CN104632974B - 一种用于航空光学遥感器的减振结构 - Google Patents

Abstract

一种用于航空光学遥感器的减振结构属于航空光学遥感成像设备减振技术领域，目的在于解决现有技术存在的减振性能有限、作用于接口部位的工作应力大及联接螺栓和载机接口的疲劳寿命低的问题。本发明包括球铰固定壳子装配、球铰支撑杆、橡胶减振器和限位保护结构；所述球铰固定壳子装配与所述球铰支撑杆的球头部位配合形成铰链结构，所述橡胶减振器套在所述球铰支撑杆的支撑杆上与所述支撑杆配合，所述橡胶减振器上端与光学载荷相连，所述球铰支撑杆的下端设置有限位保护结构，所述球铰支撑杆的下端端部与支撑杆固定螺母螺纹联接；载机联接螺钉穿过所述球铰固定壳子装配和载机，载机联接螺钉和螺母通过螺纹联接实现球铰固定壳子装配在载机上的固定。

Description

一种用于航空光学遥感器的减振结构

技术领域

本发明属于航空光学遥感成像设备减振技术领域，具体涉及一种用于航空光学遥感器的减振结构。

背景技术

长焦距航空光学遥感成像设备对载机姿态变化、气流扰动等环境因素具有较大的敏感性，为了克服载机振动的影响，充分发挥航空光学遥感成像设备的工作性能，系统减振是航空光学遥感成像设备的重要关键技术之一。目前用于航空光学遥感器的减振结构主要包括：(1)螺旋弹簧附加可调式液流阻尼器减振系统；(2)钢丝减振器；(3)橡胶减振器等。螺旋弹簧附加可调式液流阻尼器的减振系统通过减振点位的合理设计和器件参数的优化，可以获得较低的减振系统固有频率和优化的阻尼特性，从而可在很宽的频带范围内同时对角振动和线振动进行很好的过滤，其缺点是减振系统体积大，需要占用较大的设计空间。钢丝减振器主要利用了螺旋钢丝环的横向压缩变形和钢丝本身的干摩擦阻尼实现系统减振，与前者相比，体积虽然有所减小，但是工作性能和可作用的频带宽度有限。橡胶减振器主要利用橡胶材料本身的优异弹性特性和内摩擦阻尼来实现结构减振。目前橡胶减振器的安装方式主要包括压装和吊装两种，实际应用中橡胶减震器的内外壳分别与载机和成像设备紧固联接，减振器对载机角振动的隔离效果有限，难以满足长焦距成像系统的实际减振需求。此外，紧固联接方式会使载机接口部位承受较大的弯曲载荷，从而降低了载机接口部位的疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于航空光学遥感器的减振结构，解决现有橡胶减振器存在的角振动隔离效果有限、接口工作应力大和载机接口疲劳寿命低的问题。

为实现上述目的，本发明所提出的一种用于航空光学遥感器的减振结构包括球铰固定壳子装配、球铰支撑杆、橡胶减振器和限位保护结构；

所述球铰固定壳子装配与所述球铰支撑杆的球头部位配合形成球铰联接，所述橡胶减振器套在所述球铰支撑杆的支撑杆上并与所述支撑杆配合，所述橡胶减振器的上端与光学载荷相连，所述球铰支撑杆的下端设置有限位保护结构，实现对光学载荷刚体位移量的限制和橡胶减振器的脱胶保护，所述限位保护结构在球铰支撑杆的下端通过支撑杆固定螺母与所述橡胶减振器的内壳固定；载机联接螺钉穿过所述球铰固定壳子装配和载机的承载梁，载机联接螺钉和螺母通过螺纹联接实现球铰固定壳子装配在载机承载梁上的固定。

所述橡胶减振器上端与光学载荷接触处设置有减振器调整垫。

所述球铰固定壳子装配包括球铰上固定壳、螺钉、球铰研修垫和球铰下固定壳；所述球铰上固定壳和球铰下固定壳通过螺钉联接，所述球铰上固定壳和球铰下固定壳的结合部位设置有球铰研修垫。

