金属橡胶光电吊舱的减振器设计研究_刘树峰

金属橡胶光电吊舱的减振器设计研究＊

刘树峰,白鸿柏,李玉龙,李冬伟

(军械工程学院,河北石家庄050003)

摘　要:早期的光电吊舱安装在固定基座上,随着信息情报重要性的提高,光电吊舱安装到了飞机、舰艇、战车等动载体上,但光电吊舱的内、外框架之间采用刚性连接方式,动载体的振动直接传至光电平台上的光学负载,使光学负载侦察精度降低。本文以机载光电吊舱为例,基于振动对成像质量的影响分析,提出了光电吊舱二级减振设计方案,对内框架悬置弹性支撑解耦问题进行了分析,设计了2种新型金属橡胶减振器,有效隔离了有害的振动,使光电平台的稳定精度达到了预期目标,这一研究对信息侦察领域的发展具有重要意义。

关键词:光电吊舱;减振;解耦;无角位移

中图分类号:TH113.3 文献标志码:A

Design and Analysis of Damper for Optoelectronic Pod

LI U Shufeng,BA I Ho ng bai,LI Yulo ng,LI Do ng wei

(O rdnance Eng ineering Co llege,Shijiazhuang050003,China)

A bstract:T he earlier optoelectr onic po ds w ere installed o n fix ed ba se,while they have been moved o n motive v ehicles such as planes,v essels,and ar mored car s with the intelligence beco ming more impo rtant.But the inner and outer frame-w o rks o f the pod are linked rigidly,which can pass the vibratio n o f motiv e vehicle to the o ptoe lectro nic equipments directly and lo w dow n the reco nnaissance precision.T his pape r too k airbo rne o pto electr onic po d fo r example,ba sed on the analy sis of imag e quality influenced by vibratio n,addressed a two-stage vibra tion iso la tion scheme for o pto electro nic pod.T he scheme isolates har mful vibratio n effectiv ely,and the stabilizatio n precisio n of the optoelec tronic platfor m has reached the expecting purpose.

Key words:O ptoelec tronic pod,V ibra tion isolatio n,Deco upling,No ne-ro ta tional displacement

光电吊舱是航空侦察系统的重要组成部分,其核心部件是安装有各种探测负载的光电平台。通过伺服机构驱动内、外框架运动,可使光电平台转动到各种方位,对目标进行侦察与跟踪。动载体(如无人机、装甲车辆、卫星等)在运动过程中其振动环境非常复杂,主要包括发动机工作产生的振动和风阻力产生的振动。而CCD摄像机光学成像系统对振动非常敏感,剧烈的振动会使成像模糊,无法得到准确的情报信息。有文献分析指出,当光学系统的焦距为0.3m,物距为3000m时,振幅30″的角振动产生的像移是振幅为l mm线振动产生像移的436倍[1],因此对光电吊舱采取隔振措施很有必要。

1　光电吊舱隔振的必要性

在动载体上摄像或在静载体上摄取动态目标时,成像靶面上会产生相应的像移,造成图像模糊,其大小可按下式计算:

δ=∫t V d t(1)式中,δ为像移量;V为像移速度;t为快门时间。在动载体上V是由于振动产生的,可见隔离振动有利于提高成像质量。

有学者对振动对成像质量的影响进行了量化分析,把振动分解成为3个坐标轴的基本运动,即沿3个轴的平动和绕3个轴的转动。这些运动使被摄取的物点在曝光成像过程中成像在航空相机焦面的不同位置上,这种光学影像的相对位移会使像质下降,分别计算出各种振动情况下像在焦面上的相对位移,得出的结论是:振动所引起的像质变化、角振动大于线振动,尤其是在垂直于光轴的平面内尤为严重[2]。

所以,设计减振器对光电吊舱的有害振动进行隔离十分必要,并且在设计减振器时,应使光电设备不因飞机机体的振动而产生角振动,并排除固定点线振动所引起的角振动。

2　减振方案设计

原有光电吊舱的内、外框架之间采用刚性连接方式,振动直接传至光电平台,降低光学设备成像质量,本文在外框架与机身连接处和内、外框架之间分别安装了减振器,隔离外界振动对光电平台光学负载的影响。

2.1　减振方案选择

减振方式按是否需要外部能源可划分为无源控

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制和有源控制,前者又称被动减振,后者又称主动减振。被动减振具有可靠性高、无需外部能源、结构简单、易于实现等特点,因而在光电吊舱上采取被动减振措施。

光电吊舱整体由外方位、外俯仰和内方位、内俯仰2层框架结构构成,采用如图1所示的二级减振方案。第1级是外框架减振器,外减振器安装在吊舱与机身连接的基座上,光电吊舱整体座在4个均匀分布的外隔振器上,实现对光电吊舱整体隔振。第2级是内框架减振器,为金属橡胶无角位移减振器,内减振器安装在外俯仰框架上,内方位、内俯仰框架座在内隔振器上

[3]

。

图1　光电吊舱二级减振原理图

2.2　运动耦合分析

由拉格朗日法可建立光电吊舱被动隔振系统运动微分方程:

[M ]{X ¨}+[C ]{X .

