南極內(nèi)陸精密儀器運(yùn)輸減振設(shè)計(jì)與測(cè)試

溫海焜, 宮雪非, 杜福嘉, 李正陽(yáng), 張　如

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京　210042； 2.中國(guó)科學(xué)院 天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京　210042)

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南極內(nèi)陸精密儀器運(yùn)輸減振設(shè)計(jì)與測(cè)試

溫海焜1,2, 宮雪非1,2, 杜福嘉1,2, 李正陽(yáng)1,2, 張如1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京210042； 2.中國(guó)科學(xué)院 天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210042)

Dome A是南極內(nèi)陸冰蓋海拔最高的地區(qū)，最高點(diǎn)為4 093 m，氣候條件極為惡劣，它位于南緯80°22′51″，東經(jīng)77°27′23″，冬季溫度零下80°以下，水汽含量低，連續(xù)數(shù)月的黑夜可連續(xù)觀測(cè)。這些特點(diǎn)使其成為地球最好的天文觀測(cè)臺(tái)址。目前我國(guó)雖然已經(jīng)成功建立了南極第一個(gè)內(nèi)陸站—昆侖站，但是該內(nèi)陸站在近年內(nèi)也只能滿足度夏工作的需要。因此，現(xiàn)場(chǎng)裝配調(diào)試精密科學(xué)儀器的時(shí)間和條件都極為有限，很多運(yùn)行設(shè)備和科學(xué)儀器必須在運(yùn)輸前就全部裝配調(diào)試好，現(xiàn)場(chǎng)拆箱就能使用，這對(duì)于精密儀器的運(yùn)輸包裝提出了很大的挑戰(zhàn)[1]。從2007年至今，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所利用測(cè)振設(shè)備，沿途不間斷的監(jiān)測(cè)了該路段運(yùn)輸過程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)近幾年的科考振動(dòng)數(shù)據(jù)資料顯示，該運(yùn)輸振動(dòng)/沖擊產(chǎn)生的加速度值遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)普通公路的運(yùn)輸加速度值。目前整個(gè)南極科考隊(duì)對(duì)于精密儀器的運(yùn)輸減振系統(tǒng)研究還比較少。

南極巡天望遠(yuǎn)鏡主鏡直徑為680 mm，有效觀測(cè)口徑500 mm，系統(tǒng)視場(chǎng)為±2.07°，系統(tǒng)焦距1 866 mm，焦比3.73，是一臺(tái)全自動(dòng)無人值守望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)可以通過衛(wèi)星傳送至國(guó)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)越冬遠(yuǎn)程觀測(cè)任務(wù)。改正鏡系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分，它包括了改正板結(jié)構(gòu)，副鏡結(jié)構(gòu)、以及CCD等部件，其中改正板鏡面的直徑為530 mm，厚度為25 mm，直徑大，厚度較薄，屬于關(guān)鍵精密易破損零件，并且在運(yùn)抵Dome A后還要求光學(xué)部件不發(fā)生偏移，因此在南極惡劣道路條件下運(yùn)輸對(duì)于減振的要求很高。

本文基于南極巡天望遠(yuǎn)鏡的改正鏡系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套適合于南極精密儀器運(yùn)輸?shù)臏p振系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效保護(hù)精密儀器在運(yùn)輸過程中不會(huì)損壞和失效。

1南極內(nèi)陸運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境

在內(nèi)陸運(yùn)輸?shù)倪^程中雪面狀況，雪地車的起動(dòng)、制動(dòng)，運(yùn)行速度；貨物重量以及同一雪橇編組的不同雪橇的位置都對(duì)運(yùn)輸振動(dòng)的情況產(chǎn)生影響。

從歷年的科考測(cè)試數(shù)據(jù)分析中我們發(fā)現(xiàn)在距離中山站800~900 km，是南極內(nèi)陸道路最顛簸的地帶。劇烈振動(dòng)的產(chǎn)生主要是由于路面的起伏不平造成的。這段路面海拔迅速上升，造成地勢(shì)陡峭，常年的極低溫造成雪面比較硬，因此沖擊振動(dòng)非常巨大。圖1和圖2分別是振動(dòng)最劇烈時(shí)的加速度時(shí)域圖和功率譜密度圖。黃色為垂直方向，紅色為左右方向，綠色為上下方向。從圖1中可以看出沖擊加速度的最大值為200 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通公路的沖擊加速度值。從圖2中可以看出，該信號(hào)的功率譜密度呈現(xiàn)出寬帶的跡象，尤其在低頻階段比較劇烈。振動(dòng)加速度主要還是集中在垂直方向，三個(gè)方向第一峰值頻率出現(xiàn)在7 Hz，而且功率譜的峰值達(dá)到了1 g2/Hz，對(duì)應(yīng)的頻率為7 Hz。