所述橡胶减振器包括减振器外壳、减振橡胶和减振器内壳；所述减振橡胶设置在所述减振器外壳和减振器内壳之间，所述减振器内壳与所述球铰支撑杆的支撑杆配合，所述橡胶减振器为一体式结构。

所述限位保护结构包括外限位环、内限位环和防脱保护结构；所述外限位环和内限位环分别固定在所述减振器外壳下端和所述球铰支撑杆上，间接在减振器外壳和减振器内壳之间实现接触限位，所述防脱保护结构设置在所述外限位环和内限位环下端与所述球铰支撑杆固定联接。

所述防脱保护结构的外径大于外限位环的内径。

本发明的有益效果为：本发明的一种用于航空光学遥感器的减振结构为了有效控制光学载荷在使用过程中的刚体晃动量，该减振结构借助光学载荷本身进行机械限位，由于减振器调整垫、减振器外壳和外限位环紧固联接于光学载荷，内限位环紧固联接于球铰支撑杆，球铰支撑杆铰接于载机。当载机发生航向或横向的平动扰动时，球铰支撑杆会使减振器绕其中心旋转，当转动量超过一定限值时，内限位环会与外限位环接触，从而可防止光学载荷相对于载机产生过大的相对刚体位移，与现有的吊装或压装橡胶减振结构相比，该结构不仅可以提升系统减振性能，而且可以降低作用于载机接口部位的工作应力，对提高载机接口的疲劳寿命具有重要意义。另外，本发明中的球铰支撑杆下端固定有防脱保护结构，该结构的设置，有效防止当减振橡胶发生破坏时，因光学载荷发生坠落而对系统安全造成的影响。

附图说明

图1为本发明的一种用于航空光学遥感器的减振结构整体示意图；

图2为本发明具体应用过程中基于平行四边形机构的减振系统原理图；

图3为减振系统的等效原理图；

图4为本发明的机械限位原理图；

图5为两种吊装减振结构接口受力分析简图；

其中：1、载机，2、减振结构，2-1、螺母、2-2、载机联接螺钉，2-3、球铰上固定壳，2-4、螺钉，2-5、球铰研修垫，2-6、球铰下固定壳，2-7、减振器调整垫，2-8、球铰支撑杆，2-9、橡胶减振器，2-9-1、减振器外壳，2-9-2、减振橡胶，2-9-3、减振器内壳，2-10、外限位环，2-11、内限位环，2-12、防脱保护结构，2-13、支撑杆固定螺母，3、光学载荷，4、接口垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的一种用于航空光学遥感器的减振结构包括球铰固定壳子装配、球铰支撑杆2-8、橡胶减振器2-9和限位保护结构；

所述球铰固定壳子装配与所述球铰支撑杆2-8的球头部位配合，所述橡胶减振器2-9套在所述球铰支撑杆2-8的支撑杆上与所述支撑杆配合，所述橡胶减振器2-9上端与光学载荷3接触，所述球铰支撑杆2-8的下端设置有限位保护结构，实现光学载荷3的限位和橡胶减振器2-9的脱胶保护，所述球铰支撑杆2-8的下端端部与支撑杆固定螺母2-13通过螺纹联接固定；载机联接螺钉2-2穿过所述球铰固定壳子装配和载机1，载机联接螺钉2-2和螺母2-1配合实现球铰固定壳子装配在载机1上的固定。

所述橡胶减振器2-9上端与光学载荷3接触处设置有减振器调整垫2-7。

所述球铰固定壳子装配包括球铰上固定壳2-3、螺钉2-4、球铰研修垫2-5和球铰下固定壳2-6；所述球铰上固定壳2-3和球铰下固定壳2-6通过螺钉2-4联接，所述球铰上固定壳2-3和球铰下固定壳2-6接触处设置有球铰研修垫2-5。

所述橡胶减振器2-9包括减振器外壳2-9-1、减振橡胶2-9-2和减振器内壳2-9-3；所述减振橡胶2-9-2设置在所述减振器外壳2-9-1和减振器内壳2-9-3之间，所述减振器内壳2-9-3与所述球铰支撑杆2-8的支撑杆配合，所述橡胶减振器2-9为一体式结构。

