CN108639571A - 用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统 - Google Patents

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Abstract

用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，包括有缓冲系统与被保护体，特征是缓冲系统为双层缓冲系统，自内而外依次为：内层缓冲结构、中间体、外层缓冲结构与外部体；被保护体设置在内层缓冲结构内。内层缓冲结构隔离被保护体与中间体，由泡沫塑料材料制作；外层缓冲结构连接中间体与外部体，由外层主缓冲结构与外层辅助缓冲结构组成，外层主缓冲结构基于杠杆原理，采用四套连杆结构；外层辅助缓冲结构简化为四套弹性元件。本发明的优点是：在满足被保护体加速度要求时具有缓冲行程很小的突出优点，可以解决大型光学望远镜在南极内陆运输的缓冲问题。本发明对其他领域的运输也有借鉴作用。

Description

用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统
技术领域
本发明涉及运输缓冲系统领域，具体涉及一种用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统。本发明为下面项目的研究成果：国家自然科学基金重大项目：极端台址环境下的天文望远镜关键技术方法研究，批准号：11190013。
背景技术
南极内陆的冰穹A海拔4000余米，空气干燥，大气散射小，红外背景辐射小，透明度好，视宁度好，每年有连续几个月的观测时间，是世界上最好的地面天文台址，中国在此设立了昆仑站并建立南极天文台。昆仑站距离靠近海岸线的中山站1000余公里。目前天文望远镜需要通过雪橇车从中山站运往昆仑站，沿途分布大量冰坝、冰裂隙等可引起猛烈冲击的地形。据第25届南极科考队内陆队的实测数据，在雪橇车测得的编号3660的极端冲击信号（图4）的加速度峰值高达200g（此g为重力加速度，下同），速度增量达7.6米每秒，冲击具有高加速度、高能量的特点。
我国已经在昆仑站放置了口径14.5厘米的CSTAR，口径50厘米/68厘米的AST3-1与AST3-2。CSTAR与AST3-1、AST3-2的口径与重量相对较小、结构简单，相应的运输缓冲系统容易实现。例如，AST3-2的主镜从主镜装配体的状态拆卸下来，单独进行包装缓冲，其主镜缓冲系统主要采用8根弹簧从包装立方体的8个角进行悬挂，有结构简单可靠的优点，圆满完成了AST3-2主镜的运输任务。
中国天文学家提出研制主镜口径2.5米的南极昆仑暗宇宙巡天望远镜（KunlunDark Universe Survey Telescope, KDUST）安放在南极天文台。KDUST的口径是AST3-2的3倍多，其初始方案的主镜模块的重量达3.5吨，是AST3-2的主镜模块重量10倍多。根据动力学研究结果，KDUST主镜模块的许用峰值加速度不能超过5g。如果KDUST的主镜缓冲系统采用与AST3-2主镜缓冲系统类似的方案并进行优化，在编号3660的极端冲击信号作用下，满足主镜的加速度峰值不超过5g的要求时，主镜模块的缓冲总行程约4米，考虑到主镜模块本身的高度大于1.5米，主镜运输模块的高度约5.5米，整体高度远超雪橇车所能允许的范围，所以原缓冲方案不能在KDUST的主镜运输中应用。针对此问题，本发明提供一种运输缓冲系统，能在满足被保护体的加速度峰值要求时，将缓冲总行程降低到约1.2米，具有实用价值，为南极2.5米望远镜的成功运输创造条件。
