金屬橡膠減振器在機載光電吊艙復(fù)合減振系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 平, 張國玉, 高玉軍, 丁金偉, 郎小龍

(1. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 長春 130022；2. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所， 長春 130033)

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)飛速發(fā)展，航空偵察在戰(zhàn)爭中的地位顯得越來越重要。機載光電吊艙是用于航空偵察的主要設(shè)備，其核心任務(wù)是獲得高質(zhì)量的偵察圖像。對機載設(shè)備而言，其振動環(huán)境比較惡劣，飛機在起飛、正常飛行、下降時都會對機載光電吊艙產(chǎn)生振動和沖擊。各種飛行器在飛行過程中受到發(fā)動機和高速氣流的激勵，所產(chǎn)生的振動和諧振對光電吊艙成像質(zhì)量的影響十分嚴重。為提高機載光電吊艙的成像質(zhì)量和穩(wěn)定精度，必須對載體的振動加以抑制[1-3]。

載體的振動以線振動和角振動兩種形式作用于光電吊艙內(nèi)部載荷，有關(guān)文獻指出，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的焦距為0.3 m,物距為3 000 m時,振幅為30″的角振動產(chǎn)生的像移是振幅為1 mm線振動產(chǎn)生像移的436倍[4]，角振動對光電吊艙成像質(zhì)量的影響要遠大于線振動，因此，消除振動對光電吊艙成像質(zhì)量的影響主要是控制光電吊艙角位移的大小。很多學(xué)者對此進行了深入研究，張葆，賈平等設(shè)計了一種直線導(dǎo)軌式無角位移減振結(jié)構(gòu)，將振動引起的角位移進行運動分解，然后配合一種三向等剛度減振器以消耗各方向的運動能量[5]。安源、許暉等應(yīng)用空間連桿機構(gòu)學(xué)原理和減振理論，設(shè)計了由空間連桿機構(gòu)組成的無角位移減振裝置，使用該減振裝置對光電平臺進行隔振可使角振動的隔振效果提高兩個數(shù)量級[6]。李偉、舒陶等根據(jù)機載光電設(shè)備無角位移減振的性能要求設(shè)計了將角振動轉(zhuǎn)化為線振動的平行四邊形減振機構(gòu)，并建立了控制角位移誤差的數(shù)學(xué)模型[7]。錢義、梁偉等利用空間機構(gòu)學(xué)及平行四邊形平動原理，研制了一種新的雙平行四邊形無角位移減振穩(wěn)像平臺，該隔振系統(tǒng)對頻率高于100 Hz的振動衰減高達34 dB[8]。上述研究成果雖然都取得了良好的減振效果，但由于其限制角位移的機構(gòu)是分體式組合結(jié)構(gòu)，體積龐大，重量較重，無法滿足航空機載條件要求。

文中基于光電吊艙兩軸四框架成熟穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，應(yīng)用隔振理論構(gòu)建光電吊艙內(nèi)、外框架復(fù)合減振模型，采用金屬橡膠作為隔振元件設(shè)計了能夠限制一定自由度的小型減振器，將這種減振器分別嵌入光電吊艙內(nèi)、外框架減振系統(tǒng)中設(shè)計了兩級減振系統(tǒng)，這種復(fù)合減振系統(tǒng)在大大減小隔振系統(tǒng)體積和重量的同時從原理上實現(xiàn)了無角位移隔振，并可以對三個方向的線振動進行抑制，能夠大大提高光電吊艙抗振動、沖擊能力。

1 機載光電吊艙復(fù)合減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兩軸四框架結(jié)構(gòu)是光電吊艙最為常用的一種框架形式，它具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、響應(yīng)快等優(yōu)點。吊艙兩級減振系統(tǒng)示意圖如圖1所示，光學(xué)載荷固定在內(nèi)框架上，內(nèi)框架通過一級隔振系統(tǒng)連接到外框架，外框架再通過二級隔振系統(tǒng)與載機連接。

圖1 吊艙兩級減振示意圖

外框架減振系統(tǒng)采用金屬橡膠減振器進行單方向振動隔離，減振器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，其作用主要是隔離外框架沿y方向的振動。中心套沿y方向可以自由運動，沿x、z方向的自由度被限制。減振器可以有效隔離沿y方向的振動，但沿x、z方向的振動會通過中心套傳遞給外框架。使用時，減振器中心套與吊艙的外框架連接，外殼與載機連接。只要四只隔振器在x，z平面布置上間距合理，不是特別小，由于x，z平動自由度被限制，所以不會使外框架產(chǎn)生繞x、y，z軸的轉(zhuǎn)動—即產(chǎn)生角位移。