圖1　最大振動(dòng)加速度時(shí)域圖Fig.1 The time domain of the largest acceleration

圖2　最大振動(dòng)加速度功率譜密度圖Fig.2 The PSD of the largest acceleration

2南極巡天望遠(yuǎn)鏡改正鏡模態(tài)分析

在減振設(shè)計(jì)中，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析找出結(jié)構(gòu)的固有頻率以及最容易發(fā)生共振的位置，并對(duì)該位置進(jìn)行特殊有效的防護(hù)，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

圖3為改正鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，圖中可以看出為了盡量減小擋光，四葉架葉片很薄，因此該部分的剛度比較低。

從固有頻率的表及圖4中可以看出改正鏡系統(tǒng)第一階固有頻率為18.168 Hz，發(fā)生的位置為四葉架的葉片的扭轉(zhuǎn)，因此此部分為運(yùn)輸時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，在運(yùn)輸設(shè)計(jì)時(shí)需要用柔性的緩沖材料將四葉架機(jī)構(gòu)填充好，以防止該葉片發(fā)生較大幅度的扭轉(zhuǎn)，影響使用的性能。

表1　改正鏡系統(tǒng)前六階固有頻率及對(duì)應(yīng)階數(shù)

圖3　改正鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The mechanical design of the correct mirror system

圖4　改正鏡系統(tǒng)第一階固有頻率圖Fig.4 The first natural frequency of the correct mirror system

3改正鏡減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)道路運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)確定確定減振系統(tǒng)的固有頻率，然后根據(jù)固有頻率選擇適當(dāng)?shù)膹椈上禂?shù)，最后根據(jù)減振系統(tǒng)的包裝要求選取合適的包裝材料并計(jì)算包裝材料的厚度。

3.1減振系統(tǒng)固有頻率的確定

在精密儀器的運(yùn)輸工程中，振動(dòng)與沖擊產(chǎn)生的加速度是導(dǎo)致儀器遭受破壞的主要原因。對(duì)于光學(xué)精密儀器，防止振動(dòng)加速度對(duì)其的破壞顯得更為重要。為減小裝卸、運(yùn)輸過程中外界激勵(lì)對(duì)它的影響，需要將其與整個(gè)支承(運(yùn)輸工具)隔離開來。

振動(dòng)傳遞率曲線圖(見圖5)

圖5　振動(dòng)絕對(duì)傳遞率曲線圖Fig.5 The curve of the vibration transmissibility

3.2減振系統(tǒng)的模型分析及參數(shù)確定

南極巡天望遠(yuǎn)鏡的改正鏡采用懸掛式減振設(shè)計(jì)，減振器對(duì)稱布置，有六個(gè)自由度，一般固有頻率可設(shè)計(jì)的較低，減振效果好，減振系統(tǒng)占空比較大。其適用于小型、重量輕，而且對(duì)減振要求高的儀器的包裝運(yùn)輸。圖6為改正鏡懸浮式減振設(shè)計(jì)的示意圖。

圖6　改正鏡懸浮式減振系統(tǒng)圖Fig.6 The vibration attenuation design of the correct mirror system

假設(shè)被運(yùn)輸?shù)木軆x器的質(zhì)量為m，設(shè)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)上面4根彈簧的剛度系數(shù)為k2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，下面4根彈簧的剛度系數(shù)為k1，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，由于在各個(gè)方向上的固有頻率值都需要保持一致，因此k1=k2，φ1=φ2=45°，L1=L2.運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的位移為x，則該改正鏡減振系統(tǒng)，有運(yùn)動(dòng)微分方程為：

4k2(L2sinφ2-L4sinφ4)=0

式中:

根據(jù)固有頻率的公式：

(1)

將改正鏡減振系統(tǒng)的數(shù)據(jù)代入公式中：得到系統(tǒng)彈簧的剛度系數(shù)k1=k2=11 025 N/m。

3.3緩沖包裝材料的選用

脆值又稱為產(chǎn)品的易損度，是產(chǎn)品經(jīng)受振動(dòng)和沖擊時(shí)用以表示其強(qiáng)度的定量指標(biāo)。此值表示產(chǎn)品對(duì)外力的承受能力，一般用重力加速度的倍數(shù)G來表示。G值越大，表示產(chǎn)品對(duì)外力的承受能力越強(qiáng)。

改正鏡系統(tǒng)中脆值最低的為改正版和副鏡部位，都為微晶玻璃制造，屬于易損品，因此對(duì)該零件需要進(jìn)行特殊重點(diǎn)的緩沖包裝設(shè)計(jì)。微晶玻璃的許用脆值為32.6 g。

物體所受到的最大應(yīng)力的公式為：

(2)

式中:G為產(chǎn)品的許用脆值，W為產(chǎn)品的重量，A為緩沖包裝的襯墊面積

緩沖包裝襯墊厚度的計(jì)算公式為：

(3)

