两轴四框架结构光电稳瞄吊舱减振器谐振频率计算与试验_张卫国

文章编号:1002-2082(2008)01-0023-04
两轴四框架结构光电稳瞄吊舱减振器
谐振频率计算与试验
张卫国,陶　忠,孟立庄
(西安应用光学研究所,陕西西安710065)
摘　要:　根据振动理论分析两轴四框架系统选择减振器的要点,对某型直升机内外框架刚性连接的吊舱进行扫频振动试验,测量了谐振频率和谐振点的扫频放大率,绘制了放大率曲线。

通过使用放大率曲线计算内外框架刚性连接时系统的三向刚度。

并根据减振器刚度值,利用弹簧串联刚度的计算方法计算了使用减振器系统的三向刚度和谐振频率。

重新进行试验后,结果表明系统谐振频率和放大率都满足要求。

该结构使用减振器的要点是:减振器放大段位于伺服带宽内,系统谐振频率避开外界扰动频率以及放大率应尽可能小。

关键词:　光电吊舱;减振器;谐振频率
中图分类号:
T N 29
文献标志码:A
Resonant frequency calculation and test for damper of
two axes four
-gimbal EO pod ZHAN G W ei -g uo ,TAO Zhong ,M EN G Li -zhuang
(Xi ′an Institute of Applied O ptics,Xi ′a n 710065,China )
Abstract
:The selection of the dam pers for tw o axes fo ur -gimbal electro -o ptical (EO )po d is inv estigated according to vibratio n theo ry.A frequency scanning vibratio n test wa s car ried o ut fo r a helicopter po d whose inner gimbal w as co nnected with the outer gim bal by rigid link.The resona nt frequency and amplificatio n facto rs w ere measured a nd the am plificatio n curv es were draw ing the am plificatio n curv es,the stiffness o f the rigid link betw een the inner a nd o uter gimbals o f the pod in three directio n w as calcula ted.With the stiffness v alue of the damper,using ca scade spring co nnection calculation m ethod ,the three direction rigidity and resonant frequency o f the po d were ca lculated ag ain with dam per installed .The pod was tested again and the results indicate that the reso nance frequency a nd amplifica tion facto r m eet the requirem ent.It is concluded that three facto rs shall be considered fo r the selectio n o f da mpers,its am plificatio n rang e shall be w ithin the serv o ba ndwidth ,system reso nant frequency shall avoid ex ter nal disturbance frequency,a nd amplifica tion facto r shall be minimized.Key words :electro-o ptical pod;damper;resona nt frequency
引言
两轴四框架稳瞄光电吊舱是直升机载光电吊舱的一种常见的结构形式,由内外2个万向架组成,每个万向架有方位和俯仰2个回转轴,如图1所
示。

内框架是稳瞄系统的核心部件,整体刚性比较高。

光学传感器和陀螺安装在内万向架的光具座上。

陀螺感知内框架的角转动,传递给控制系统,在伺服系统的控制下对瞄准线进行精确稳定。

外万向
收稿日期:2006-12-15;　修回日期:2007-03-02
作者简介:张卫国(1975-),男,陕西武功人,西安应用光学研究所工程师,主要从事军用光电仪器研究。

第29卷第1期2008年1月 应用光学J o urnal o f Applied Optics
V ol.29N o.1
Jan.2008
架主要是隔离外界各种扰动,其作用是为内万向架提供一个良好的工作环境,并随动于内万向架,其刚性相对比较低。

图1　结构示意图Fig .1　Diagram of structure
吊舱在工作时要受到来自载体的各种振动的影响,由于金属的阻尼极小,这些振动如果不加隔离,直接传递到内万向架上,不仅会给伺服系统设
计带来很大的困难,影响稳瞄精度,而且会使传感器发生高频谐振而损坏。