圖2 外框架金屬橡膠減振器結(jié)構(gòu)原理圖

內(nèi)框架減振系統(tǒng)采用金屬橡膠減振器進行兩個方向振動隔離，減振器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要作用是隔離內(nèi)框架沿x、z方向的振動。中心套沿x和z方向可以自由運動，沿y方向的自由度被限制，中心套與金屬橡膠包容件的間歇沿著y方向很小，但沿z方向有一個運動變形間隙Δ，相當(dāng)于有兩個分別沿x、z軸的直線副。減振器可以有效的隔離沿x、z方向的振動。使用時中心套與吊艙的內(nèi)框架連接，外殼與吊艙外框架連接，只要八只減振器以y，z平面左、右對稱布置且間距合理，不是特別小，由于y方向平動自由度被限制，所以不會使內(nèi)框架產(chǎn)生繞x、y，z軸的轉(zhuǎn)動—即產(chǎn)生角位移。

圖3 內(nèi)框架金屬橡膠減振器結(jié)構(gòu)原理圖

外框架有沿x，y，z軸3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度，外框架減振系統(tǒng)只提供1個沿y軸的平動自由度。內(nèi)框架有沿x，y，z軸3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度，內(nèi)框架減振系統(tǒng)只提供沿x，z軸的2個平動自由度。最后內(nèi)、外框架減振系統(tǒng)運動疊加，可以看出，與內(nèi)框架連接的光學(xué)載荷只有3個沿x，y，z軸的平動自由度，即實現(xiàn)了光電吊艙三個方向無角位移隔振。

2 金屬橡膠減振器研制

2.1 金屬橡膠材料的制備

金屬橡膠是一種新型精細結(jié)構(gòu)材料，它是將不同直徑和材質(zhì)的金屬絲卷制成螺旋卷，通過特殊的工藝，將螺旋卷定螺距拉伸后按一定形狀進行編織鋪放制成毛坯，然后將毛坯放入所需形狀的模具中冷壓成型，并經(jīng)熱處理而成的彈性多孔材料。它的制備工藝如圖4所示[12-14]：

圖4 金屬橡膠元件制備工藝過程

(1)選擇金屬絲的材質(zhì)和直徑

金屬絲的材質(zhì)由金屬橡膠元件的工作條件，如溫度、濕度、侵蝕性介質(zhì)、載荷等因素決定。工作在高溫和侵蝕性介質(zhì)中，一般采用0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti等。金屬絲的直徑取決于金屬橡膠元件的尺寸及要求其具有的機械性能等。

(2)制備螺旋卷

螺旋卷的直徑會對金屬橡膠元件的彈性及阻尼性能產(chǎn)生影響。為了使螺旋卷較好地咬合鉤連，一般將其直徑控制在金屬絲徑的5～15倍。螺旋卷纏繞完成后，通過手工拉伸或使螺旋卷通過校準孔的方法進行等螺距均勻拉伸，使螺距與螺旋卷直徑大致相等，其主要目的是使各絲線間相互嚙合的狀況達到最好，毛坯體積穩(wěn)定性達到最高。

(3)制作毛坯

毛坯的成型主要通過按質(zhì)量配料和鋪砌來實現(xiàn)。毛坯的質(zhì)量M毛坯根據(jù)成型后的金屬橡膠元件的孔隙度Π體積VMR及金屬絲的密度ρ絲來確定：

M毛坯=(1-Π)VMR·ρ絲

Π=1-V絲/VMR

孔隙度應(yīng)視金屬橡膠元件的應(yīng)用場合而定。對于金屬橡膠制品，配料時應(yīng)使螺旋卷的根數(shù)盡量少，以保證整個制件的拉壓強度和阻尼性能。制成的金屬橡膠毛坯如圖5所示。