式中：C為產(chǎn)品的緩沖系數(shù)，H為設(shè)計(jì)包裝最大位移。

改正鏡系統(tǒng)的重量為200 kg，選取微晶玻璃的產(chǎn)品許用脆值32.6 g，緩沖包裝的襯墊面積A為改正鏡系統(tǒng)底部的面積代入其中，得到最大應(yīng)力為

物品之所以破損是因?yàn)槠涫艿臎_擊加速度過大造成的，因此緩沖材料的緩沖系數(shù)是一個(gè)基本的重要參數(shù)。緩沖系數(shù)是指最大應(yīng)力與彈性比能的比值。在材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線上取不同的點(diǎn)，就會(huì)得到不同的最大應(yīng)力，從而得到不同的緩沖系數(shù)。因此，緩沖系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，而是最大應(yīng)力的函數(shù)。這個(gè)函數(shù)成為緩沖系數(shù)最大應(yīng)力曲線。

將計(jì)算的最大應(yīng)力σm代入緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力曲線圖中可知其相對(duì)應(yīng)的最佳緩沖材料為橡膠黏結(jié)纖維。

橡膠與纖維都是很好的彈性材料，纖維與纖維及纖維與橡膠之間又有很大的空隙，因此橡膠纖維彈性變形大，彈性恢復(fù)好，抗壓強(qiáng)度高，適合包裝精密儀器及軍用貴重產(chǎn)品。所以最終確定橡膠黏結(jié)纖維為緩沖包裝的材料。

根據(jù)圖15可以得到橡膠黏結(jié)纖維的緩沖系數(shù)為3.5，在南極道路測(cè)振數(shù)據(jù)中測(cè)量到的最大位移值為0.8 m，取設(shè)計(jì)包裝最大位移H為0.8 m,因此襯墊設(shè)計(jì)的高度為

其中:C為橡膠黏結(jié)纖維的緩沖系數(shù)，H為包裝最大位移(m)，G為微晶玻璃的許用脆值。

4改正鏡動(dòng)力學(xué)模擬分析

在選擇好減振方式及緩沖材料后，建立改正鏡減振系統(tǒng)的模型，并對(duì)該模型進(jìn)行模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)分析。

表2　改正鏡運(yùn)輸包裝的固有頻率表

表1為改正鏡運(yùn)輸包裝的固有頻率表格，從表格中可以看出第一階固有頻率2.94 Hz,基本接近設(shè)計(jì)的固有頻率的要求。從下圖中可以看出改正鏡系統(tǒng)第一階固有頻率發(fā)生在上下振動(dòng)。

圖7　改正鏡減振系統(tǒng)第一階固有頻率圖Fig.7 The first natural frequency of the the correct mirror vibration attenuation system

圖8　改正鏡響應(yīng)信號(hào)垂直方向PSD圖譜Fig.8 The PSD of the correct mirrorcorrect mirror vibration attenuation system in the vibration direction

將圖2中所示的前往Dome A的最大振動(dòng)加速度功率譜密度圖作為輸入功率譜密度圖代入改正鏡減振設(shè)計(jì)的模型中，以驗(yàn)證其響應(yīng)的功率譜密度圖。

表2　改正鏡包裝運(yùn)輸模擬減振效果對(duì)比表

從圖8~10的圖中可以看出在大于3Hz的頻率范圍內(nèi)響應(yīng)加速度值有明顯的下降，在3 Hz處由于共振的作用產(chǎn)生了第一峰值，改正鏡的最大應(yīng)力為1.7 MPa，改正版的最大響應(yīng)應(yīng)力為2.4 MPa,小于玻璃的許用應(yīng)力值，因此改正鏡在該振動(dòng)信號(hào)發(fā)生時(shí)是安全的，根據(jù)減振效率的公式并結(jié)合表4的加速度均方根值可以算出：

在垂直方向上減振系統(tǒng)的減振效率為88.4%

在左右方向上減振系統(tǒng)的減振效率為83.2%

在前后方向上減振系統(tǒng)的減振效率為90.0%

三個(gè)方向的減振效率均能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖9　改正鏡響應(yīng)信號(hào)左右方向PSD圖譜Fig.9 The PSD of the correct mirrorcorrect mirror vibration attenuation system in the Longitudinal direction

圖10　改正鏡響應(yīng)信號(hào)前后方向PSD圖譜Fig.10 The PSD of the correct mirrorcorrect mirror vibration attenuation system in the lateral direction

