艦載激光慣導(dǎo)系統(tǒng)沖擊隔離器的設(shè)計

鄒燕

（總裝南京軍代局，江蘇 南京 210024）

0 引言

為使激光慣導(dǎo)系統(tǒng)適應(yīng)艦船沖擊的需求，國內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究，美國Sperry 船舶公司為其MK 49船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研制了一個沖擊隔離系統(tǒng)，該系統(tǒng)在六邊形結(jié)構(gòu)中使用了液體彈簧隔沖器，能夠?qū)_擊降低到30g 范圍內(nèi)并且具有較高的位置回復(fù)精度。目前，國內(nèi)的科研院針對艦載激光慣導(dǎo)的沖擊隔離器正在進(jìn)行研究試驗，主要形式有六連桿彈簧-液壓阻尼系統(tǒng)、十二連桿彈簧-空氣阻尼系統(tǒng)。

本文設(shè)計了六連桿彈簧-液壓阻尼形式的激光慣導(dǎo)沖擊隔離器，并利用多體動力學(xué)軟件ADAMS 對其進(jìn)行數(shù)值仿真分析，確定其主要參數(shù)，對抗沖擊性能進(jìn)行計算，并進(jìn)行了試驗驗證。

1 艦載激光慣導(dǎo)沖擊隔離器結(jié)構(gòu)形式

六連桿并聯(lián)機構(gòu)是一種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)形式，具有三個沿軸方向的平動自由度和三個繞軸方向的轉(zhuǎn)動自由度。將六連桿并聯(lián)機構(gòu)的支撐桿設(shè)計為彈簧-阻尼形式便成為六連桿沖擊隔離器。因具有多方向的沖擊隔離能力以及沖擊完成后較高的位置回復(fù)精度，能很好地滿足艦載激光慣導(dǎo)的緩沖需求。

六連桿沖擊隔離器由下臺體、上臺體及6 根阻尼連桿組成。下臺體與艦船相連，承受船體傳來的沖擊；上臺體與激光慣導(dǎo)設(shè)備相連，承受工作負(fù)載；阻尼連桿通過關(guān)節(jié)軸承連接上臺體及下臺體，如圖1 所示。阻尼連桿為核心部件，由上彈簧、下彈簧、阻尼器及限位機構(gòu)組成。其上彈簧承受自上而下的沖擊，下彈簧承受自下而上的沖擊，阻尼器用于消耗沖擊能量，限位機構(gòu)用于沖擊完成后回復(fù)到固定的位置；通過對上彈簧和下彈簧施加合適的預(yù)緊力使其在正常工作過程中阻尼桿長度不發(fā)生變化，并消除各零件之間的間隙。

圖1 六連桿沖擊隔離器Fig.1 Hexapod shock isolator

2 六連桿沖擊隔離器性能分析

2.1 六連桿沖擊隔離器隔沖效率分析

（1）沖擊載荷及數(shù)學(xué)模型。艦載設(shè)備的沖擊試驗在沖擊機上進(jìn)行，其沖擊波形及作用時間較為復(fù)雜，國軍標(biāo)及相關(guān)文獻(xiàn)沒有給出具體的沖擊譜，但在設(shè)計時給出了抗沖擊設(shè)計評估計算方法。按照計算方法來分，目前抗沖擊設(shè)計評估方法主要有DDAM 法和時域模擬法[1]。本文的仿真分析采用時域模擬法輸入，以此方法來規(guī)范沖擊環(huán)境，目前得到了廣泛的應(yīng)用。利用BV043－85 轉(zhuǎn)換公式變換為組合三角波輸入，時域沖擊載荷對應(yīng)的計算譜如圖2 所示[2]。圖中所示曲線其加速度公式為：

圖2 時域沖擊加速度曲線Fig.2 The accelerate curve of shock in time domain

根據(jù)文獻(xiàn)[3]按沖擊烈度最強、加速度幅值大、持繼時間短的I 類安裝區(qū)域的沖擊譜作為輸入條件。圖2 中各點參數(shù)值如表1 所示。

