)量的質(zhì)心重合，這樣在進(jìn)行大范圍搜索時(shí)，隔震系統(tǒng)對(duì)視軸會(huì)造成遮擋。通過(guò)分析當(dāng)隔震設(shè)備質(zhì)量較小時(shí)，可以根據(jù)空間位置情況，采用4個(gè)對(duì)稱的隔震系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行隔震，使得隔震系統(tǒng)幾何中心與光電載荷的質(zhì)心垂直中心線重合，同時(shí)要求隔震系統(tǒng)的幾何中心與光電載荷的質(zhì)心水平中心線的間距盡量縮小，減少水平振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的“線-角”振動(dòng)耦合現(xiàn)象。

隔震系統(tǒng)一般采用根據(jù)空間及特定性能參數(shù)而設(shè)計(jì)的減震器，近年來(lái)，減震器的類型日益增多，其中橡膠減震器和金屬橡膠減震器的應(yīng)用比較廣泛，而且技術(shù)也比較成熟。在輕型光電載荷的隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了金屬橡膠減震器，圖2為一款金屬橡膠減震器的外形。

圖2 金屬橡膠減震器外形Fig.2 Metal rubber isolator configuration

金屬橡膠減震器的設(shè)計(jì)步驟為:1)分析振源激勵(lì)的類型、大小、方向等因素;2)控制系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比這兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，即根據(jù)第1節(jié)的分析設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膋、c、ξ，使得Tr較小;3)根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真分析和測(cè)試，使其達(dá)到初定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

不同類型的減震器因?yàn)椴牧?、工作條件、性能要求、隔振效率等都有很大不同，在減震器設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些因素都必須充分考慮，同時(shí)應(yīng)注意以下幾方面問(wèn)題。

1)減震器重量、尺寸及被隔離設(shè)備重心，減震器的安裝位置也與被隔離設(shè)備的重心有密切聯(lián)系。

2)需隔離的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)類型:這是減震器設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題，分析產(chǎn)品使用過(guò)程中正弦或隨機(jī)振動(dòng)頻譜的類型，確定減震器要隔離的頻率帶寬，有時(shí)還需要分析沖擊頻譜類型。

3)減震器承受的載荷:除了重力和動(dòng)態(tài)載荷等減震器必須承受的載荷外，其他有些靜載荷也會(huì)影響減震器的設(shè)計(jì)(如載機(jī)高速轉(zhuǎn)彎引起的載荷變化)，這種載荷常常疊加于動(dòng)態(tài)載荷上。

4)允許的系統(tǒng)響應(yīng):分析被隔離設(shè)備的最大允許響應(yīng)，即確定固有頻率和最大傳遞率，規(guī)范的允許系統(tǒng)響應(yīng)也包括被隔離設(shè)備的最大運(yùn)動(dòng)，這些有時(shí)會(huì)受到一些機(jī)械、運(yùn)動(dòng)特性限制。

5)環(huán)境條件:在環(huán)境條件方面，溫度是十分重要的一項(xiàng)。暴露在產(chǎn)品外部的減震器也應(yīng)該考慮濕度、霉菌、鹽霧等因素。

6)工作壽命:減震器有效工作時(shí)間也是一個(gè)選擇或設(shè)計(jì)減震器過(guò)程中的重要因素。通常情況下，在給定工作參數(shù)情況下，要求減震器壽命越長(zhǎng)，減震器尺寸就要越大。

3 振動(dòng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)金屬橡膠減震器的設(shè)計(jì)結(jié)果，利用輕型光電載荷的模擬件反復(fù)進(jìn)行了振動(dòng)環(huán)境條件下的隔震測(cè)試試驗(yàn)，最終確定了減震器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)的組成如圖3所示。將金屬橡膠減震器安裝在振動(dòng)工裝和模擬件之間，如圖4所示。安裝在振動(dòng)臺(tái)垂直臺(tái)面上進(jìn)行垂直方向振動(dòng)試驗(yàn)，安裝在振動(dòng)臺(tái)水平滑臺(tái)上進(jìn)行水平方向振動(dòng)試驗(yàn)。