}+[K ]{X }={f d }

(2)

式中,[M ]、[C ]和[K ]分别为平台的质量矩阵、减振系统的粘性阻尼矩阵和刚度矩阵;{X }=[x y z θx θy θz ]

T

为平台相对位移列阵;{f d }为平台

所受到的干扰力列阵。

大多数的平台结构支撑方式采用弹性元件下置或上置支撑,这种支撑方式简单且易于实现,但是平台重心不在支撑平面内,或高于或低于支撑平面,只能做到弹性轴线经过平台重心,即使在各个减振器的三向阻尼和刚度参数完全相同时,刚度矩阵也不能完全解耦,刚度矩阵的最简形式如式3所示。

[K ]=

a

g

b

h

c h

d

g

e

f

(3)

经过对刚度矩阵非对角线上的元素分析得知,当弹性支撑元件的弹心与平台的重心重合时,刚度矩阵可以完全解耦。因此,将8个参数完全相同的金属橡胶减振器相对于内框架的质心对称布置,相对的2个面各安装4个减振器,这样保证了弹性系统的弹心与负载的重心重合,使刚度矩阵变换为对角矩阵,实现了系统的完全解耦,为隔振系统动力学方程求解提供了方便。

3　金属橡胶减振器设计

由于陀螺仪只能隔离20H z 以下的低频振动以及系统带宽的限制,对于20H z 以上的中高频振动,就不能依靠主动隔振的方式进行隔离,需要采用减振器来隔离振动。理想的减振器是将X 、Y 、Z 方向上20H z 以上的振动全部隔离,并且减振器3个方向的固有频率相同或接近。

金属橡胶是一种均质的弹性多孔材料,其内部结构是金属丝之间相互嵌合、勾联而形成的类似于橡胶分子结构的空间网状结构。由于金属橡胶材料具有可以耐高温、高压、高真空、超低温、抗辐射、抗腐蚀、不易老化、阻尼大的优点,在中国航空航天领域越来越受到重视[4]。

本文设计了2种金属橡胶减振器,分别用于外框架减振和内框架减振,搭建了如图2所示的振动试验台装置,对减振器的特性进行了分析与验证。

3.1　外减振器设计

外减振器主要隔离Z 向振动,X 、Y 自由度被限

制,绕X 、Y 、Z 向的旋转运动也同时被限制,图3所示为金属橡胶外减振器的实物图,上盖与底座之间填充有金属橡胶材料,对外减振器的特性进行了试验测试。由振动台施加激励,进行正弦扫频试验,分别测得系统轴向(Z 向)和径向(X 、Y 向)的共振频率,测得数据如表1所示。

表1　外减振器各向共振频率

Hz

方向X Y Z 大小

91.0847

92.4396

13.5112

由试验数据可以看出,X 、Y 向固有频率比Z 向的固有频率大很多,可认为这2个方向为刚体,而Z 向固有频率在14H z 以下,由振动理论可知,Z 向能够隔除142H z 以上的振动,实现了对20H z 以上振动的隔离。

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3.2　内减振器设计

角振动的来源有2个:一是由于机身姿态变化引起直接传至框架上的角振动;二是光电平台与载体相联各点的振动相位与振幅不一致引起的角振动,即线振动耦合成的角振动

。

图4　金属橡胶内减

振器结构图

对此许多学者设计了无角位移减振器,如平行四边形无角位移减振器及滑动导轨式无角位移减振器,但是这2种无角位移减

振器体积庞大,只能应用在舰载、车载光电平台中,对于无人机等小巧的平台结构,则无法嵌入其中。本文设计了一种金属橡胶内减振器,如图4所示。这种减振器由金属构件与金属橡胶材料组合而成,通过结构设计,减振器不能绕X 、Y 、Z 向旋转和Z 向移动,只能沿X 、Y 向平动,通过金属橡胶元件的阻尼作用将能量转化为热量释放出去。

图5、图6、图7的振动图谱显示,X 、Y 向固有频率小于16H z ,可以隔离23H z 以上振动。由于金属橡胶具有刚度渐低特性,激励加大,固有频率会降低,基本可以满足隔离20H z 以上振动的要求。而Z 向固有频率接近100H z ,近似为刚体

。

图7　内减振器Z 向振动图谱

4　结语

本文对光电平台成像质量的影响因素进行了分析,其中角振动的影响最大,提出了光电吊舱二级减振的设计方案,设计了2种金属橡胶减振器,并对减振器的性能进行了试验分析与验证,2种减振器的组合实现了3个方向上的减振和对角位移的限制,提高了光电吊舱的工作精度,这一研究对信息侦察领域的发展具有重要意义。但是金属橡胶材料存在着非线性的力学本构关系,在动力学理论分析上有难度,预计下一步应对金属橡胶减振器的力学性能展开研究。

参考文献

[1]张葆,贾平,黄猛,等.动载体成像系统底座无角位移减振器的设计[J ].光学技术,2003,29(4):464-472.

[2]赵鹏,杨牧,张葆.航空机载光学设备的振动分析及座架减震器的设计[J ].光学精密工程,1997,5(3):58-63.[3]田素林,白鸿柏,张葆,等.机载多框架光电吊舱无转角隔振方式设计[J ].长春理工大学学报(自然科学版),2009,32(4):538-541.

[4]马芳贤,王会利,牟让科.航空用新型金属橡胶减振器设计分析研究[J ].振动工程学报,2008,21(S ):106-110.＊军械工程学院原始创新基金资助项目(YSCX004)作者简介:刘树峰(1987-),男,硕士,研究方向为振动冲击防

护。

收稿日期:2010年10月22日

责任编辑　

王亚昆

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