機載慣導系統(tǒng)減振設計

寧月光，賈新強

（海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，西安 710043）

0 引言

慣性導航系統(tǒng)是載機主要導航信息源，為載機提供位置、速度以及航向、姿態(tài)等信息，并與自動駕駛儀、雷達以及火控系統(tǒng)交聯(lián)，其性能及可靠性直接影響載機的飛行安全及飛行任務的完成。

機載慣導系統(tǒng)的使用環(huán)境惡劣，要承受多種形式的沖擊和振動，如飛機起飛降落、發(fā)射導彈等帶來的沖擊，發(fā)動機運轉、炮擊、氣動擾流帶來的振動等，這些環(huán)境不僅會影響慣性元件的精度，而且會降低慣性元件和相關電子器件的壽命。

慣導系統(tǒng)要保持高精度和高可靠性，其減振系統(tǒng)設計至關重要[1]。

1 機載慣導系統(tǒng)對減振的要求

機載慣導系統(tǒng)按照其原理的不同，可分為平臺慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導系統(tǒng)[2]，平臺式慣導系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用在各種機型中，隨著激光陀螺技術和計算機技術的飛速發(fā)展，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)技術也日趨成熟，由于其具有的高可靠性和良好經(jīng)濟性，開始逐步取代平臺式慣導系統(tǒng)，成為機載慣導系統(tǒng)主流產(chǎn)品[1]。

對于慣導系統(tǒng)而言，其減振系統(tǒng)的設計一般需滿足：

（1）減振系統(tǒng)的固有頻率應滿足系統(tǒng)的要求；

（2）較高的衰減率；

（3）良好的高低溫性能；

（4）減振系統(tǒng)能準確傳遞定位基準；

（5）無角振動或較小的角振動。

與航天和航海慣導系統(tǒng)相比，由于使用環(huán)境的不同，機載慣導系統(tǒng)對減振系統(tǒng)的設計有著特殊的要求：

（1）尺寸小，重量輕；

（2）三方向等剛度設計；

（3）壽命不低于7.5年；

（4）能抵抗較強的耐久振動試驗。

2 機載慣導減振系統(tǒng)設計

2.1 機載慣導減振系統(tǒng)動力學模型

平臺慣導系統(tǒng)由一個四環(huán)全姿態(tài)慣性平臺和相應的電子線路組成，慣性平臺環(huán)架由內(nèi)向外依次為方位環(huán)、內(nèi)橫滾環(huán)、俯仰環(huán)以及外橫滾環(huán)，方位環(huán)的臺體上裝有兩個動力調(diào)諧陀螺和三個擺式加速度計，減振器布置在平臺環(huán)架與機箱之間，隔離載體的各種振動和沖擊，減少外部環(huán)境對陀螺和加速度計的影響[3][4]。

假設慣導減振系統(tǒng)六個自由度完全解耦，則平臺慣導系統(tǒng)沿一個軸簡化的動力學模型為五節(jié)點模型，如圖 1（a）所示，其中參數(shù)（M1，K1，C1），（M2，K2，C2），（M3，K3，C3），（M4，K4，C4），（M5，K5，C5）分別代表平臺慣導系統(tǒng)方位環(huán)、內(nèi)滾環(huán)、俯仰環(huán)、外滾環(huán)以及減振系統(tǒng)的質(zhì)量、彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)。平臺慣導系統(tǒng)動力學模型比較復雜，每個單元的參數(shù)難以精確確定，因而計算難度大。

實際分析計算中，常常將四個環(huán)架部分看成一個整體，通過試驗測試出其總的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)，這樣平臺慣導系統(tǒng)動力學模型就可以簡化為圖1(b)的形式[3]。

捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)由一個臺體和相應的電子線路組成，臺體上裝有三個單軸激光陀螺和三個擺式加速度計，減振器布置在臺體與機箱之間，減少外部環(huán)境對陀螺和加速度計的影響。捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)動力學模型與平臺式慣導系統(tǒng)簡化后的模型一致，見圖1(b)所示，其數(shù)學表達式與式(1)相同[5][6][7]。

圖1 平臺慣導系統(tǒng)振動動力學模型

圖1（b）所示的平臺慣導系統(tǒng)動力學模型的數(shù)學表達式如下：

2.2 機載慣導減振系統(tǒng)設計

2.2.1 機載慣導減振系統(tǒng)技術指標

機載慣導減振系統(tǒng)的技術指標包含以下內(nèi)容：

（1）固有頻率

減振系統(tǒng)固有頻率為額定載荷情況下減振系統(tǒng)的諧振頻率，通常用激勵為 1g的正旋振動時減振系統(tǒng)的響應來確定。

（2）固有頻率處的放大倍數(shù)

減振系統(tǒng)固有頻率的放大倍數(shù)為諧振頻率處響應幅值與激勵源幅值之比。

（3）衰減率

衰減率是減振系統(tǒng)的重要指標，它標志著減振系統(tǒng)的減振性能，常以某個固定頻率處減振內(nèi)外振動幅值的比來表示。以平臺慣導系統(tǒng)為例，其衰減率定義為100 Hz處減振系統(tǒng)振動幅值與基座振動幅值的比。

