金属橡胶减震器在轻型光电载荷隔震设计中的应用

李运动， 孙树旺， 王 璐， 吕进来

(1.中国航空工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009;2.郑州大学，郑州 450052;3.空军驻石家庄地区军事代表室，河北 邯郸 056028)

0 引言

随着现代战争信息化技术的发展，航空侦察在战场中的地位日益重要。轻型光电载荷是一款体积小(Ø255 mm×320 mm)、重量轻(12 kg)的机载光电侦察平台，综合集成了光学、控制、图像处理、机械等专业技术，其中转塔是轻型光电载荷中的一个重要组成部分，为红外、可见光等光学传感器提供了一个稳定平台。轻型光电载荷挂装在无人机或直升机上，在利用光学传感器对地面目标进行搜索、探测、识别、跟踪的过程中，必然要受到载机振动、风阻扰动等干扰因素的影响，其中振动因素的影响显得尤其突出，各种振动因素通过弹性结构件传递到稳定平台上，转塔本身又是一个多自由度的弹性系统，在某些振动频率下使振动量值放大，强烈的震动会引起陀螺仪产生偏移，轴系的振动干扰会引起光学传感器视轴抖动，输出视频图像出现晃动、模糊现象，直接影响光电载荷系统的成像质量和跟踪精度，严重的会造成跟踪目标的丢失。载机的振动包括角振动和线振动两种方式，大量分析发现角振动对成像质量的影响远远大于线振动，角振动是影响成像质量的关键因素［1-4］。为了减少载机振动对光电载荷成像质量和跟踪精度的影响，提高光电载荷的可靠性，降低产品的维护成本，必须对载体的振动进行抑制，在轻型光电载荷抑制振动的方式主要采用了电子稳像和被动隔震技术。被动隔震技术的应用已日臻成熟，但本产品受限于内部空间，使得隔震系统弹性支撑点的几何中心无法与光电载荷的质心重合，势必造成线角振动耦合现象，影响产品性能指标，这在以往的文献中鲜有报道。为了减小线角振动耦合对成像质量的影响，开展隔震系统及安装位置匹配设计技术研究是十分必要的。

1 隔振理论

振动存在于工程应用的众多领域，其控制的方法主要有消振、隔振和吸振，在机构系统中运用是广泛的是隔振。隔振按振动传递的方向可分为主动隔振和被动隔振［5-6］。由于被动隔振不需要系统外部的能源装置支持减震装置工作，并且结构简单，经济实用，因此，轻型光电载荷采用被动隔震技术来隔离振源与产品之间的振动传递。

典型的隔振系统设计是通过合理选用和布局减震器来实现，解决大多数隔振问题总是开始于假设系统是一个单自由度弹簧-质量-阻尼系统［7］。这样可以使大多数的参数设计简化，这些参数对决定一个标准隔离器是否令人满意地完成任务或是否需要一个常规的设计是必要的，这一假设基于以下事实:1)产品的重心与隔离系统的弹性中心一致;2)在所有方向上，系统弹性比率是相同的;3)产品的刚度比隔振系统的刚度要大得多，产品在一定的频率范围内近似作为刚体。

文献［5-6］对单自由度弹簧-质量-阻尼系统数学模型进行了详细的计算，在此不再详述，其中位移传递率Tr是隔震系统设计的重要参数，该参数的设计好坏直接影响隔震效率和产品的工作性能。

减震系统位移的绝对传递率Tr为

式中:Y为系统位移响应幅值;Y0为系统输入位移激励幅值;λ为系统频率比，为弹性系数，m为质量;ξ为系统阻尼比为系统阻尼系数。

位移传递率与系统阻尼比和系统频率比有关，它们之间的关系如图1所示。

由图1可知，当λ=1时，位移传递率Tr将大大超过1，此时若ξ=0，则位移传递率达到无穷大，系统出现共振现象，因此在产品设计时，不要使隔振系统的固有频率与干扰频率相同。

图1 传递率与频率比关系曲线Fig.1 Transmissibility vs frequency

以上分析是基于系统的“线性假设”，在实际系统中，存在着明显的非线性因素，造成系统的实际响应并不严格遵循以上分析。通过对多种非线性系统的响应分析结果表明:要实现隔振效果，非线性隔振系统的激励频率与系统的固有频率的比值必须大于某一数值(具体取决于系统参数)［8］。

2 隔震系统设计

轻型光电载荷安装在无人机或直升机上进行工作时，载机的工作特点决定了振动成为突出问题，其振动环境比较恶劣，其振源有内部的旋转部件质量、气动及不平衡质量所引起的激振力，发动机引起的激振力，旋翼尾流作用在其他部件上所引起的激振力等，还有外部包括旋翼及尾桨交变气动环境引起的激振力、飞机着陆及坠撞时产生的激振力等。在轻型光电载荷结构设计中，必须设计出好的隔震系统有效地隔离载机运行环境中的振动、冲击，从而提高系统的使用寿命和稳定精度。

根据轻型光电载荷的设计空间及装机使用要求，光电载荷采用了整体隔震方式。整体隔震的缺点是隔震设备质量大，并且为了保证线振动和角振动解耦，以免带入较大的角扰动，要求隔震系统弹性支撑点的几何中心与减震质量的质心重合，这样在进行大范围搜索时，隔震系统对视轴会造成遮挡。通过分析当隔震设备质量较小时，可以根据空间位置情况，采用4个对称的隔震系统对设备进行隔震，使得隔震系统几何中心与光电载荷的质心垂直中心线重合，同时要求隔震系统的几何中心与光电载荷的质心水平中心线的间距尽量缩小，减少水平振动时出现的“线-角”振动耦合现象。

