金属橡胶光电吊舱的减振器设计研究_刘树峰

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 16 H z , 可以隔离 23 H 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 20 H z 以 上振动的要求 。
而 Z 向固有频率接近 100 H z , 近似为刚体 。
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)
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
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 .3 m , 物距为 3 000 m 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 。
关键词 :光电吊舱 ;减振 ;解耦 ;无角位移 中图分类号 :T H 113 .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 , Shijiazhuang 050003, China) Abstract :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 framew 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] 。
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= Vdt 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 。
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
3 金属橡胶减振器设计
由于陀螺仪只能隔离 20 H z 以下的低频振动以 及系统带宽的限制 , 对于 20 H 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 20 H 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 。
向固有频率在 14 H z 以下 , 由振动理论可知 , Z 向能
够隔除 14 2 H z 以上的振动 , 实现了对 20 H z 以上
振动的隔离 。
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《新技术新工艺》 ·热加工工艺技术与材料研究 2011 年 第 3 期
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
能完全解耦 , 刚度矩阵的最简形式如式 3 所示 。
a
g来自百度文库
bh
[ K] =
c
(3)
hd
g
e
f
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 .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
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
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 。
减振方式按是否需要外部能源可划分为无源控
《新技术新工艺》 ·热加工工艺技术与材料研究 2011 年 第 3 期
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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 。
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 大小
X 91 .084 7
Y 92 .439 6
Z 13 .511 2
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
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 。
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
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 。
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
图 4 金属橡胶内减 振器结构图
振器体积庞大 , 只能应