（2）隔沖參數(shù)確定。上彈簧主要參數(shù)有剛度系數(shù)Ks，變形量Xs，預(yù)緊力Fs；下彈簧主要參數(shù)有剛度系數(shù)Kx，變形量Xx，預(yù)緊力Fx；阻尼器的阻尼系數(shù)為，阻尼器的最大相對速度為V。以上為影響隔沖效率的主要參數(shù)，也是彈簧設(shè)計及阻尼器設(shè)計的主要依據(jù)。

通過多體動力學(xué)軟件ADMAS 進(jìn)行仿真分析。將表1中的沖擊載荷譜作為輸入條件，以隔沖后的瞬時最大加速度值小于40g 為優(yōu)化目標(biāo)，即隔沖效率不低于79.2%，分別以上彈簧剛度Ks、下彈簧剛度Kx，阻尼器阻尼系數(shù)D 為設(shè)計變量并賦以初始值，將設(shè)計過程中阻尼連桿的空間距離作為約束條件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過多次計算比較，當(dāng)上彈簧剛度Ks為20N/mm，下彈簧剛度Kx為40N/mm，阻尼桿系數(shù)D 為0.45Ne wton－sec/mm 時，能同時滿足沖擊隔離目標(biāo)和工程設(shè)計要求。在此條件下的沖擊響應(yīng)、彈簧變形下圖所示。

表1 時域沖擊曲線對應(yīng)參數(shù)Tab.1TheparameterofShock curveintimedomain

垂向向上沖擊：如表1 所示，基座垂向最大沖擊為ax=192g，垂向向上沖擊時沖擊譜與響應(yīng)譜如圖3（a）所示。經(jīng)過隔沖后瞬時最大加速度峰值為as=2.8×102m/s2，即28g。彈簧變形如圖3（b）所示。上彈簧最大變形Xs=20.5mm，下彈簧最大變形Xx=28.3mm。阻尼桿相對速度：V＝4.32m/s。垂向向上沖擊時的隔沖效率為85.4%。

垂向向下沖擊：沖擊時其沖擊譜與響應(yīng)譜如圖4（a）所示，經(jīng)過隔沖后瞬時最大加速度峰值為as=3.466×103m/s2，即34.6g。彈簧變形量如圖4（b）所示。上彈簧最大變形Xs=29.7mm，下彈簧最大變形Xx=13.5mm。阻尼桿相對速度：V＝4.12m/s。垂向向下隔沖效率為82%。

橫（縱）向沖擊：如表1 所示，橫向沖擊與縱向沖擊時沖擊譜相同，瞬時最大加速度為170g。橫向沖擊時沖擊譜與響應(yīng)譜如圖5（a）所示。經(jīng)過隔沖后上臺體瞬時最大加速度峰值為as=1.8×102m/s2，即18g。彈簧變形如圖5（b）所示。上彈簧最大變形Xs=9.59mm，下彈簧最大變形Xx=18.07mm。阻尼桿相對速度：V＝3.5m/s。橫向沖擊隔沖效率為89.4%。

2.2 動姿態(tài)精度分析

沖擊隔離器的位置回復(fù)精度與其組成元件的加工精度以及裝配時的各環(huán)節(jié)的配合間隙相關(guān)，本文不做討論。沖擊隔離器的動姿態(tài)保持精度除了與上述加工精度以及裝配間隙相關(guān)外，上彈簧與下彈簧的預(yù)緊力對其有重要影響。沖擊結(jié)束后，在預(yù)緊彈簧的作用下，保證阻尼連桿總長度回復(fù)到?jīng)_擊前的平衡位置。