（4）阻尼比

阻尼是自由振動衰減的各種摩擦和其它阻礙作用，主要是減振器內(nèi)材料的熱損耗。阻尼比是阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比，是反映減振系統(tǒng)減振性能的一項重要指標。它與固有頻率處的放大倍數(shù)有一定的對應關系。

（5）固有頻率的溫度變化范圍

機載慣導系統(tǒng)的工作溫度變化范圍較大，從-50℃到+70℃，減振系統(tǒng)固有頻率在該溫度范圍內(nèi)的變化應控制在一定的范圍，固有頻率變化較大，將影響系統(tǒng)的振動性能。

2.2.2 機載慣導減振系統(tǒng)設計

（1）機載慣導減振系統(tǒng)結構形式

機載慣導的減振系統(tǒng)是六自由度系統(tǒng)，為了實現(xiàn)慣導系統(tǒng)三個坐標軸的完全解耦，其布局必須符合重心安裝，即減振系統(tǒng)的幾何中心與被減振部分的質(zhì)心重合，而且減振系統(tǒng)沿三個坐標軸對稱布局。

機載慣導減振系統(tǒng)減振器的布局形式多種多樣，常用的結構形式見圖2[8]。

在圖2中，假設被減振部分的質(zhì)心位于圖示的正方體的中心，則減振器布局形式（a）、（b）和（d）完全符合沿坐標系對稱且滿足質(zhì)心和幾何中心重合的條件，因而減振系統(tǒng)六個自由度的振動互不耦合，相對獨立，是理想的結構形式。

圖2 減振器布局形式

對于平臺式慣導系統(tǒng)，由于平衡環(huán)架本身為對稱結構，上面的假設容易滿足，但對于捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，被減振部分的質(zhì)心往往無法滿足上面的假設，除了需要進行質(zhì)心配平外，還需要對減振系統(tǒng)的布局進行調(diào)整，減振系統(tǒng)中每個減振器的頻率也應根據(jù)具體結構形式進行合理匹配。航空機載環(huán)境要求慣導系統(tǒng)沿慣導坐標系三個軸承受振動的能力相同，為了保證這個條件，除了減振系統(tǒng)具有對稱結構外，減振器的結構設計和選型也要滿足沿三軸剛度相同，即三向等剛度設計。

（2）減振器材料選擇

減振器的材料主要采用橡膠和金屬兩種，有時也可將兩者結合起來構成金屬橡膠減振器。

橡膠是一種高分子物質(zhì),有良好的消音、隔振及緩沖能力，其主要性能參數(shù)由橡膠的硬度及彈性模數(shù)、許用強度及最大允許變形、形狀系數(shù)及動態(tài)系數(shù)和阻尼比決定。

橡膠減振器的特點是尺寸小，結構簡單,能自由地選取 3個方向的剛度,不需要很復雜的結構就能得到優(yōu)良的隔振和降噪效果,同時還具有適當?shù)膬?nèi)摩擦阻尼，使其能夠在比較短的時間周期內(nèi)、在電器設備的共振頻率下發(fā)揮隔振作用，特別是能吸收高頻振動與沖擊振動能量,因而對降低和吸收高頻結構噪聲及沖擊激勵能產(chǎn)生顯著效果。

目前幾乎所有機載慣導減振系統(tǒng)的減振器均選用橡膠減振器。各種常用減振橡膠性能對比見表1。

表1 各種常用減振橡膠性能對比

航空機載慣導減振系統(tǒng)一般要求固有頻率處的放大倍數(shù)不超過4，所以阻尼比一般選在0.15至0.25之間。

硅橡膠與其它橡膠材料相比，高低溫性能好且耐老化，阻尼性能可通過優(yōu)化配方加以提高，比較符合機載慣導系統(tǒng)對溫度環(huán)境和壽命的要求，是機載慣導系統(tǒng)減振器的首選材料。

但橡膠減振器的剛度隨頻率、溫度、振幅和硬度而變化，對環(huán)境要求較高,使用壽命有限。國內(nèi)已有研究機構在進行金屬減振器應用的研究，主要使金屬減振器小型化，并取得了較好的進展。

（3）減振系統(tǒng)固有頻率設計

根據(jù)系統(tǒng)振動的動力學方程和陀螺和加速度計的敏感頻率，結合慣導系統(tǒng)物理模型仿真試驗，綜合考慮確定減振器的固有頻率。對于平臺式慣導系統(tǒng)還必須考慮穩(wěn)定回路各環(huán)的固有頻率，原則上，減振系統(tǒng)固有頻率應遠離慣性元件敏感頻率，一般小于敏感頻率最小值的二分之一。

（4）減振系統(tǒng)阻尼特性設計

減振系統(tǒng)的阻尼特性的選取與減振系統(tǒng)固有頻率放大倍數(shù)直接相關，其關系為：

式中，K為減振系統(tǒng)阻尼比；Qmax為減振系統(tǒng)固有頻率處的放大倍數(shù)

