激光捷聯(lián)慣組減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)研究

楊朋軍，黃金威，李 良

(西安航天精密機(jī)電研究所 西安 710100)

激光捷聯(lián)慣組減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)研究

楊朋軍，黃金威，李 良

(西安航天精密機(jī)電研究所 西安 710100)

以某型號(hào)激光捷聯(lián)慣組減振系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象,詳細(xì)論述了激光捷聯(lián)慣組減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果比較一致。研究結(jié)果對(duì)慣性系統(tǒng)減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

減振系統(tǒng)；設(shè)計(jì)計(jì)算；試驗(yàn)

0 引言

激光捷聯(lián)慣組作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)核心部件，其工作環(huán)境的穩(wěn)定性直接關(guān)系著導(dǎo)彈的命中精度。由于新型號(hào)武器系統(tǒng)的力學(xué)環(huán)境愈加惡劣，尤其就振動(dòng)而言，其頻率范圍之寬、加速度之大，足以使儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)達(dá)到應(yīng)力破壞狀態(tài)，因此，研究激光捷聯(lián)慣組振動(dòng)保護(hù)問題，對(duì)于提高慣組的抗振動(dòng)、大過載、強(qiáng)沖擊的能力有重要的意義[1]。

某型號(hào)要求帶減振器的慣組繞三個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)頻率特性在f≤45Hz范圍內(nèi)不允許有諧振峰，且慣組須承受48g大過載、120g/4ms半正弦沖擊惡劣力學(xué)條件等。為滿足以上苛刻環(huán)境條件，本文對(duì)該型號(hào)慣組的減振器設(shè)計(jì)過程及試驗(yàn)驗(yàn)證過程進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 減振器設(shè)計(jì)計(jì)算

為適應(yīng)慣組環(huán)境要求，保證慣組動(dòng)態(tài)精度，慣組減振設(shè)計(jì)著重考慮了減振器對(duì)外界振動(dòng)激勵(lì)的衰減效果，從而為慣組被減振部分提供良好的工作環(huán)境。為保證慣組在外界三個(gè)方向振動(dòng)激勵(lì)下其一階振動(dòng)頻率、變形和減振效果一致，提高減振性能，增加可靠性，慣組減振系統(tǒng)采用三向減振器減振方式，即采用四個(gè)三向減振器繞慣組X軸對(duì)稱布置減振方式。這種減振方式的優(yōu)點(diǎn)是慣組三向振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)頻率基本一致，支撐剛度較高，對(duì)振動(dòng)激勵(lì)的衰減效果很好。慣組減振器方案簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 慣組減振器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Damper structure of IMU

1.1 動(dòng)態(tài)頻率、幅值特性的分析計(jì)算

對(duì)于慣組本體減振系統(tǒng)，其一階線共振頻率和一階角共振頻率之間存在以下近似比例關(guān)系

(1)

式中：a為線振動(dòng)頻率和角振動(dòng)頻率的比例關(guān)系；ω為系統(tǒng)繞X、Y、Z某個(gè)軸的角共振頻率；f為沿相應(yīng)軸的線共振頻率；J為慣組被減振部分繞X、Y、Z某個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中Jx=0.21kg·m2，Jy=0.19kg·m2，Jz=0.19kg·m2；m為慣組被減振部分的質(zhì)量，m=19.8kg；L1～L4分別為四支減振器分別到慣組中心軸的距離，L1～L4均為124mm。

