金屬橡膠減震器在輕型光電載荷隔震設計中的應用

李運動， 孫樹旺， 王 璐， 呂進來

(1.中國航空工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009;2.鄭州大學，鄭州 450052;3.空軍駐石家莊地區軍事代表室，河北 邯鄲 056028)

0 引言

隨著現代戰爭信息化技術的發展，航空偵察在戰場中的地位日益重要。輕型光電載荷是一款體積小(?255 mm×320 mm)、重量輕(12 kg)的機載光電偵察平臺，綜合集成了光學、控制、圖像處理、機械等專業技術，其中轉塔是輕型光電載荷中的一個重要組成部分，為紅外、可見光等光學傳感器提供了一個穩定平臺。輕型光電載荷掛裝在無人機或直升機上，在利用光學傳感器對地面目標進行搜索、探測、識別、跟蹤的過程中，必然要受到載機振動、風阻擾動等干擾因素的影響，其中振動因素的影響顯得尤其突出，各種振動因素通過彈性結構件傳遞到穩定平臺上，轉塔本身又是一個多自由度的彈性系統，在某些振動頻率下使振動量值放大，強烈的震動會引起陀螺儀產生偏移，軸系的振動干擾會引起光學傳感器視軸抖動，輸出視頻圖像出現晃動、模糊現象，直接影響光電載荷系統的成像質量和跟蹤精度，嚴重的會造成跟蹤目標的丟失。載機的振動包括角振動和線振動兩種方式，大量分析發現角振動對成像質量的影響遠遠大于線振動，角振動是影響成像質量的關鍵因素［1-4］。為了減少載機振動對光電載荷成像質量和跟蹤精度的影響，提高光電載荷的可靠性，降低產品的維護成本，必須對載體的振動進行抑制，在輕型光電載荷抑制振動的方式主要采用了電子穩像和被動隔震技術。被動隔震技術的應用已日臻成熟，但本產品受限于內部空間，使得隔震系統彈性支撐點的幾何中心無法與光電載荷的質心重合，勢必造成線角振動耦合現象，影響產品性能指標，這在以往的文獻中鮮有報道。為了減小線角振動耦合對成像質量的影響，開展隔震系統及安裝位置匹配設計技術研究是十分必要的。

1 隔振理論

振動存在于工程應用的眾多領域，其控制的方法主要有消振、隔振和吸振，在機構系統中運用是廣泛的是隔振。隔振按振動傳遞的方向可分為主動隔振和被動隔振［5-6］。由于被動隔振不需要系統外部的能源裝置支持減震裝置工作，并且結構簡單，經濟實用，因此，輕型光電載荷采用被動隔震技術來隔離振源與產品之間的振動傳遞。

典型的隔振系統設計是通過合理選用和布局減震器來實現，解決大多數隔振問題總是開始于假設系統是一個單自由度彈簧-質量-阻尼系統［7］。這樣可以使大多數的參數設計簡化，這些參數對決定一個標準隔離器是否令人滿意地完成任務或是否需要一個常規的設計是必要的，這一假設基于以下事實:1)產品的重心與隔離系統的彈性中心一致;2)在所有方向上，系統彈性比率是相同的;3)產品的剛度比隔振系統的剛度要大得多，產品在一定的頻率范圍內近似作為剛體。

文獻［5-6］對單自由度彈簧-質量-阻尼系統數學模型進行了詳細的計算，在此不再詳述，其中位移傳遞率Tr是隔震系統設計的重要參數，該參數的設計好壞直接影響隔震效率和產品的工作性能。

減震系統位移的絕對傳遞率Tr為

式中:Y為系統位移響應幅值;Y0為系統輸入位移激勵幅值;λ為系統頻率比，為彈性系數，m為質量;ξ為系統阻尼比為系統阻尼系數。

位移傳遞率與系統阻尼比和系統頻率比有關，它們之間的關系如圖1所示。

由圖1可知，當λ=1時，位移傳遞率Tr將大大超過1，此時若ξ=0，則位移傳遞率達到無窮大，系統出現共振現象，因此在產品設計時，不要使隔振系統的固有頻率與干擾頻率相同。

圖1 傳遞率與頻率比關系曲線Fig.1 Transmissibility vs frequency

以上分析是基于系統的“線性假設”，在實際系統中，存在著明顯的非線性因素，造成系統的實際響應并不嚴格遵循以上分析。通過對多種非線性系統的響應分析結果表明:要實現隔振效果，非線性隔振系統的激勵頻率與系統的固有頻率的比值必須大于某一數值(具體取決于系統參數)［8］。

2 隔震系統設計

輕型光電載荷安裝在無人機或直升機上進行工作時，載機的工作特點決定了振動成為突出問題，其振動環境比較惡劣，其振源有內部的旋轉部件質量、氣動及不平衡質量所引起的激振力，發動機引起的激振力，旋翼尾流作用在其他部件上所引起的激振力等，還有外部包括旋翼及尾槳交變氣動環境引起的激振力、飛機著陸及墜撞時產生的激振力等。在輕型光電載荷結構設計中，必須設計出好的隔震系統有效地隔離載機運行環境中的振動、沖擊，從而提高系統的使用壽命和穩定精度。

根據輕型光電載荷的設計空間及裝機使用要求，光電載荷采用了整體隔震方式。整體隔震的缺點是隔震設備質量大，并且為了保證線振動和角振動解耦，以免帶入較大的角擾動，要求隔震系統彈性支撐點的幾何中心與減震質量的質心重合，這樣在進行大范圍搜索時，隔震系統對視軸會造成遮擋。通過分析當隔震設備質量較小時，可以根據空間位置情況，采用4個對稱的隔震系統對設備進行隔震，使得隔震系統幾何中心與光電載荷的質心垂直中心線重合，同時要求隔震系統的幾何中心與光電載荷的質心水平中心線的間距盡量縮小，減少水平振動時出現的“線-角”振動耦合現象。