圖5 金屬橡膠元件毛坯和拉伸螺旋卷

(4)沖壓成型

將制成的毛坯放入預(yù)先設(shè)計加工好的專用沖模中，在液壓機上經(jīng)冷沖壓成型。沖壓時采用的壓力大小要根據(jù)毛坯的質(zhì)量及成型后金屬橡膠元件的尺寸來確定。需要注意的是，將冷沖壓成型的金屬橡膠元件從模具中取出后，在彈性恢復(fù)力的作用下會有一定程度的膨脹，因此其尺寸要比在模具中的測量尺寸稍微大一些。

(5)后期處理

由于沖壓過程中會產(chǎn)生金屬屑和污物等，這些雜質(zhì)的存在會影響金屬橡膠元件的最終性能，因此一般都要進行清洗。對于彈性阻尼件一類的元件，則要采用超聲波清洗。對有耐腐蝕工作要求的元件，還要涂敷保護膜。

2.2 內(nèi)框架金屬橡膠減振器研制

光電吊艙受到控制系統(tǒng)帶寬的限制只能對25 Hz以下的振動進行主動抑制，故設(shè)計的減振器要保證能對25 Hz以上的振動進行被動減振。

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前述內(nèi)框架減振器隔振原理，要求減振器能夠衰減兩個方向線振動，設(shè)計加工出內(nèi)框架減振器如圖6所示。

圖6 加工出的內(nèi)框架金屬橡膠減振器

內(nèi)框架減振器由中心套、蓋、外套和金屬橡膠件組成，外套底座安裝在外框架上，中心套和蓋通過螺栓固定在內(nèi)框架上，減振器工作時，金屬橡膠件受到壓縮，內(nèi)部金屬絲相互摩擦，形成阻尼，起到減振作用。

2.2.2 參數(shù)計算

根據(jù)振動理論，選擇的阻尼比ξ使振動傳遞率T控制在3～4之間為宜，經(jīng)計算，阻尼比可設(shè)計為ξ=0.2。

光電吊艙的整體質(zhì)量為80 kg，其中外框架質(zhì)量為M=61 kg，內(nèi)框架質(zhì)量為m=26 kg。內(nèi)框架隔振系統(tǒng)共有8個隔振器，則每個隔振器承受的力為：

F=26×9.8/8=31.85N

取g=9.8 m/s2，振源頻率取f=25 Hz，為確保隔振器系統(tǒng)具有減振效果，即T<1，固有頻率范圍為：

則：

k1≤(2πf0)2(m/8)=37 042.52 N/m

由圖3可以看出，當(dāng)隔振器的中心套軸向運動時，只有一個金屬橡膠件受壓工作，所以金屬橡膠件的軸向剛度即為k1。當(dāng)中心套向側(cè)面運動時，兩個金屬橡膠件徑向同時受壓，由于兩個金屬橡膠件屬并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以理論上每個金屬橡膠件徑向的剛度應(yīng)為：

2.3 外框架金屬橡膠隔振器研制

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

外框架起著支承和保護內(nèi)框架的作用，根據(jù)前述外框架減振器隔振原理設(shè)計加工出外框架減振器如圖7所示。外框架減振器由中心套、外殼、金屬橡膠件和底蓋組成。中心套通過圓柱副分別與外殼和底蓋接觸，對兩處圓柱副進行精磨加工，使圓柱副的結(jié)合面的間隙盡可能小，以保證中心套只能沿軸向進行運動，避免因存在間隙使中心套發(fā)生擺動而導(dǎo)致線運動耦合成角運動。由圖2可以看出，下側(cè)金屬橡膠元件是主要承力件，因此其厚度比上側(cè)的金屬橡膠元件稍大些。

圖7 加工出的外框架金屬橡膠減振器

2.3.2 參數(shù)計算

3 光電吊艙減振系統(tǒng)仿真分析

計算出內(nèi)、外框架金屬橡膠減振器具體參數(shù)后可以應(yīng)用ADAMS軟件Vibration模塊對光電吊艙減振系統(tǒng)進行動態(tài)仿真以求得減振系統(tǒng)固有頻率及角振動量值等參數(shù)。減振系統(tǒng)仿真分析的流程圖如圖8所示[15-16]。

3.1 有限元模型的建立及簡化

在UG NX7.5中建立光電吊艙復(fù)合減振有限元模型如圖9所示，可見光和紅外兩個光學(xué)載荷固定在內(nèi)框架上，內(nèi)框架通過左、右兩個連接板上的各4個金屬橡減振器固定到外框架上。外框架經(jīng)二級隔振系統(tǒng)與載機連接。

