艦艇激光慣導沖擊隔離器技術(shù)研究?

肖 勝（海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室武漢430223）

艦艇激光慣導沖擊隔離器技術(shù)研究?

肖 勝
（海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室武漢430223）

沖擊隔離器除用于承載慣性測量組件，其主要作用是吸收消耗外界沖擊傳遞到設(shè)備上的能量，減小載荷安裝基面的振動強度，保證激光慣導的導航技術(shù)指標。論文對六連桿沖擊隔離器技術(shù)進行研究，該沖擊隔離器采用并聯(lián)平臺的機構(gòu)形式。經(jīng)過對沖擊隔離器進行建模、仿真分析及試驗驗證，結(jié)果表明該技術(shù)實現(xiàn)了艦艇激光慣導對沖擊隔離器的要求。

艦艇激光慣導；六連桿；沖擊隔離器

Class Num ber V249

1 引言

旋轉(zhuǎn)調(diào)制激光慣導核心器件為慣性測量組件（IMU），慣性測量組件中對振動（沖擊）最敏感的元件是三個環(huán)形激光陀螺。為耐受艦船自身武器發(fā)射、非接觸爆炸等非重復性的強烈沖擊，激光慣導慣性裝置需要承受三個方向的強烈沖擊，根據(jù)環(huán)形激光陀螺的環(huán)境適應性條件，激光陀螺要求外界對其的沖擊小于56g，因此需要通過慣性裝置沖擊隔離器將各種振動源衰減到低于56g的指標。沖擊隔離器除用于承載IMU組件外，其主要作用是吸收消耗外界沖擊傳遞到設(shè)備上的能量，減小載荷安裝基面的振動強度，隔離外界強烈沖擊對慣性測量組件的影響，并在沖擊后保證激光慣導的導航技術(shù)指標。

2 典型國外激光慣導沖擊隔離器

Sperry公司的MK49船用慣性導航系統(tǒng)（SINS）為北約標準慣性導航系統(tǒng)，為滿足STANAG 4141，BR3021MK 49等標準規(guī)定的艦載導航設(shè)備振動沖擊條件，Sperry研制了一型新型沖擊隔離器系統(tǒng)，該型沖擊隔離器采用由六根聯(lián)緩沖阻尼桿組成，阻尼桿隔振器采用定制設(shè)計的壓力-壓縮液體彈簧/減震器。硅油被壓縮后可以提供預載、彈力和阻尼力。通過改變內(nèi)部參數(shù)，如減振支柱預載、彈簧與阻尼特性、需要的總沖程及支柱的幾何形狀，可以便控制減振系統(tǒng)的性能。

3 沖擊隔離器隔振技術(shù)研究

3.1 沖擊隔離器設(shè)計要求

為耐受艦船自身武器發(fā)射、非接觸爆炸等非重復性的強烈沖擊，按照GJB150A-2009的要求，慣性裝置三個方向的強烈沖擊，沖擊隔離器將各種振動刺激源衰減到低于56g的IMU使用環(huán)境要求。為了預留一個合理的安全系數(shù)，選擇設(shè)計目標為40g，作為IMU經(jīng)受的最大可允許的級別。

3.2 沖擊隔離器組成

沖擊隔離器采用并聯(lián)平臺機構(gòu)形式，通過六條支鏈的阻尼連桿（簡稱六連桿）的共同作用來減小沖擊影響。與傳統(tǒng)的隔離器相比，其具有以下優(yōu)點［1~3］：

1）采用多條支鏈并聯(lián)支撐，沖擊隔離器的剛度大，承載能力強；

2）并聯(lián)平臺的機構(gòu)形式減小各個關(guān)節(jié)的誤差積累，重復精度高；

3）采用對稱形式，各條支鏈受力均衡，沖擊隔離器的協(xié)調(diào)性好；

4）采用并聯(lián)平臺機構(gòu)形式使沖擊隔離器具有良好的六維減振效果。

沖擊隔離器由載荷安裝上下臺體、緩沖阻尼桿、球形鉸鏈等構(gòu)成（圖1），其上下臺體用于安裝慣性測量組件與單軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的剛性集成體，最終通過球形鉸鏈和緩沖阻尼桿與設(shè)備法蘭固聯(lián)。

沖擊隔離器采用并聯(lián)平臺的機構(gòu)形式，通過六連桿的位移變形能力，來儲存吸收沖擊過程中的沖擊能量。彈性阻尼器采用內(nèi)置式隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計，其布局為上下對稱形式，使其具有良好的防沖擊特性。

阻尼連桿采用液壓阻尼-彈簧組合式減震器。彈簧被壓縮以提供預載及彈力，硅油液壓阻尼器提供阻尼力，減振彈簧、液壓阻尼器集成在圓柱支撐桿中。減振阻尼連桿設(shè)內(nèi)限位機構(gòu)，滑動端采用高精度直線軸承，沖擊結(jié)束后，在預緊彈簧的作用下，保證阻尼連桿總長度自動回復到?jīng)_擊前的平衡位置，且復位誤差小于0.01mm，從而保證緩沖隔離器的恢復精度要求。

根據(jù)沖擊隔離器的使用要求，需要解決并聯(lián)機構(gòu)的動力學分配和彈性阻尼器的設(shè)計兩個問題。這兩個問題是相互影響、相互制約的，需要多次計算反復迭代來解決。設(shè)計沖擊隔離器擬采用的步驟為：

