航空电磁探测设备隔振系统动力学研究

苑俊峰,闫四腾,孟立立,徐振阳,代瑞瑞,王恒,郭涛,耿赫然,成园,杨浩,张世万,赵笑辉

(中国矿业大学机电工程学院,江苏 徐州 221116)

电磁探测技术是通过测量二次磁场来研究地下介质电导率分布特征进而探测地球资源的技术[1]。由于我国成矿区大多属于地质复杂区域,极大地限制了人工探测设备的应用范围,因此基于电磁探测技术的航空电磁探测便凸显了其卓越性。航空电磁探测(AEM)是通过飞机(飞行器)上装备的专用物探仪器在航行过程中探测各种地球物理场的变化,研究和寻找地下地质构造和矿产的一种物探方法[2]。该技术经过六七十年的发展,已经逐步应用到各勘探领域和行业。然而,航空电磁探测的核心技术大多被国外公司所垄断,其中作为早期研究该技术的公司之一的法国CGG公司[3],拥有DIGHEM、RESOLVE、GEOTEM、MEGATEM等系统,处于世界领先地位。而我国的航空电磁探测设备的研发仍处于起步阶段,面临诸如低频隔振、传感器姿态控制、噪声抑制、探测深度较浅等诸多难题。对于发射系统而言,天然场源拥有高频到低频丰富的频率成分,可以极大地提高探测深度。然而,天然场信号由于受到季节性和地理纬度的影响,信号十分微弱[4]。特别是振动会使接收线圈产生感应电磁场[5],从而对二次场信号产生干扰。此外,由于深部电磁勘测系统的探测深度与频率成反比,且深部数据主要由低频信号来描述[6],因此需要设计出低频隔振设备。而对于接收系统而言,主要接收地下介质反射的二次场信号。然而,常见的隔振系统材料大多包括铁合金等磁性材料,其产生的电磁干扰(EMI)对电磁传感器的探测深度有极大的影响[7],因此要设计出能够应用于航空电磁探测的隔振系统,就必须满足低磁导率[7]、低频隔振[6]等要求。

为达到航空电磁探测隔振系统的要求,本文设计了一种二自由度双气室的气缸式空气弹簧隔振系统,基于热力学、动力学及流体力学理论建立了该隔振系统的非线性模型,并着重讨论了气缸的横截面积对其隔振性能的影响。

1 隔磁、低频隔振技术

镍锌铁氧体及其复合材料由于具有宽频、高阻等特点,在抗电磁干扰领域得到广泛应用[8]。Luan等[9]将碳纤维、Ni-Fe涂层和碳纳米管(CNT)通过化学电镀和原位聚合相结合,得到轻质(0.14 g/cm2)和薄(厚度为1 mm)碳纤维织物(CF)/Ni-Fe/CNT/硅胶层状电磁屏蔽复合材料;Budumuru等[10]阐述了一种金属基复合材料AL6061在电磁干扰(EMI)保护结构中的适用性,明确其适用于航空领域。为减少对电磁探测数据精度的影响,寻找合适的电磁屏蔽材料是解决电磁干扰(EMI)问题的关键。

空气弹簧可以突破传统弹簧刚性的限制,从而满足低固有频率的要求。在理论研究方面,徐登峰等[11]设计了一种双腔室空气弹簧,可以对物体进行有效隔振;邬明宇等[12]对双腔室空气弹簧的等效刚度进行了推导,并做了相关的对比实验对仿真结果进行验证;王家胜[13]对带有附加气室的空气弹簧进行了动力学分析并建立了相关模型;付炼[14]设计了一种可以依靠空气弹簧进行隔振的系统,并通过调节节流孔面积来寻找隔振平台的最佳隔振性能参数。在实际应用方面,目前空气弹簧主要应用于汽车悬架和列车座椅隔振等工程领域[15]。李芾等[16]设计了一种铁道车辆用空气弹簧,对影响空气弹簧性能的参数进行了分析;陈俊杰等[17]设计了一种应用于车辆悬架中的带有附加气室的空气弹簧,并进行了实验和仿真分析;Zhou等[18]设计了一种可用于汽车的空气悬架模型并使用ADAMS软件进行了仿真分析。空气弹簧的出现为低频隔振提供了一种可行的方法,但目前对可以应用于航空电磁探测吊舱中的隔振系统还缺乏研究。为此,本文设计了一种可以应用于航空电磁探测吊舱中的隔振系统。