圖9 光電吊艙減振系統(tǒng)有限元模型

為了便于建立減振系統(tǒng)的動力學(xué)模型，在保證一定的計算精度下做如下假定[17-18]：

(1)減振器只考慮三個方向的剛度，不考慮扭轉(zhuǎn)特性，減振器的阻尼以等效粘性阻尼來代替；

(2)吊艙做為剛體等效只計平臺的質(zhì)量，不計其彈性；

(3)外框架與減振器及載機與減振器連接處的剛度為無限大。

3.2 減振系統(tǒng)基本參數(shù)

對減振系統(tǒng)進行仿真計算時，需要的具體參數(shù)包括：減振系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度、阻尼比、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、安裝位置與安裝角度等。外框減振系統(tǒng)采用四點平置均布式的連接方式，內(nèi)框減振系統(tǒng)采取八只減振器相對光電吊艙中心三個方向?qū)ΨQ布置方式，這樣可以最大限度的實現(xiàn)解耦。通過對吊艙質(zhì)量的配平，減振系統(tǒng)的質(zhì)心與減振器支撐中心達到比較接近的位置。減振系統(tǒng)的橡膠減振器在仿真計算中采用Bushing(軸套)模型進行代替。外框減振器采用壓剪式復(fù)合減振器，其軸向剛度與徑向剛度可認為近似相等。橡膠減振器的阻尼特性比較復(fù)雜，這里以等效粘性阻尼進行替代計算，取粘性阻尼率ξ=0.2。

減振系統(tǒng)的基本參數(shù)如表1所示。

3.3 約束與邊界條件的處理

首先在模型中建立輸入激勵源與輸出通道。采用振幅值為常值、頻率逐步增加的正弦加速度激勵作為激勵源。由于減振系統(tǒng)的振動主要由外界振動引起，因此在模型中建立一個吊艙的支撐架，替代吊艙安裝的環(huán)境；并在支架的質(zhì)心位置建立正弦激勵的輸入通道，使吊艙的減振系統(tǒng)產(chǎn)生受迫振動。選擇吊艙的質(zhì)心與減振器連接點作為輸出通道，用于測量吊艙在掃頻激勵下減振系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

表1 減振系統(tǒng)的基本參數(shù)

通過對吊艙振動環(huán)境的分析，減振系統(tǒng)在沿載機坐標(biāo)系的z與y方向承受的振動激勵比較大，沿x方向的激勵較小。因此，這里主要對減振系統(tǒng)沿z與y方向的振動特性進行分析。通過正弦掃頻的仿真實驗，計算沿z與y方向的加速度頻率響應(yīng)以及減振系統(tǒng)繞俯仰與橫滾軸角振動信號的頻率特性。

3.4 仿真結(jié)果

圖10(a)為z方向1g的正弦激勵時，減振系統(tǒng)沿z方向的加速度響應(yīng)。從圖中可以看出減振系統(tǒng)在z方向只有一個共振峰，對應(yīng)的共振中心頻率為16.9 Hz。由振動理論知減振系統(tǒng)沿z方向的共振頻率范圍在13 Hz～21 Hz之間。當(dāng)阻尼率ξ增大時共振頻率范圍內(nèi)的加速度的傳遞率減小。這與振動理論是相吻合的。

圖10 正弦激勵時系統(tǒng)加速度傳遞曲線

圖11 y與z方向正弦激勵時俯仰與橫滾軸角振動的幅頻特性曲線

圖10(b)為y方向1g的正弦激勵時，減振系統(tǒng)沿y方向的加速度響應(yīng)。從圖中可以看出，減振系統(tǒng)在y方向的共振峰有兩處，對應(yīng)的共振中心頻率分別為16.7 Hz與24 Hz，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是內(nèi)框減振系統(tǒng)雖然在y方向運動被限制，但不可避免會存在間隙，因此沿y向振動時，內(nèi)、外框隔振器同時工作，此時振動系統(tǒng)為兩自由度運動系統(tǒng)。減振系統(tǒng)在y方向的振動耦合，使得減振系統(tǒng)共振頻率的范圍增大，經(jīng)過計算減振系統(tǒng)沿y方向的共振頻率范圍在13.3 Hz～33.6 Hz。