2.3 減振系統(tǒng)的實驗研究

減振系統(tǒng)裝配前要進行減振器配對篩選以及安裝位置調(diào)試和測量，減振系統(tǒng)裝配完成后，通常要進行固有頻率測試以及角振動試驗，以檢驗減振結構是否滿足系統(tǒng)的要求。

2.3.1 減振器配對試驗

主要是在專用剛度測試儀上測試每個減振器沿安裝軸方向上的剛度，然后按照剛度的大小進行分類，將剛度差在要求范圍內(nèi)的減振器分為一組，進行裝配。

也可以在振動測試臺上對每個減振器進行頻率測試，然后在按照頻率進行分類配對。

2.3.2 減振系統(tǒng)固有頻率測試

用模擬配重代替減振系統(tǒng)的真實負載，通過振動測試臺的正旋掃描，測試減振系統(tǒng)沿三個軸的固有頻率、固有頻率處的放大倍數(shù)以及100 Hz處的衰減率。

2.3.3 減振系統(tǒng)交叉耦合試驗

用模擬配重代替減振系統(tǒng)的真實負載，通過振動測試臺的正旋掃描，測試減振系統(tǒng)垂直振動時水平兩個方向的響應，該響應反映減振系統(tǒng)交叉耦合的大小，應控制在較小的范圍內(nèi)。該響應一般控制在垂直振動量級的10-15%。

2.3.4 減振系統(tǒng)耐久試驗

機載慣導系統(tǒng)經(jīng)過耐久試驗后減振器應功能正常，本身無損傷。

橡膠減振器經(jīng)過耐久試驗后，經(jīng)常會出現(xiàn)橡膠體與金屬嵌件之間開裂、橡膠體內(nèi)部撕裂等現(xiàn)象，如何解決和克服上述現(xiàn)象，是橡膠減振器研制的一大難題。比較可行的方法是對金屬表面進行有效處理、盡可能增加金屬嵌件與橡膠的結合面積以及改善橡膠配方提高橡膠的撕裂強度。

3 機載慣導減振系統(tǒng)設計實例

根據(jù)某型機載平臺慣導系統(tǒng)總體設計要求，其減振系統(tǒng)采用了以下方案：

減振系統(tǒng)結構形式：采用圖2所示的結構形式，減振系統(tǒng)由兩組八個減振器組成，每組四個減振器，對稱布置在正方形的對角線上，以最大限度地減小減振系統(tǒng)的尺寸，如圖3所示。減振器采用JPS型結構。

固有頻率：安裝在平臺慣導系統(tǒng)臺體上的撓性陀螺得一倍頻頻率為240Hz，加速度計的敏感頻率為 1000Hz，穩(wěn)定回路各環(huán)的頻率在 70～110Hz之間。根據(jù)平臺慣導系統(tǒng)動力學數(shù)學模型計算分析，減振器的頻率最佳范圍應為30～45之間。

圖3 減振系統(tǒng)及減振器結構形式

經(jīng)過實際物理模型的實驗驗證，最終確定減振器的頻率為38±3Hz。固有頻率放大倍數(shù)：小于4；高低溫頻率變化范圍：小于15Hz；100Hz衰減率：大于80%，減振系統(tǒng)實際測試曲線見圖4。

該減振系統(tǒng)固有頻率39.5Hz，放大倍數(shù) 2.5，100Hz處衰減率 85%，高低溫固有頻率變化范圍14Hz，完全滿足系統(tǒng)的設計要求。

圖4 減振系統(tǒng)測試曲線

4 結論

本文根據(jù)機載慣導系統(tǒng)的使用環(huán)境，提出了系統(tǒng)對減振系統(tǒng)的要求，并針對平臺式慣導系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，建立了相應的系統(tǒng)振動動力學模型。在總結減振系統(tǒng)設計指標的基礎上，提出了機載慣導減振系統(tǒng)的設計方法，并給出了一個平臺慣導減振系統(tǒng)設計實例，該減振系統(tǒng)滿足系統(tǒng)需要。

[1]秦永元.慣性導航[M].北京:科學出版社,2006:133-134,287-288.

[2]陳永冰,鐘斌.慣性導航原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:103-104.

[3]程峰,任戈.慣性穩(wěn)定平臺建模及振動傳遞分析[J].光電工程,2006,33（4）:19-22.

[4]黃金威,楊鵬軍,于云峰,王佳民.慣性平臺橡膠減振器彈性特性的有限元分析[J].機械設計,2006,23（11）:51-54.

[5]庹洲慧,胡德文,李明華,魏建全.捷聯(lián)慣導系統(tǒng)減振設計[J].中國慣性技術學報,2009,17（6）:648-650.

[6]王海峰,吳斌,張敏,李春樸.激光捷聯(lián)慣導減振系統(tǒng)設計與應用[J].航天控制,2007,25（6）:81-85.

[7]楊福峰,芮筱亭,馬蕾.激光陀螺捷聯(lián)慣導減振系統(tǒng)動力學建模與仿真[J].中國慣性技術學報,2008,16（3）:301-305.

[8]姚建軍.捷聯(lián)慣導系統(tǒng)不同隔振方式的比較[J].強度與環(huán)境,2009,36（2）:19-27.