圖3 振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Equipment of vibration test

圖4 模擬負(fù)載及減震器Fig.4 Analog payload and vibration isolator

根據(jù)輕型光電載荷工作振動(dòng)環(huán)境條件，同時(shí)為了分析系統(tǒng)的隔震特性，將金屬減震器裝入產(chǎn)品中進(jìn)行了正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，得到系統(tǒng)的固有頻率、共振放大倍率以及隔震效率。圖5為水平振動(dòng)響應(yīng)曲線，圖6為垂直振動(dòng)響應(yīng)曲線。

圖5 水平振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.5 Horizontal vibration response curve

圖6 垂直振動(dòng)響應(yīng)曲線Fig.6 Vertical vibration response curve

圖5、圖6曲線中反映了系統(tǒng)的固有頻率和共振放大倍數(shù)等性能指標(biāo)，表現(xiàn)出了較好的隔振效果，結(jié)果分析如下。

1)隔振系統(tǒng)剛度及隔震系統(tǒng)固有頻率。

采用金屬橡膠減震器后，系統(tǒng)的垂直方向固有頻率為17.63 Hz，水平方向固有頻率為15.98 Hz。系統(tǒng)具有較低的固有頻率，使得共振放大區(qū)頻帶變窄，較易避開干擾頻率點(diǎn)。影響水平方向固有頻率降低的因素主要有隔振系統(tǒng)的幾何中心與輕型光電載荷的質(zhì)心水平中心線有一定的間距，在水平振動(dòng)時(shí)，增加了彎曲力矩，造成系統(tǒng)的剛度降低，由于光電載荷的重量較輕，使得水平方向固有頻率的降低不是太大，可以認(rèn)為三維等剛度，這說(shuō)明減震器設(shè)計(jì)了一個(gè)理想的剛度指標(biāo)。

2)隔振系統(tǒng)阻尼比及共振放大倍數(shù)。

當(dāng)外界激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。系統(tǒng)的垂直方向共振放大倍數(shù)為2.848，水平方向共振放大倍數(shù)2.05，較低的放大倍數(shù)說(shuō)明減震器設(shè)計(jì)了一個(gè)理想的阻尼比指標(biāo)。

3)隔振效率。

在26 Hz左右處，隔振傳遞率為1，隨后進(jìn)入隔振區(qū)域，振動(dòng)頻率被有效地衰減下來(lái)，其中50 Hz以上的隔振效率達(dá)到80%以上。

從圖中還可以看出，在越過(guò)共振區(qū)后隨著頻率的增加會(huì)出現(xiàn)一系列的波峰，其原因是振動(dòng)夾具和產(chǎn)品框架不可能是理想的剛體，會(huì)由于結(jié)構(gòu)響應(yīng)出現(xiàn)共振波峰，同時(shí)金屬減震器在高頻時(shí)所具有的分布質(zhì)量特性也會(huì)出現(xiàn)駐波現(xiàn)象。如果提高減震器的阻尼可以削弱這些峰值，提高減震器高頻減振效果。

4 結(jié)論

提出了一種適合多框架光電載荷的隔振方法，采用金屬橡膠減震器作為隔振元件，可以有效隔離高于25 Hz的中高頻振動(dòng)，與轉(zhuǎn)塔內(nèi)部安裝的陀螺儀組合，可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的穩(wěn)定。

振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用金屬橡膠減震器后，系統(tǒng)的角變形在許可范圍內(nèi)，產(chǎn)生的圖像晃動(dòng)誤差在可接受的范圍內(nèi)，振動(dòng)環(huán)境下產(chǎn)品的穩(wěn)定精度為0.08 mrad，使得光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量得到很大的提高。

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