金属橡胶光电吊舱的减振器设计研究

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：ＴＨ¨３．３　文献标志码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄａｍｐｅｒ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｐｏｄ　ＬＩＵ　Ｓｈｕｆｅｎｇ，ＢＡＩ　Ｈｏｎｇｂａｉ，ＬＩ　Ｙｕｌｏｎｇ，ＬＩ　Ｄｏｎｇｗｅｉ　（Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５０００３，Ｃｈ！ｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅａｒｌｉｅｒ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｏｎ　ｆｉｘｅｄ　ｂａｓｅ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅｙ　ｈ∈ｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍｏｖｅｄ　ｏｎ　ｍｏｔｉｖｅ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｌａｎｅｓ，ｖｅｓｓｅｌｓ，ａｎｄ　ａｒｍｏｒｅｄ　ｃａｒｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｒ　ｔ．Ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ａｎｄ　ｏｕｔｅｒ　ｆｒａｍｅ—　ｗｏｒｋｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｄ　ａｒｅ　ｌｉｎｋｅｄ　ｒｉｇｉｄｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐａｓｓ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｔｉｖｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｄｏｗｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｏｏｋ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｏｄ　ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｍａｇｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｄｄｒｅｓｓｅｄ　ａ　ｔｗｏ　ｓｔａｇｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｏｄ．Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓｏｌａｔｅｓ　ｈａｒｍｆｕｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｔｏｅ　ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈａｓ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｃｔｉｎｇ　ｐｕｒｐｏｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｏｄ，Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ，Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ，Ｎｏｎｅ—ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　光电吊舱是航空侦察系统的重要组成部分，其　有学者对振动对成像质量的影响进行了量化分　核心部件是安装有各种探测负载的光电平台。通过　析，把振动分解成为３个坐标轴的基本运动，即沿３　伺服机构驱动内、外框架运动，可使光电平台转动到　个轴的平动和绕３个轴的转动。这些运动使被摄取　各种方位，对目标进行侦察与跟踪。动载体（如无人　的物点在曝光成像过程中成像在航空相机焦面的不　机、装甲车辆、卫星等）在运动过程中其振动环境非　同位置上，这种光学影像的相对位移会使像质下降，　常复杂，主要包括发动机工作产生的振动和风阻力　分别计算出各种振动情况下像在焦面上的相对位　产生的振动。而ＣＣＤ摄像机光学成像系统对振动　移，得出的结论是：振动所引起的像质变化、角振动　非常敏感，剧烈的振动会使成像模糊，无法得到准确　大于线振动，尤其是在垂直于光轴的平面内尤为严　的情报信息。有文献分析指出，当光学系统的焦距　重　。　为０．３　ｍ，物距为３　０００　ｍ时，振幅３０　的角振动产　所以，设计减振器对光电吊舱的有害振动进行　生的像移是振幅为ｌ　ｍｍ线振动产生像移的４３６　隔离十分必要，并且在设计减振器时，应使光电设备　倍口］，因此对光电吊舱采取隔振措施很有必要。　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。　１　光电吊舱隔振的必要性　２减振方案设计　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，　原有光电吊舱的内、外框架之间采用刚性连接　其大小可按下式计算：　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　一　（１）　别安装了减振器，隔离外界振动对光电平台光学负　式中，　为像移量；　为像移速度；ｔ为快门时间。在　载的影响。　动载体上　是由于振动产生的，可见隔离振动有利　２．１减振方案选择　于提高成像质量。　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　。８７・　制和有源控制，前者又称被动减振，后者又称主动减　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　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。　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。　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ｌ３ｊ。　３金属橡胶减振器设计　由于陀螺仪只能隔离２０　Ｈｚ以下的低频振动以　及系统带宽的，对于２０　Ｈｚ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　Ｈｚ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　结构是金属丝之问相互嵌合、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　图１光电吊舱二级减振原理图　试验台装置，对减振器的特性进行了分析与验证。　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）一｛　）　系统的粘性阻尼矩阵和刚度矩阵；｛Ｘ｝一［ｚ　（２）　式中，［Ｍ］、［Ｃ］和［Ｋ］分别为平台的质量矩阵、减振　］　为平台相对位移列阵；｛　｝为平台　所受到的干扰力列阵。　一　图２振动试验装置圈　圈３外减振器实物圈　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　大多数的平台结构支撑方式采用弹性元件下置　制，绕Ｘ、ｙ、Ｚ向的旋转运动也同时被，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　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。　ｇ　ｂ　ｆ　［Ｋ］一　ｇ　（３）　，王　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１４　Ｈｚ以下，由振动理论可知，Ｚ向能　够隔除１４　Ｈｚ以上的振动，实现了对２０　Ｈｚ以上　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　。振动的隔离。　８８。　《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　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　．ｉ　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　Ｉ】［　—／ｉ　目　‘¨１　行四边形无角位移减振　器及滑动导轨式无角位　０＊　Ｈ　＊　Ｂ赫　移减振器，但是这２种无　图４金属橡胶内减　角位移减振器体积庞大，　振器结构图　图７　内减振器Ｚ向振动图谱　只能应用在舰载、车载光电平台中，对于无人机等小　４　结语　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　本文对光电平台成像质量的影响因素进行了分　属构件与金属橡胶材料组合而成，通过结构设计，减　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　２种金属橡胶减振器，并对减　振器不能绕Ｘ、ｙ、Ｚ向旋转和Ｚ向移动，只能沿Ｘ、　振器的性能进行了试验分析与验证，２种减振器的　ｙ向平动，通过金属橡胶元件的阻尼作用将能量转　组合实现了３个方向上的减振和对角位移的，　化为热量释放出去。　提高了光电吊舱的工作精度，这一研究对信息侦察　图５、图６、图７的振动图谱显示，ｘ、ｙ向固有　领域的发展具有重要意义。但是金属橡胶材料存在　频率小于１６　Ｈｚ，可以隔离２３　Ｈｚ以上振动。由于　着非线性的力学本构关系，在动力学理论分析上有　金属橡胶具有刚度渐低特性，激励加大，固有频率会　难度，预计下一步应对金属橡胶减振器的力学性能　降低，基本可以满足隔离２０　Ｈｚ以上振动的要求。　而Ｚ向固有频率接近１００　Ｈｚ，近似为刚体。　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）：ｌＯ６—１ｌＯ．　图５　内减振器Ｘ向振动图谱　＊军械工程学院原始仓Ｉ新基金资助项目（ＹＳＣＸＯＯ４）　作者简介：刘树峰（１９８７－），男，硕士，研究方向为振动冲击防　‘ｊ　■／’、　护。　一　收稿日期：２ＯｌＯ年１Ｏ月２２日　～　　Ｉｌ－　。　责任编辑王亚昆　、　～．　～　图６　内减振器ｙ向振动图谱　《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究　２０１１年　第３期　・８９・