圖11　副鏡應(yīng)力云圖Fig.11 The stress of thesecondary mirror

圖12　改正版應(yīng)力云圖Fig.12 The stress of the correct mirror

5南極運(yùn)輸實(shí)測(cè)結(jié)果

2012年南極巡天望遠(yuǎn)鏡主鏡減振系統(tǒng)模型跟隨第28次南極天文科考運(yùn)輸南極巡天望遠(yuǎn)鏡從上海到dome A。作者分別在集裝箱和改正鏡減振系統(tǒng)的上放了兩個(gè)saver3x90測(cè)振儀，分別測(cè)量外部環(huán)境振動(dòng)和減振系統(tǒng)上承受的振動(dòng)數(shù)值。

表3　2012年南極實(shí)際測(cè)量的減振效果

在2012年采集的運(yùn)輸?shù)缆纷畲蠹铀俣戎禐?53 g，方向?yàn)榇怪狈较?。?jīng)過減振系統(tǒng)的減振后，垂直方向的最大響應(yīng)加速度值為7.5 g。

圖13　外部環(huán)境振動(dòng)加速度圖Fig.13 The acceleration signal of the environment

圖14　改正鏡減振系統(tǒng)響應(yīng)功率譜密度Fig.14 The response PSD signal of the correct mirror system

圖15　改正鏡減振系統(tǒng)響應(yīng)加速度Fig.15 The response acceleration signal of the correct mirror system

從功率譜密度圖譜可以看出，減振系統(tǒng)在3 Hz左右的地方都會(huì)產(chǎn)生共振，這與動(dòng)力學(xué)模擬分析中的情形相似，也是減振系統(tǒng)固有頻率在3 Hz形成的共振。3 Hz以后的功率譜密度值有明顯的下降。經(jīng)過計(jì)算，改正鏡減振系統(tǒng)垂直方向的減振效率達(dá)到了89.9%，滿足使用的要求。

6結(jié)論

本文根據(jù)南極內(nèi)陸運(yùn)輸(中山站至dome A)的道路運(yùn)輸環(huán)境，針對(duì)南極巡天望遠(yuǎn)鏡的改正鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套適合該地區(qū)惡劣運(yùn)輸條件的精密儀器減振系統(tǒng)，并對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析預(yù)測(cè)。通過南極運(yùn)輸實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，減振系統(tǒng)的減振效率達(dá)到了70%以上，滿足設(shè)計(jì)要求，并驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)分析預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

本文感謝國(guó)家自然科學(xué)基金“中國(guó)南極天文臺(tái)儀器運(yùn)輸方法仿真分析與研究”的資助。

參 考 文 獻(xiàn)

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第一作者 溫海焜 男，工程師，1984年生

摘要：Dome A是南極冰蓋的最高點(diǎn)，由于其海拔高度高和溫度低，天文學(xué)家預(yù)計(jì)其將是地球上最好的天文臺(tái)址之一，南極Dome A將為天文觀測(cè)提供一個(gè)絕佳的窗口。但儀器設(shè)備需要從中山站通過雪橇長(zhǎng)途運(yùn)輸運(yùn)至Dome A，道路異常惡劣?；谀蠘O巡天望遠(yuǎn)鏡的改正鏡系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套適合南極Dome A運(yùn)輸?shù)木軆x器減振系統(tǒng)。首先介紹了Dome A的道路沖擊振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果，包括對(duì)振動(dòng)和沖擊加速度時(shí)域和頻域信號(hào)的分析，其次對(duì)改正鏡系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，再次根據(jù)南極Dome A運(yùn)輸?shù)缆返奶攸c(diǎn)完成了減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作，并對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬分析。最后通過在南極實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了減振系統(tǒng)有效性。

關(guān)鍵詞：改正鏡; 減振設(shè)計(jì); 南極

Vibration attenuation design and test for precise instruments during antarctic inland transport

WENHai-kun1,2,GONGXue-fei1,2,DUFu-jia1,2,LIZheng-yang1,2,ZHANGRu1,2(1. National Astronomical Observatories / Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China;2. Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology, Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China)

Abstract:Dome A is the highest location in the Antarctic inland. Due to the high altitude and the low temperature, it is considered as one of the best locations for astronomy observation. But the relevant instruments need be transported from ZhongShan station to Dome A by sledge for a long distance trip, moreover the road status is very bad. For the sake of transporting the corrector mirror system of the Antarctic Survey telescope, a vibration attenuation way to transport precise instruments to Dome A was designed. The field measurement data of the vibration and shock acceleration on the road to Dome A were introdaced, including the time histories and the frequency spectra of the vibration acceleration. A dynamic analysis on the corrector mirror of the telescope was carried out. The vibration attenuation design was put forward and the modal, analysis of the corrector mirror system was presented. According to the data measured on the spot in the Antarctic, the effectiveness of the vibration attenuation system was tested.

Key words:corrector mirror system; vibration attenuation design; Antarctic

中圖分類號(hào):TB485.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.017

通信作者宮雪非 男，研究員，碩士生導(dǎo)師，1972年生

收稿日期：2014-10-17修改稿收到日期：2014-12-31

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助(11103052)