最常用的方法是在内外万向架之间用减振器隔离振动。

使用合适的减振器可以衰减高频线振动,并降低系统的共振放大率[1-2]。

因此合理地选择减振器参数对光电吊舱稳定精度的提高有着重要的意义。

1　减振原理
减振器原理如图2所示,它可以简称为k -m -c 系统。

其中减振器的刚度为k ,阻尼系数为c ,系统的质量为m 。

根据振动理论[3]可以知道基础的激振规律为
z e =A 0sin pt
(1)
式中:z e 为基础位移;A 0为基础振幅;p 为圆频率;t 为时间。

此时系统受减振器弹性力和阻尼力的作用,质量体的振动方程为
mz +cz +kz =cze +kze
(
2)
图2　减振器原理
Fig .2　Theory of damper
系统的固有频率为
f n =12πk
m
(3)
位移的输出与输入比值(即放大率)为Z =A A 0=
1+4D 2
V
2
(1-V 2)2+4D 2V
2
(4)
式中:A 为系统振幅;D =c /2km 为系统阻尼比;V =f /f n 为外界激振频率与系统固有频率之比。

当外界激振频率与固有频率相等,即系统处于共振状态时,放大率为
Z =1+4D 2
4D 2
(5)
图3为根据(4)式绘制出的一条典型减振曲线。

从曲线可以看出,当外界扰动频率与减振器固有频率一致时,系统处于共振状态,放大率最大。

减振器如果长期处于共振工作状态,使用寿命会受到影响,同时不利于系统的稳定。

从(5)式可以得出,共振时的放大率取决于系统阻尼比的大小。

阻尼比越大,放大倍数越小。

阻尼的存在抑制了共振时系统的放大率,体现在减振曲线上是谐振点的高度变小。

减振器有足够的阻尼,可以控制共振时系统的振动空间和振动幅度,同时减轻控制系统的负担。

图3　减振曲线Fig .3　C urve of attenuation
从图3还可以看出,减振器在高频段对振动起衰减作用,在低频段对振动起放大作用,这是减振器的固有特性。

由于伺服系统的带宽是有限的,对于高出伺服带宽的扰动伺服系统则无能为力。

如果减振器在伺服带宽之外将外界振动放大,会严重影响系统稳定精度。

因此必须将减振器的放大段置于伺服系统的带宽内,以使放大的振动能被伺服系统所克服,即减振器的放大段应该位于伺服系统的带宽之内。

根据以上分析,得出减振器使用时应注意3个要点:1)减振器的固有频率要避开外界扰动频率,
·24·应用光学　2008,29(1) 张卫国,等:两轴四框架结构光电稳瞄吊舱减振器谐振频率计算与试验
否则会产生共振使减振器损坏;2)减振器要有足够的阻尼,共振放大率应尽可能小,以减小振动幅度,防止内外万向架间碰撞,并减轻伺服系统负担;3)系统的放大段必须在伺服控制带宽以内,以使
放大的振动能被伺服系统衰减。

2　分析与计算
图1所示为某型光电吊舱的结构示意图,内框
架刚性连接在外框架内。

整个系统在振动环境中工作,存在16Hz 和32Hz 的扰动。

为了得到系统的振动特性,在振动台上对系统分别进行x ,y ,z 3个方向的扫频振动,振动频率范围(5～500)Hz,输入的振动加速度为0.3g (g 为重力加速度)。

在内框架沿振动方向上用加速度计测量内框架振动加速度。

输出与输入的加速度振动放大率曲线如图4所示。

图中横坐标为频率,纵坐标为加速度比。

图4　振动放大率曲线
Fig .4　Amplif ying curve of rigid contact ing
从刚性连接的振动放大率曲线可以看出,系统
的各向一阶谐振频率如表1所示。

刚性连接时,系统的结构阻尼很小,在内框架上各向的放大率均比较大。

从图4曲线还可看出,系统振动不仅在低频处有了放大,而且在200Hz 的高频处也有了放大。

由于伺服控制系统的带宽所限,对高频段的振动是无能为力的,并且z 向的谐振频率接近于外界扰动频率,产生了共振,这易使系统损坏。

根据振动理论可知,共振是一个能量积累的过程,时间越长,振幅越大。

由于扫频时外界扰动频率在共振点停留时间很短,所以测得的放大率并不大。

实际使用时,存在32Hz 的扰动频率,长时间积累后会使系统结构损坏。

表1　刚性连接时系统一阶谐振频率与放大率Table 1　Resonance f requency and amplifying
rate in rigid contacting
参数x 向y 向z 向谐振频率/Hz 49.75834.33430.915加速度放大率
11.55
4.69
17.32
为了隔离外界振动,为内框架提供一个相对良
好的工作环境,需要降低系统的放大比,隔离外界的高频扰动,使系统的放大段位于系统伺服带宽以内。