所述限位保护结构包括外限位环2-10、内限位环2-11和防脱保护结构2-12；所述外限位环2-10和内限位环2-11分别与减振器外壳2-9-1和球铰支撑杆2-8固连，间接在减振器外壳2-9-1和减振器内壳2-9-3之间实现接触限位，所述防脱保护结构2-12设置在所述外限位环2-10和内限位环2-11下端并与所述球铰支撑杆2-8固定连接。

所述防脱保护结构2-12的外径大于外限位环2-10的内径。

参见附图2，本发明实际应用时，假设光学载荷3通过由4个减振结构2组成的平行四边形机构悬挂于载机1上。当载机1沿图示X向或Y向发生平动扰动时，在平行四边形机构和机械铰链干摩擦阻尼的共同作用下，光学载荷3在X向和Y向的平动扰动得到了很好的抑制。当载机1沿图示Z方向发生角扰动时，由于减振结构2两端的铰链结构，光学载荷3绕Z方向的角扰动也能得到很好抑制。

本发明的装配过程为：首先，将球铰支撑杆2-8装入球铰下固定壳2-6，载机联接螺钉2-2装入球铰上固定壳2-3；将球铰下固定壳2-6、球铰上固定壳2-3以及球铰研修垫2-5通过螺钉2-4联接形成球铰子装配。然后，将橡胶减振器2-9、内限位环2-11、防脱保护结构2-12依次装入球铰支撑杆2-8，并通过支撑杆固定螺母2-13固定形成减振组件。在光学载荷3往载机1挂载之前，依次将前述形成的减振组件紧固联接于光学载荷3的4个吊装点，为确保4个吊装点的减振组件高度一致，每个吊装点需要增加减振器调整垫2-7。然后，将光学载荷3与载机1的4个安装点对准，借助升降机构将光学载荷3-3举升至载机1的接口平面，通过螺母2-1、载机联接螺钉2-2和接口垫片4将光学载荷3吊挂于载机1。

参见附图3，使用过程中，橡胶减振器2-9是一个具有6自由度刚度的构件，可等效为半刚性铰链结构，整个减振系统可等效为如图3所示的简化模型。其中，Kz,Cz主要起着垂向即图示Z向的减振作用，K_θ,C_θ主要起着航向即图示X向和横向即图示Y向的减振作用，从而，可消除理想平行四边形机构本身所存在的运动不确定性问题。

参见附图4，为了有效控制光学载荷3在使用过程中的刚体晃动量，该减振结构2可借助光学载荷3本身进行机械限位，由于减振器调整垫2-7、减振器外壳2-9-1、外限位环2-10紧固联接于光学载荷3，内限位环2-11固连于球铰支撑杆2-8，球铰支撑杆2-8铰接于载机1。因此，当载机1发生航向或横向的平动扰动时，球铰支撑杆2-8会使减振器绕其中心旋转，当转动量超过一定限值时，内限位环2-11会与外限位环2-10接触，从而可防止光学载荷3相对于载机1产生过大的相对刚体位移。

实践表明该减振结构2的系统减振性能优于一般的紧固联接吊装减振结构2，在改善接口受力状态方面，该结构也较一般的紧固联接吊装减振结构2具有较大优势。具体分析如下：

1、参见附图5(a)，对于普通紧固联接吊装减振结构2，光学载荷3的航向或横向惯性力在载机1接口部位所产生的弯矩表达如下：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_{1\max }=F_T\·L\\ {\mathrm{\ΣF}}_T=ma\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：

F_T——光学载荷3的航向或横向惯性力在减振器等效中心所产生的分力；

L——减振器等效中心与载机1接口部位的距离；

M_1max——光学载荷3的航向或横向惯性力在载机1接口部位所产生的最大弯矩；

m——光学载荷的质量；

a——光学载荷的加速度。

2、参见附图5(b)，对于本发明的吊装减振结构2，相当于在减振器件和载机1接口之间额外增加了一个球形铰链，这种情况下光学载荷3的航向或横向惯性力在载机1接口部位所产生的弯矩表达如下：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_{2\max }=F_T\·l\\ {\mathrm{\ΣF}}_T=ma\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：