1）根據(jù)主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標對體積要求，計算沖擊隔離器的機構(gòu)參數(shù)，分析沖擊隔離器的動態(tài)特性。

2）根據(jù)艦艇激光慣導的抗沖擊要求，預定隔振衰減系數(shù)計算載荷安裝基面的加速度，分析各支鏈的彈性阻尼器受力情況。

3）結(jié)合沖擊隔離器的動態(tài)特性，估算彈性阻尼器的剛度系數(shù)；采用Ansys及Adams仿真工具分析、評價沖擊隔離器的抗沖擊性能。

4 沖擊隔離器仿真分析

4.1 沖擊隔離器動力學模型分析

根據(jù)沖擊隔離器六連桿的結(jié)構(gòu)特點，將沖擊隔離器分為三組機構(gòu)，每組機構(gòu)簡化模型如圖2所示。

該模型由兩個對稱夾角a的阻尼桿構(gòu)成，桿的阻尼系數(shù)為C，剛度為k，負載質(zhì)量為m，根據(jù)輕型沖擊機的特點，按照給定的沖擊譜，沖擊隔離器中心點由O點運動到O′點。

根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)尺寸，可以得到：

式中，Z可以作為仿真的輸入值，即為激光慣導沖擊譜曲線，y為負載的相對運動值，通過優(yōu)化阻尼常數(shù)C及彈簧剛度k值，在Matlab環(huán)境下，可以得出傾角45°情況下，沖擊隔離器的不同阻尼及彈簧剛度的設(shè)計參數(shù)值，其結(jié)果如表一所示。該設(shè)計參數(shù)可作為阻尼桿的設(shè)計各參數(shù)選型的重要依據(jù)。

表1 傾斜角為45°沖擊隔離器設(shè)計參數(shù)值

4.2 沖擊隔離器ADAMS環(huán)境下仿真分析

利用Pro/EWildfire2.0軟件對沖擊隔離器進行精確的三維實體模型繪制，然后通過Pro/E與AD?AMS的接口程序Mechanic/Pro（簡稱M/Pro）進行剛體的定義和約束的施加，沖擊隔離器的幾何模型建立后，對幾何模型施加運動學約束、驅(qū)動約束、外力或外力矩等物理模型要素，便可得到表達系統(tǒng)力學特性的物理模型。

按照激光陀螺慣性導航系統(tǒng)抗沖擊要求中隔離支撐慣導設(shè)備沖擊設(shè)計譜，對某型沖擊隔離器整體模型采用Adams仿真分析軟件，激光慣導垂向和橫向沖擊響應譜見圖4、5。

該圖表明，采用本技術(shù)，IMU所受最大加速度約為32g，滿足艦艇激光慣導設(shè)備沖擊隔離器的設(shè)計要求。

5 沖擊隔離器試驗驗證

為了進一步驗證該型沖擊隔離器的設(shè)計效果，對該型沖擊隔離器按照GJB 150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》中規(guī)定的沖擊試驗方法進行了三個方向的沖積試驗，同時在上臺面對沖擊后的加速度值進行采集，圖6結(jié)果是錘頭從1.5m落差高度沖擊，沖擊隔離器上臺體加速度響應曲線。

從圖6可以看出，擺錘造成的沖擊經(jīng)過沖擊隔離器后，各種振動源衰減到36g，低于56g的指標要求。

6 結(jié)語

通過仿真分析及沖擊試驗表明，激光慣導沖擊隔離器采用并聯(lián)平臺機構(gòu)形式，通過六連桿的共同作用來減小沖擊影響，有效地隔離外界強烈沖擊對慣性測量組件的影響，滿足了艦艇激光慣導對沖擊隔離器的要求。

［1］張洪.現(xiàn)代施工工程機械［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］Singiresu S.RAO.機械振動（第四版）［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［3］李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［4］張靜，許東來.ADAMS在并聯(lián)機構(gòu)運動學分析中的應用［J］.機電工程，2010，27（9）：57-60.

［5］Singiresus S.Rao.機械振動［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［6］馮麒涵，汪玉，杜劍業(yè)，等.艦船設(shè)備沖擊響應計算方法等效性研究［J］.艦船電子工程，2011（S2）：210-214.

［7］宮國田，金輝，張金朱紅，等.國外艦艇抗水下爆炸研究進展［J］.兵工學報，2010（S1）：293-298.

［8］汪國和，華宏星，吳廣明.艦船機械設(shè)備沖擊隔離技術(shù)研究進展［J］.船舶力學，2006，10（1）：135-144.

Im pact Insolator Technology for RLG-SINSSystem

XIAO Sheng
（Navy Representative Office ofOptoelectronic System in Zhongnan Area，Wuhan 430223）

The impact insolator isused to carry the inertialmeasurementmodule，itsmain role is to absorb theexternal impact of the energy delivered to the device to reduce the load on the base surface of the vibration intensity，to ensure the navigation techni?cal indicators of RLG-SINSSystem.In this paper，the six-bar impact isolator technology is studied，the impact isolator adopts the parallelplatformmechanism.The simulation resultsshow thatthe technology achieves the requirementsof the impact isolator。

RLG-SINSsystem，six links，impact isolator

V249

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.012

2016年11月9日，

2016年12月13日

肖勝，男，博士，工程師，研究方向：作戰(zhàn)指控、導航系統(tǒng)。