2 气动悬挂系统结构

气动悬挂系统结构示意图如图1所示,工作中气缸在被压缩时通过阻尼孔来消耗振动能量,其中弹簧为辅助隔振元件,也可以用那些近似弹簧的弹性物体如弹性绳代替。当悬挂的重物受到阶跃力作用产生阶跃位移时,气缸会产生相应的位移而导致其内部压强发生变化,从而产生向上或向下的力。

气缸的内部结构如图1(b)所示。活塞以上的空间与外界连通,上气室与下气室通过阻尼孔连通,可以在活塞上下运动时完成下气室与上气室之间的高压气体交换。其中,上气室为主气室,即气缸工作时产生压差的气室,下气室是附加气室,辅助上气室进行气体交换。

3 气动悬挂动力学模型

3.1 气缸动力学模型及方程

为方便进行加速度分析,选取向下为正方向,气缸式空气弹簧的受力分析如图2所示。

图2 受力分析图

活塞杆质量为m1,悬挂重物的质量为m2,阶跃力F和阶跃位移q关于悬挂重物的位移x2和活塞杆位移x1的运动学方程分别为:

阶跃力响应

(1)

(2)

阶跃位移响应

(3)

(4)

式中:k1为弹簧刚度,T为空气弹簧压缩产生的力,g为重力加速度。各参数的参考值见表1。

表1 各参数参考值

3.2 热力学流体动力学模型及方程

空气弹簧的隔振主要是通过工作气缸与大气的压力差形成的力来对物体进行隔振。为方便建模和分析隔振过程,做如下假设:空气弹簧气缸中的空气进行交换的时间很短,可近似等效为绝热过程。

空气弹簧压缩产生的力T可表示为:

T=(Pu-Pd)Au

(5)

式中:Pu为上气室的压力,Pd为下气室的压力,Au为气缸的横截面积。

上气室的热力学方程为:

(6)

Vu=Auh

(7)

(8)

式中:Vu为上气室体积,mu为上气室空气质量,Cu0为常数,h为气缸活塞初始高度,mu0为上气室初始的空气质量,m为气体的质量流量,k为绝热指数。

下气室的热力学方程为:

(9)

(10)

各参数具体标注如图3所示。

图3 气缸参数标注

假设气体流过阻尼孔的速度很快,因此可以将气体流动视为绝热过程。根据流体力学模型,在上、下气室气压比不同的情况下,上、下气室通过阻尼孔交换气体的质量流量公式为:

(11)

式中:P2/P1为上下气室压力中较小值与较大值之比,P1为上下气室中气压较大值,P2为上下气室中气压较小值;A为阻尼孔进行气体交换时的有效面积,其与节流孔的真实面积A0成正比,即A=ΦA0,Φ是收缩系数,一般为0.6～0.9,本文取0.9;Ps为上气室气压;Pa为下气室气压;R为气体常数。气缸热力学参数参考值见表2。

表2 气缸热力学参数参考值

4 模拟仿真结果分析

4.1 仿真工具与原理

本文利用MATLAB中的Simulink模块对空气弹簧隔振动力学过程进行模拟仿真,并对仿真结果进行分析。MATLAB中的Simulink模块是一种可以将公式转化为模块,对线性、非线性过程进行动态仿真分析的工具,具有功能强大、方便快捷、易于分析等优点。

由于低频噪声的产生是因接收设备的低频振动[5],而悬挂重物(内含磁传感器)的运动状态(加速度与位移)直接体现设备的振动情况,也是影响航空电磁探测精度的最关键信息,接收系统运动姿态的大幅度变化,会对测量精度产生较大的影响[19],需要着重考虑,且载荷的运动状态(加速度与位移)不仅可以直观地反映气缸隔振性能的优异程度,而且可以用于后期数据处理时校正运动噪声的时间序列,因此本文仿真旨在通过Simulink模块模拟气缸在受阶跃力作用和产生阶跃位移时悬挂重物的运动学状态和姿态,找到气缸的最佳隔振性能参数。

4.2 阶跃力响应

对空气弹簧施加30 N的外部激励力,来测试空气弹簧的隔振效果。结果显示空气弹簧的振动加速度在3～5 s内减小到0,即其趋于稳定达到隔振目的。为找到隔振效果最理想的参数值,取不同的气缸横截面积进行仿真分析。