圖3（a）垂向向上沖擊響應(yīng)譜Fig.3（a）The response spectrum to the upward-shock

圖3（b）垂向向上沖擊彈簧變形Fig.3（b）The deform of the springs to the upward-shock

圖4（a）垂向向下沖擊響應(yīng)譜Fig.4（a）The response spectrum to the downward-shock

圖4（b）垂向向下沖擊彈簧變形Fig.4（b）The deform of the springs to the downward-shock

圖5（a）橫向沖擊響應(yīng)譜Fig.5（a）The response spectrum to the laterally-shock

圖5（b）橫向沖擊彈簧變形Fig.5（b）The deform of the springs to the laterally-shock

設(shè)沖擊隔離器的加工精度與裝配間隙均為理想狀態(tài)，設(shè)艦船的最大搖擺幅度為－20～20°，以上臺體與下臺體的相對轉(zhuǎn)角為優(yōu)化目標(biāo)，以上彈簧的預(yù)緊力Fs和下彈簧的預(yù)緊力Fx為設(shè)計變量，將設(shè)計過程中阻尼連桿的空間距離作為約束條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過多次迭代計算，最終確定下彈簧預(yù)緊力Fx為44N，上彈簧預(yù)緊力Fs為13N。圖6 所示為半個搖擺周期內(nèi)的角度變化。由圖中可以看出，搖擺時上臺體繞下臺體的轉(zhuǎn)角最大值為0.0092°，約33 角秒，滿足激光慣導(dǎo)使用要求。

圖6 搖擺時上臺體與下臺體的夾角變化Fig.6 The angle changes between the upplate and the base-plate during rolling

3 試驗驗證

在輕型沖擊機上對6 連桿沖擊隔離器抗沖擊性能進(jìn)行測試，沖擊時使用與激光慣導(dǎo)等質(zhì)量的模擬載荷，將沖擊隔離器固定在沖擊機的砧座上，如圖7 所示。使用動態(tài)信號測試儀分別測試基礎(chǔ)（砧座）的加速度及負(fù)載的加速度。垂向沖擊時沖擊錘從1.5m 高處落到砧板上，產(chǎn)生的激勵加速度譜如圖8（a）及所示，響應(yīng)加速度譜如圖8（b）所示。濾除頻率500Hz以上的波形后，最大激勵加速度值為350g，響應(yīng)加速度值為42g，垂向沖擊隔離效率為88%。

橫向沖擊時沖擊錘從90°高度落下沖擊砧座側(cè)面，產(chǎn)生的激勵加速度譜如圖9（a）及所示，響應(yīng)加速度譜如圖9（b）所示。濾除頻率500Hz 以上的波形后，最大激勵加速度值為－230g，響應(yīng)加速度值為－35g，橫向沖擊隔離效率為84.7%。另外,在橫向隔離時產(chǎn)生了二次沖擊，加速度值達(dá)到55g，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是

圖7 沖擊隔離器沖擊試驗Fig.7 Shock test for the Shock-isolator

圖8 (a) 1 基礎(chǔ)垂向激勵譜Fig.8(a) The vertical Excitation spectrum of the base

圖8 (b) 負(fù)載垂向響應(yīng)譜Fig.8(b) The vertical response spectrum of the load

圖9 (a) 2 基礎(chǔ)橫向激勵譜Fig.9(a) The laterally Excitation spectrum of the base

圖9 (b) 負(fù)載垂向響應(yīng)譜Fig.9(b) The laterally response spectrum of the load

由于阻尼器在二次沖擊行程中存在空回所致。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的艦載激光慣導(dǎo)沖擊隔離器結(jié)構(gòu)合理，通過數(shù)值仿真方法得到彈簧及液壓阻尼器設(shè)計參數(shù)，仿真分析表明其橫向隔沖效率和橫向隔沖效率均在80%以上，動姿態(tài)保持精態(tài)為33 角秒。最后經(jīng)過沖擊試驗測得數(shù)據(jù)表明，隔沖效率與仿真分析基本一致，能滿足艦載激光慣導(dǎo)的使用要求。

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