隔震系统一般采用根据空间及特定性能参数而设计的减震器，近年来，减震器的类型日益增多，其中橡胶减震器和金属橡胶减震器的应用比较广泛，而且技术也比较成熟。在轻型光电载荷的隔震系统设计时采用了金属橡胶减震器，图2为一款金属橡胶减震器的外形。

图2 金属橡胶减震器外形Fig.2 Metal rubber isolator configuration

金属橡胶减震器的设计步骤为:1)分析振源激励的类型、大小、方向等因素;2)控制系统的固有频率和阻尼比这两个设计指标，即根据第1节的分析设计适当的k、c、ξ，使得Tr较小;3)根据设计结果进行仿真分析和测试，使其达到初定的设计目标。

不同类型的减震器因为材料、工作条件、性能要求、隔振效率等都有很大不同，在减震器设计过程中，这些因素都必须充分考虑，同时应注意以下几方面问题。

1)减震器重量、尺寸及被隔离设备重心，减震器的安装位置也与被隔离设备的重心有密切联系。

2)需隔离的动态扰动类型:这是减震器设计的基本问题，分析产品使用过程中正弦或随机振动频谱的类型，确定减震器要隔离的频率带宽，有时还需要分析冲击频谱类型。

3)减震器承受的载荷:除了重力和动态载荷等减震器必须承受的载荷外，其他有些静载荷也会影响减震器的设计(如载机高速转弯引起的载荷变化)，这种载荷常常叠加于动态载荷上。

4)允许的系统响应:分析被隔离设备的最大允许响应，即确定固有频率和最大传递率，规范的允许系统响应也包括被隔离设备的最大运动，这些有时会受到一些机械、运动特性限制。

5)环境条件:在环境条件方面，温度是十分重要的一项。暴露在产品外部的减震器也应该考虑湿度、霉菌、盐雾等因素。

6)工作寿命:减震器有效工作时间也是一个选择或设计减震器过程中的重要因素。通常情况下，在给定工作参数情况下，要求减震器寿命越长，减震器尺寸就要越大。

3 振动试验及结果分析

根据金属橡胶减震器的设计结果，利用轻型光电载荷的模拟件反复进行了振动环境条件下的隔震测试试验，最终确定了减震器的各项设计参数。试验系统的组成如图3所示。将金属橡胶减震器安装在振动工装和模拟件之间，如图4所示。安装在振动台垂直台面上进行垂直方向振动试验，安装在振动台水平滑台上进行水平方向振动试验。

图3 振动试验设备Fig.3 Equipment of vibration test

图4 模拟负载及减震器Fig.4 Analog payload and vibration isolator

根据轻型光电载荷工作振动环境条件，同时为了分析系统的隔震特性，将金属减震器装入产品中进行了正弦扫频振动试验，得到系统的固有频率、共振放大倍率以及隔震效率。图5为水平振动响应曲线，图6为垂直振动响应曲线。

图5 水平振动响应曲线Fig.5 Horizontal vibration response curve

图6 垂直振动响应曲线Fig.6 Vertical vibration response curve

图5、图6曲线中反映了系统的固有频率和共振放大倍数等性能指标，表现出了较好的隔振效果，结果分析如下。

1)隔振系统刚度及隔震系统固有频率。

采用金属橡胶减震器后，系统的垂直方向固有频率为17.63 Hz，水平方向固有频率为15.98 Hz。系统具有较低的固有频率，使得共振放大区频带变窄，较易避开干扰频率点。影响水平方向固有频率降低的因素主要有隔振系统的几何中心与轻型光电载荷的质心水平中心线有一定的间距，在水平振动时，增加了弯曲力矩，造成系统的刚度降低，由于光电载荷的重量较轻，使得水平方向固有频率的降低不是太大，可以认为三维等刚度，这说明减震器设计了一个理想的刚度指标。

2)隔振系统阻尼比及共振放大倍数。

当外界激励频率与系统的固有频率接近时，系统产生共振现象。系统的垂直方向共振放大倍数为2.848，水平方向共振放大倍数2.05，较低的放大倍数说明减震器设计了一个理想的阻尼比指标。

3)隔振效率。

在26 Hz左右处，隔振传递率为1，随后进入隔振区域，振动频率被有效地衰减下来，其中50 Hz以上的隔振效率达到80%以上。

从图中还可以看出，在越过共振区后随着频率的增加会出现一系列的波峰，其原因是振动夹具和产品框架不可能是理想的刚体，会由于结构响应出现共振波峰，同时金属减震器在高频时所具有的分布质量特性也会出现驻波现象。如果提高减震器的阻尼可以削弱这些峰值，提高减震器高频减振效果。

4 结论

提出了一种适合多框架光电载荷的隔振方法，采用金属橡胶减震器作为隔振元件，可以有效隔离高于25 Hz的中高频振动，与转塔内部安装的陀螺仪组合，可以实现视频图像的稳定。

振动试验结果表明，采用金属橡胶减震器后，系统的角变形在许可范围内，产生的图像晃动误差在可接受的范围内，振动环境下产品的稳定精度为0.08 mrad，使得光学系统成像质量得到很大的提高。

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