隔震系統一般采用根據空間及特定性能參數而設計的減震器，近年來，減震器的類型日益增多，其中橡膠減震器和金屬橡膠減震器的應用比較廣泛，而且技術也比較成熟。在輕型光電載荷的隔震系統設計時采用了金屬橡膠減震器，圖2為一款金屬橡膠減震器的外形。

圖2 金屬橡膠減震器外形Fig.2 Metal rubber isolator configuration

金屬橡膠減震器的設計步驟為:1)分析振源激勵的類型、大小、方向等因素;2)控制系統的固有頻率和阻尼比這兩個設計指標，即根據第1節的分析設計適當的k、c、ξ，使得Tr較小;3)根據設計結果進行仿真分析和測試，使其達到初定的設計目標。

不同類型的減震器因為材料、工作條件、性能要求、隔振效率等都有很大不同，在減震器設計過程中，這些因素都必須充分考慮，同時應注意以下幾方面問題。

1)減震器重量、尺寸及被隔離設備重心，減震器的安裝位置也與被隔離設備的重心有密切聯系。

2)需隔離的動態擾動類型:這是減震器設計的基本問題，分析產品使用過程中正弦或隨機振動頻譜的類型，確定減震器要隔離的頻率帶寬，有時還需要分析沖擊頻譜類型。

3)減震器承受的載荷:除了重力和動態載荷等減震器必須承受的載荷外，其他有些靜載荷也會影響減震器的設計(如載機高速轉彎引起的載荷變化)，這種載荷常常疊加于動態載荷上。

4)允許的系統響應:分析被隔離設備的最大允許響應，即確定固有頻率和最大傳遞率，規范的允許系統響應也包括被隔離設備的最大運動，這些有時會受到一些機械、運動特性限制。

5)環境條件:在環境條件方面，溫度是十分重要的一項。暴露在產品外部的減震器也應該考慮濕度、霉菌、鹽霧等因素。

6)工作壽命:減震器有效工作時間也是一個選擇或設計減震器過程中的重要因素。通常情況下，在給定工作參數情況下，要求減震器壽命越長，減震器尺寸就要越大。

3 振動試驗及結果分析

根據金屬橡膠減震器的設計結果，利用輕型光電載荷的模擬件反復進行了振動環境條件下的隔震測試試驗，最終確定了減震器的各項設計參數。試驗系統的組成如圖3所示。將金屬橡膠減震器安裝在振動工裝和模擬件之間，如圖4所示。安裝在振動臺垂直臺面上進行垂直方向振動試驗，安裝在振動臺水平滑臺上進行水平方向振動試驗。

圖3 振動試驗設備Fig.3 Equipment of vibration test

圖4 模擬負載及減震器Fig.4 Analog payload and vibration isolator

根據輕型光電載荷工作振動環境條件，同時為了分析系統的隔震特性，將金屬減震器裝入產品中進行了正弦掃頻振動試驗，得到系統的固有頻率、共振放大倍率以及隔震效率。圖5為水平振動響應曲線，圖6為垂直振動響應曲線。

圖5 水平振動響應曲線Fig.5 Horizontal vibration response curve

圖6 垂直振動響應曲線Fig.6 Vertical vibration response curve

圖5、圖6曲線中反映了系統的固有頻率和共振放大倍數等性能指標，表現出了較好的隔振效果，結果分析如下。

1)隔振系統剛度及隔震系統固有頻率。

采用金屬橡膠減震器后，系統的垂直方向固有頻率為17.63 Hz，水平方向固有頻率為15.98 Hz。系統具有較低的固有頻率，使得共振放大區頻帶變窄，較易避開干擾頻率點。影響水平方向固有頻率降低的因素主要有隔振系統的幾何中心與輕型光電載荷的質心水平中心線有一定的間距，在水平振動時，增加了彎曲力矩，造成系統的剛度降低，由于光電載荷的重量較輕，使得水平方向固有頻率的降低不是太大，可以認為三維等剛度，這說明減震器設計了一個理想的剛度指標。

2)隔振系統阻尼比及共振放大倍數。

當外界激勵頻率與系統的固有頻率接近時，系統產生共振現象。系統的垂直方向共振放大倍數為2.848，水平方向共振放大倍數2.05，較低的放大倍數說明減震器設計了一個理想的阻尼比指標。

3)隔振效率。

在26 Hz左右處，隔振傳遞率為1，隨后進入隔振區域，振動頻率被有效地衰減下來，其中50 Hz以上的隔振效率達到80%以上。

從圖中還可以看出，在越過共振區后隨著頻率的增加會出現一系列的波峰，其原因是振動夾具和產品框架不可能是理想的剛體，會由于結構響應出現共振波峰，同時金屬減震器在高頻時所具有的分布質量特性也會出現駐波現象。如果提高減震器的阻尼可以削弱這些峰值，提高減震器高頻減振效果。

4 結論

提出了一種適合多框架光電載荷的隔振方法，采用金屬橡膠減震器作為隔振元件，可以有效隔離高于25 Hz的中高頻振動，與轉塔內部安裝的陀螺儀組合，可以實現視頻圖像的穩定。

振動試驗結果表明，采用金屬橡膠減震器后，系統的角變形在許可范圍內，產生的圖像晃動誤差在可接受的范圍內，振動環境下產品的穩定精度為0.08 mrad，使得光學系統成像質量得到很大的提高。

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