控制下气室的体积为5.88×10-2m3及阻尼孔的截面积为5.9×10-6m2,分析气缸不同横截面积下空气弹簧的隔振效果,仿真取5组不同的截面积值,分别为0.35×10-2、0.45×10-2、0.55×10-2、0.65×10-2、0.75×10-2m2。仿真结果如图4所示。

图4 不同横截面积气缸的加速度响应

由图可知,随着气缸横截面积的增大,加速度衰减越来越小,且从波峰波谷时间重叠表现为加速度响应频率差异不明显,幅值差异明显,频率略有偏移。由图4可得,在阶跃力为30 N条件下,气缸横截面积的优选参数范围为0.4×10-2～0.5×10-2m2。

4.3 阶跃位移响应

对空气弹簧施加0.01 m的外部激励位移,结果显示空气弹簧可以在10～20 s内位移变化趋于0,即达到隔振效果。取不同的气缸横截面积进行仿真分析来寻找最优参数。

控制下气室的体积为5.88×10-2m3及节流孔的截面积为5.9×10-6m2,分析气缸不同截面积下空气弹簧的隔振效果,仿真取9组不同的截面积值,分别为0.05×10-2、0.15×10-2、0.25×10-2、0.35×10-2、0.45×10-2、0.55×10-2、0.65×10-2、0.75×10-2、0.85×10-2m2,仿真结果如图5所示。

图5 不同横截面积气缸的位移响应

由图5可知,当气缸横截面积小于0.45×10-2m2时,增大气缸的横截面积可以有效促进位移响应幅值的衰减,且改变气缸的横截面积,从图中波峰波谷时间差异可以看出位移响应频率偏移明显;当气缸横截面积大于0.45×10-2m2时,幅值变化不大,首次振动幅值甚至略有上升,即改变气缸横截面积对幅值衰减无促进作用,但改变气缸的横截面积,位移响应的频率发生明显偏移,证明改变气缸横截面积会改变振动频率。在阶跃位移条件下,气缸横截面积优选参数范围为0.4×10-2～0.5×10-2m2,与激励力响应差异不大。

5 仿真结果与实验结果对比

为验证仿真结果,在实验室进行如图6所示的空气弹簧隔振实验。隔振系统由气缸、活塞杆、固定架、弹性绳等组成,所悬挂重物为航空电磁探测传感器平台,如图7所示。考虑到采集的目标信号为微弱的低频信号,为保证实验结果的可靠性,实验环境为无风无雨偏僻的郊区环境,以减少各种高压线的电磁干扰及汽车等工业噪声的干扰。对实验平台进行了隔振降噪处理,避免平台受实验室地基等振动的影响。将空气压缩机等振动和产生电磁噪声的设备尽可能安放在离试验台较远的位置,以在隔音密闭空间中完成实验。

图6 隔振系统实验图

图7 隔振系统结构示意图

实验测试系统由线性振动器、高压气源、加速度传感器、力传感器、多通道数据采集仪组成,如图8所示,将实验所得数据与仿真结果进行对比分析,如图9所示。

图8 实验测试示意图

图9 模拟结果与实验结果对比图

由图9分析可得,模拟的加速度波峰与波谷值略大于实验值,可能是由于模拟过程未考虑摩擦力等复杂实验环境导致的振动能量消耗,但模拟得到的加速度整体变化趋势与实验结果相吻合,证明所设计隔振系统的实际可行性,即所设计的隔振系统可以对物体进行有效隔振。

6 结论

本文为满足航空电磁探测系统低频隔振的需求,设计了一种双气室的气缸式空气弹簧隔振系统。基于热力学、动力学等分析,并使用MATLAB的Simulink模块进行了仿真分析,得到如下结论:

1)隔振系统可以使悬挂重物加速度、位移有效衰减,即能够有效隔振,为航空电磁探测吊舱的隔振系统设计提供了一种可行的方法。

2)仿真结果显示,气缸的横截面积小于0.45×10-2m2时,增加气缸的横截面积,可以提高系统的隔振性能;气缸的横截面积大于0.45×10-2m2时,增加气缸的横截面积,则会降低系统的隔振性能。得到系统在最佳隔振性能时气缸横截面积的优选参数范围为0.4×10-2～0.5×10-2m2,为设计人员提供了参考。