F_T——光学载荷3的航向或横向惯性力在减振器等效中心和球形铰链中心所产生的分力；

l——球形铰链中心与载机1接口部位的距离。

M_2max——光学载荷3的航向或横向惯性力在载机1接口部位所产生的最大弯矩；

m——光学载荷的质量；

a——光学载荷的加速度。

3、综上所述，在光学载荷3质量和载机1接口尺寸相同的情况下，上述两种吊装形式在每个吊装点所产生的横向分力F_T是相同的。本发明中的球形铰链中心与载机1接口部位的距离l小于一般的紧固联接吊装减振结构2中的减振器等效中心与载机1接口部位的距离L，由于球形铰链具有不传递弯矩的特点，因此，本发明最终作用于载机1接口部位的弯矩(M_2max)小于一般的紧固联接吊装减振结构2(M_1max)。从而改善了载机联接螺钉2-2和载机1接口部位的受力状态，有利于提高二者的疲劳寿命。

Claims (6)

1.一种用于航空光学遥感器的减振结构，其特征在于，包括球铰固定壳子装配、球铰支撑杆(2-8)、橡胶减振器(2-9)和限位保护结构；

所述球铰固定壳子装配与所述球铰支撑杆(2-8)的球头部位配合形成铰链结构，所述橡胶减振器(2-9)套在所述球铰支撑杆(2-8)的支撑杆上与所述支撑杆配合，所述橡胶减振器(2-9)上端与光学载荷(3)接触，所述球铰支撑杆(2-8)的下端设置有限位保护结构，实现对光学载荷(3)的限位和对橡胶减振器(2-9)脱胶保护，所述球铰支撑杆(2-8)的下端端部与支撑杆固定螺母(2-13)螺纹联接；载机联接螺钉(2-2)穿过所述球铰固定壳子装配和载机(1)的承载梁，载机联接螺钉(2-2)和螺母(2-1)螺纹联接实现球铰固定壳子装配在载机(1)的承载梁上的固定。

2.根据权利要求1所述的一种用于航空光学遥感器的减振结构，其特征在于，所述橡胶减振器(2-9)上端与光学载荷(3)接触处设置有减振器调整垫(2-7)。

3.根据权利要求1所述的一种用于航空光学遥感器的减振结构，其特征在于，所述球铰固定壳子装配包括球铰上固定壳(2-3)、螺钉(2-4)、球铰研修垫(2-5)和球铰下固定壳(2-6)；所述球铰上固定壳(2-3)和球铰下固定壳(2-6)通过螺钉(2-4)联接，所述球铰上固定壳(2-3)和球铰下固定壳(2-6)的结合部位设置有球铰研修垫(2-5)。

4.根据权利要求1所述的一种用于航空光学遥感器的减振结构，其特征在于，所述橡胶减振器(2-9)包括减振器外壳(2-9-1)、减振橡胶(2-9-2)和减振器内壳(2-9-3)；所述减振橡胶(2-9-2)设置在所述减振器外壳(2-9-1)和减振器内壳(2-9-3)之间，所述减振器内壳(2-9-3)与所述球铰支撑杆(2-8)的支撑杆配合，所述橡胶减振器(2-9)为一体式结构。

5.根据权利要求4所述的一种用于航空光学遥感器的减振结构，其特征在于，所述限位保护结构包括外限位环(2-10)、内限位环(2-11)和防脱保护结构(2-12)；所述外限位环(2-10)固定在减振器外壳(2-9-1)上，内限位环(2-11)固定在球铰支撑杆(2-8)上，间接在减振器内壳(2-9-3)和减振器外壳(2-9-1)之间实现机械限位，所述防脱保护结构(2-12)设置在所述外限位环(2-10)和内限位环(2-11)下端与所述球铰支撑杆(2-8)固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于航空光学遥感器的减振结构，其特征在于，所述防脱保护结构(2-12)的外径大于外限位环(2-10)的内径。