根据结构特点采用8个3向等刚度减振器并联,将内框架悬挂于外框架内(将图1中刚性连接换为减振器连接)。

图5为某公司的减振器外型照片。

其参数为
动刚度 145000N /m
最大载荷 6.8kg 最大载荷下的谐振频率　23Hz 谐振放大比
4
图5　减振器外型Fig .5　Damper
由于减振器固有频率是在单个减振器载荷6.8kg 下得到的。

当使用8个减振器并联时,理论上
的额定载荷为54.4kg ,目前实际的载荷为42kg ,其谐振频率就不是理论上的23Hz ,必然会发生变化。

由于外框架刚度比较低,内框架通过减振器连接在外框架后,系统整体的谐振频率是未知的,必须进行计算才能确定。

将系统抽象为2个弹簧的串联,即减振器弹簧和刚性连接弹簧。

先计算出刚性连接时系统的各向刚度和8个减振器并联刚度,再通过弹簧串联计算出整体刚度,利用频率公式计算出系统的谐振频率。

当采用刚性连接时,可以将系统抽象为一个连接在外框架上的弹簧振子。

内框架整体质量为42kg ,系统各向刚度计算如下。

根据(3)式可知,k =4π2f 2/m
计算刚性连接时x ,y ,z 三向的刚度分别为
·
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k rx =41051098N /m k ry =1959963N /m k rz =1584699N /m
根据减振器并联刚度计算公式可知,8个减振器并联后的刚度为
k D =145000
×8=1160000N /mm 系统x 向的刚度和谐振频率计算如下:
1k x =1k D +1k rs
k x =904435N /m
f x =12πk x
m
=23.36Hz 同样可以计算出y ,z 向系统的刚度与谐振频率为
k y =728712N /m ,　f y =20.96Hz k z =669754N /m,　f z =20.1Hz
理论计算的系统谐振频率均在系统伺服带宽内。

安装减振器后,再次对系统进行扫频试验分析,试验结果如图6所示。

图6　减振器连接放大率曲线
Fig .6
　Amplifying curve of damper contacting 通过放大率曲线可以得到系统各向谐振频率
与放大率,如表2所示。

表2　使用减振器后,系统一阶谐振频率与放大率　Table 2　Resonance f requency and amplifying rate
in damper contacting 参数x 向y 向z 向谐振频率/Hz 24.24422.5121.585加速度放大率
5.93
5.42
8.16
从图6曲线还可以得到,200Hz 以上高频的振动均被衰减,谐振放大率比较小,且避开了谐振点。

谐振频率的理论计算与实测比较如表3所示。

计算值与实测误差很小,说明使用上述计算方法来计算(使用减振器后系统)谐振频率的方法是可行的。

表3　理论计算一阶谐振频率与实测一阶谐振频率的比较Table 3　Calculating resonance f requency vs natural
resonance frequency 项目x 向y 向z 向理论计算/Hz 23.3620.9620.1实测/Hz 24.24422.5121.585误差
3.6%
6.9%
6.9%
3　结论
本文对两轴四框架直升机载光电吊舱使用减振器情况进行了分析与试验。

通过分析刚性连接时减振器的放大率曲线,计算了系统刚性连接时的各
向刚度。

利用弹簧串联时刚度计算方法,计算出系
统安装减振器后的整体谐振频率,经实验验证,计算值与实际误差很小,满足使用要求。

由以上分析可得出,在这种结构系统中使用减振器应注意3个要点:1)减振器的固有频率要避开外界扰动频率;2)减振器要有足够的阻尼;3)系统的放大段必须在伺服控制带宽以内。

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