圖11為z方向與y方向1g正弦激勵時，相機繞橫滾軸與俯仰軸角振動信號的幅頻特性曲線。從圖中可以看出，在z方向與y方向產(chǎn)生同樣振動激勵的條件下，y方向的振動激勵產(chǎn)生的橫滾角振動遠大于z方向振動激勵所產(chǎn)生的繞俯仰軸的角振動，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是減振系統(tǒng)在y方向存在振動耦合。y方向產(chǎn)生振動激勵時，繞橫滾軸角振動的幅值最大值達到0.001 1。當(dāng)頻率大于25 Hz時，角振動幅值趨近于零，說明吊艙減振系統(tǒng)對25 Hz以上角振動的抑制是很有效的。

4 試驗驗證

為驗證仿真結(jié)果的正確性，對光電吊艙進行正弦掃頻試驗。試驗頻率為5～2 000 Hz，量值1 g。正弦掃描實驗主要用于測量減振系統(tǒng)的共振中心頻率、加速度的頻率響應(yīng)曲線。

圖12 減振系統(tǒng)測量點的安裝分布

4.1 測量點分布

為了全面、準確對吊艙減振系統(tǒng)的性能進行測量。振動試驗在減振系統(tǒng)的上下位置(吊艙的機身與振動夾具的連接位置)設(shè)置測量點。吊艙的測量點放置在機身上，分別測量減振系統(tǒng)在y、z兩個方向上的加速度響應(yīng)信號。在振動夾具上的設(shè)置測量點，用于測量吊艙減振系統(tǒng)的輸入激勵。測量點如圖12所示。

4.2 測量結(jié)果

圖13為減振系統(tǒng)z、y方向的加速度頻率響應(yīng)曲線。正弦掃描實驗的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比見表2、表3。

圖13 1g正弦掃頻加速度的頻率響應(yīng)曲線

表2 正弦掃描試驗結(jié)果

由表2可知減振系統(tǒng)在z與y方向的隔振效果都較好。在y方向的正弦振動實驗中，減振系統(tǒng)在z方向振動的響應(yīng)偏大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是減振系統(tǒng)沿y方向存在振動的耦合。

通過表3的對比可知，減振系統(tǒng)共振中心頻率的仿真計算結(jié)果與實際測量的結(jié)果比較接近，仿真計算的誤差約為10%。通過分析計算誤差來源主要是減振器軸向剛度與頸向剛度存在一定的差別。通過減振系統(tǒng)的正弦掃描實驗，可估算出減振系統(tǒng)的共振頻率范圍在13.7 Hz～38 Hz之間。

表3 正弦掃描試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果的對比

從圖13z方向加速度傳遞率曲線中可以看出，加速度傳遞率曲線在高頻部分不平滑，產(chǎn)生這種情況的原因是在高頻振動時減振器不再符合無質(zhì)量的假設(shè)，而是具有分布質(zhì)量的特性從而產(chǎn)生了波動效應(yīng)，使得高頻區(qū)域的傳遞率變大。另外，加速度傳遞率曲線中在100 Hz附近出現(xiàn)了局部的增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在仿真過程中只考慮了減振器這個彈性環(huán)節(jié)，忽略了其它的彈性環(huán)節(jié)。從圖13y方向加速度傳遞曲線中可知，減振系統(tǒng)在橫滾方向存在振動耦合，這與仿真分析結(jié)論是相同的。

5 結(jié) 論

(1)采用金屬橡膠作為隔振元件，研制出兩種能限制一定自由度的金屬橡膠減振器，分別嵌入光電吊艙內(nèi)、外框架減振系統(tǒng)中進行合理布置，從原理上實現(xiàn)了光電吊艙3個方向無角位移減振。

(2)由振動理論計算出兩種金屬橡膠減振器的相關(guān)性能參數(shù)，并采用特殊工藝制備了金屬橡膠減振器。

(3)通過ADAMS/Vibration模塊對光電吊艙減系統(tǒng)進行了仿真分析，計算出減振系統(tǒng)固有頻率為17 Hz，角振動最大幅值為0.011。仿真結(jié)果表明光電吊艙兩級減振系統(tǒng)對25 Hz以上的角振動有很好的減振效果。最后進行了振動測試，與測試結(jié)果相比，仿真結(jié)果誤差不超過10%，從而驗證了仿真結(jié)果的正確性。這種兩級減振系統(tǒng)對其它四框架光電吊艙也是完全適用的。

參 考 文 獻

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