將上述已知條件代入式(1)可得：

ax=1.21，ay=1.27，az=1.27，若要滿足角振動(dòng)頻率大于45Hz，則慣組減振系統(tǒng)線振動(dòng)頻率需滿足如下：

fx≥37.4Hz，fy、z≥35.5Hz

由于激光陀螺對(duì)高頻振動(dòng)激勵(lì)量級(jí)要求非常苛刻，所以采用阻尼比較小的減振器對(duì)激光陀螺有利;由于阻尼橡膠在高頻減振主要是彈性起作用，所以減振器剛度盡可能低對(duì)激光陀螺也是比較有利的，而且，減振器頻率越低，減振器的緩沖效果越好。但是，考慮到對(duì)慣組動(dòng)態(tài)安裝精度和過載、緩沖距離的要求，減振器的一階諧振頻率又不能太低，必須具有一定的剛度，以降低角振動(dòng)幅度和提高角振動(dòng)頻率，同時(shí)減小慣組減振器過載和沖擊條件下的變形量。綜合以上因素，確定減振器共振頻率f=45Hz、共振放大倍數(shù)T=2.5[2]。

1.2 減振器剛度分析計(jì)算[3]

減振系統(tǒng)共振頻率fn=45Hz、共振放大倍數(shù)T=2.5，可得減振系統(tǒng)總動(dòng)剛度

K=1.51×106(N/m)

減振器總靜剛度

Kj=7.6×105(N/m)

1.3 減振器過載環(huán)境下分析計(jì)算

過載情況下，慣組過載位移就是減振系統(tǒng)的變形量δ，亦即過載力與減振系統(tǒng)靜剛度之比值。

X向過載時(shí)變形量

δx=13mg/Kj=3.46mm

由于慣組在大梁上是斜45°安裝，因此Y、Z向過載時(shí)變形量

δy、z=48mgx(cos45°)/Kj=8.7mm

由此可以看出，慣組使用線振動(dòng)頻率為45Hz的減振器時(shí)，其X向過載變形量較小，遠(yuǎn)小于減振柱極限位移，因此可以在慣組減振系統(tǒng)X向不設(shè)計(jì)過載保護(hù)，相對(duì)某平臺(tái)系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化減振系統(tǒng)上連接件的結(jié)構(gòu)形式。Y、Z向過載時(shí)變形較大,為加強(qiáng)在過載條件下減振柱的安全設(shè)計(jì)，須在減振系統(tǒng)Y、Z向分別加裝緩沖墊(其每向剛度與減振系統(tǒng)一致)，該緩沖墊距離上連接件4mm間隙，即慣組在Y、Z向過載時(shí)，減振柱壓縮4mm后，緩沖墊發(fā)生作用，此時(shí)減振系統(tǒng)剛度增大，保證慣組過載位移小于8.7mm。

1.4 減振器沖擊環(huán)境下分析計(jì)算[4]

慣組本體沖擊力學(xué)條件為120g/4ms的半正弦波沖擊，可以看作一個(gè)激勵(lì)加速度幅值為120g，周期為8ms(頻率為250π),持續(xù)時(shí)間為4ms的正弦振動(dòng)激勵(lì)。慣組通過安裝環(huán)安裝在彈體發(fā)射大梁上，慣組被減振部分通過4個(gè)減振器與安裝環(huán)相連。由于臺(tái)體剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減振器剛度，考慮沖擊問題時(shí)可將它們視為剛體，則在沖擊環(huán)境條件下，慣組被減振部分運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中：x為慣組被減振部分相對(duì)于載體的位移；c為減振系統(tǒng)阻尼系數(shù)，c=2ξmω，ω為系統(tǒng)的共振頻率，阻尼系數(shù)ξ=0.22，得c=2389.5(N·s)/m；k為減振系統(tǒng)總剛度，k=1.51×106N/m；G為激振加速度，G=120g；p為激振頻率，p=250π。

(3)

其中:

(4)

將已知條件代入上述公式，在MATLAB可得慣組的沖擊位移曲線，如圖2所示。

圖2 慣組沖擊位移響應(yīng)曲線Fig.2 Shock displacement curves of IMU

從圖2可以看出，慣組在沖擊力學(xué)條件為120g/4ms的半正弦波沖擊下，其最大位移約為5.7mm，小于減振柱的極限位移，可以認(rèn)為減振器在沖擊條件下，減振器處于彈性范圍內(nèi)，減振器不會(huì)因?yàn)闆_擊條件而損壞。

2 減振器試驗(yàn)驗(yàn)證[5]

2.1 減振器減振柱拉、壓試驗(yàn)

為了確定減振柱在大變形下是否破壞，對(duì)減振器減振柱進(jìn)行了拉伸、壓縮變形試驗(yàn)，以觀察其剛度變化趨勢(shì)。減振柱的拉、壓應(yīng)力—變形曲線如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出,減振柱在拉/壓8mm變形范圍內(nèi)，其壓縮、拉伸力與變形的關(guān)系基本是線性的，說明減振器的減振柱能夠適應(yīng)48g的過載條件，不會(huì)破壞。

圖3 減振柱拉伸曲線Fig.3 Tensile curve of shock absorber

圖4 減振柱壓縮試驗(yàn)曲線Fig.4 Compress curve of shock absorber

2.2 慣組隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

慣組隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)為主動(dòng)段和再入段兩種量級(jí)和譜形,均為20～2000Hz內(nèi)的寬頻激勵(lì)。振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 慣組振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，慣組減振器三向共振頻率基本一致，滿足三向等剛度的設(shè)計(jì)要求，減振器衰減率超過60%，說明慣組三向減振器性能良好，能為慣組系統(tǒng)提供良好的工作環(huán)境。

2.3 慣組沖擊試驗(yàn)

慣組沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 慣組本體沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，減振器對(duì)沖擊載荷的緩沖效果非常好，試驗(yàn)后觀察減振器無破壞現(xiàn)象，證明慣組減振器能夠適應(yīng)沖擊條件。

2.4 慣組其他試驗(yàn)

減振器隨慣組進(jìn)行角振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，減振器角振動(dòng)頻率均大于45Hz。另外慣組還進(jìn)行了加速度、可靠性增長(zhǎng)等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明減振器的強(qiáng)度滿足可靠性要求，試驗(yàn)后減振器無損傷和破壞，減振器有良好的減振緩沖效果，能夠滿足慣組系統(tǒng)對(duì)減振器抗力學(xué)環(huán)境的要求，為慣組提供一個(gè)良好的工作環(huán)境。

3 結(jié)論

本文以某型號(hào)激光慣組減振系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象,詳細(xì)論述了激光捷聯(lián)慣組減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果比較一致。本文研究結(jié)果對(duì)慣性系統(tǒng)及其他相關(guān)型號(hào)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

[1] 張樹俠,孫靜.捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1992.

[2] 戴德沛.阻尼技術(shù)的工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,1991.

[3] 楊朋軍,雷志學(xué),李良,楊瑞超.激光捷聯(lián)慣組靜、動(dòng)態(tài)安裝精度理論計(jì)算分析[J].導(dǎo)航定位與授時(shí).2015,2(5):1-4.

[4] 王佳民,裴聽國(guó).慣性平臺(tái)新型金屬橡膠減振器理論與實(shí)驗(yàn)研究[J].宇航學(xué)報(bào).2003,24(1):92-96.

[5] 楊朋軍.激光捷聯(lián)慣組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制總結(jié)報(bào)告[R].中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第十六研究所,2011.

Design Calculation and Experimental Study for Vibration Reduction System of Laser Strapdown IMU

YANG Peng-jun,HUANG Jin-wei,LI Liang

(Xi’an Aerospace Precision Electromechanical Institute, Xi’an 710100,China)

The design of vibration reduction system of a laser strapdown IMU is described in detail.The design process of the laser strapdown IMU is described and the experimental study is also carried out.The results show that the theoretical calculation is in agreement with the experimental results.The research results of this paper have some reference value for the vibration reduction design of inertial system.

Vibration system；Design calculation；Test

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.013

2015-11-01；

2015-12-14。

楊朋軍(1979-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事精密儀器與機(jī)械分析與設(shè)計(jì)。E-mail：abcyangpengjun@126.com

TH113

A

2095-8110(2016)04-0070-04