理想缓冲器是一种在最短行程内吸收、存储最大能量的缓冲器理论模型：对于所有大于零的挠度，理想缓冲器的出力等于被保护体所能承受的最大力；从运动学角度描述是：在所有大于零的相对位移处，被保护体的加速度等于所能承受的最大加速度。所以理想缓冲器在满足被保护体的加速度时具有最小的缓冲距离。根据理想缓冲器理论模型，在编号3660的极端冲击信号作用下，被保护体为KDUST的主镜时，被保护体的缓冲总行程约0.5625米。本发明基于理想缓冲器理论模型的性能，对缓冲系统结构进行优化。本发明虽然是针对大型天文光学望远镜在南极的运输提出来的，但对其他情况的运输也有借鉴作用。
发明内容
本发明提供一种用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统。这种缓冲系统基于杠杆原理，应用弹性与阻尼结构，让被保护体的加速度不大于其能承受的峰值加速度，从而在性能上逼近理想缓冲器，获得很小的缓冲行程。本发明可以解决原8根弹簧缓冲系统在满足峰值加速度需求时，缓冲行程较大的问题。
完成上述发明任务的技术方案是：一种用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，包括有缓冲系统与被保护体，其特征在于，所述的缓冲系统为双层缓冲系统，该双层缓冲系统自内而外依次为内层缓冲结构、中间体、外层缓冲结构与外部体；所述的被保护体设置在所述内层缓冲结构内。
所述内层缓冲结构隔离被保护体与中间体，由泡沫塑料等材料制作；所述外层缓冲结构连接中间体与外部体，所述外层缓冲结构由外层主缓冲结构与外层辅助缓冲结构组成，该外层主缓冲结构基于杠杆原理，采用四套连杆结构；该外层辅助缓冲结构简化为四套弹性元件。
每套所述连杆结构包括储能元件（弹性元件、阻尼元件）、横臂、竖臂以及与横臂、竖臂等连接的运动副、调节连接点位置的附属结构。
所述横臂的长度方向大致沿水平方向，竖臂的长度方向大致沿竖直方向。所述被保护体指缓冲系统的保护目标。所述中间体指内层缓冲结构与外层缓冲结构的连接接口和结构，中间体是整体结构或分体结构。所述外部体指为外层缓冲结构提供支承的结构，外部体形成整体结构。
更具体地说，外层主缓冲结构的四套连杆结构如下：外部体内表面上通过旋转副固定有横臂，该横臂的另一端通过球铰连接有竖臂；该竖臂的另一端通过球铰固定在中间体的外表面；同时，所述横臂的侧方还通过弹性元件与阻尼元件与外部体的另一个方向的内表面连接；所述横臂与所述竖臂之间也通过弹性元件与阻尼元件连接。
所述被保护体的外面还可以设有被保护体的附属板。
本发明应对的主要冲击来自于竖直方向，即重力方向。竖直方向的冲击主要由外层主缓冲结构进行缓冲，水平方向的冲击由外层主缓冲结构与外层辅助缓冲结构联合进行缓冲，内层缓冲结构在隔振中的主要作用是隔离高频微幅振动。
本技术方案的第一个特征在于：冲击能量主要由外层主缓冲结构的连杆结构的弹性元件与阻尼元件转化、吸收。连杆结构的横臂基于杠杆原理将弹性元件9和阻尼元件10的行程放大。横臂的一端与外部体用旋转副连接，另一端与竖臂用球面副（球较）连接；弹性元件9和阻尼元件10的一端连接横臂的中部，另一端连接外部体。连杆结构的竖臂基于杠杆原理将弹性元件18和阻尼元件17的行程放大。弹性元件18和阻尼元件17的一端连接横臂的中部，另一端连接竖臂的中部；连杆结构的竖臂与动平台之间用球面副连接。所述横臂的中部是指横臂两端运动副之间的区域，不一定在两端运动副的连线上，也不特指中间点；同理，所述竖臂的中部指竖臂两端运动副之间的区域，不一定在两端运动副的连线上，也不特指中间点。
本技术方案的第二个特征在于：缓冲系统弹性力与阻尼力的分配方法。缓冲系统在选型时采用线性弹簧与粘滞阻尼器，线性弹簧的弹性力与挠度成正比，阻尼元件的阻尼力与速度成正比。线性弹簧与粘滞阻尼器的性能满足条件：考虑杠杆的缩放效应后，弹性力与阻尼力之和的最大值所提供的加速度小于等于被保护体的最大许用加速度；在挠度为零时，所需阻尼元件的阻尼力所提供的加速度小于等于被保护体的最大许用加速度，相应的阻尼值根据极端冲击信号按照能量守恒原理折算到挠度为零时的速度来计算；在挠度最大时，所需弹簧的弹性力提供的加速度小于等于被保护体的最大许用加速度，相应的弹簧刚度值根据设计最大挠度值来计算。本缓冲系统优化的初始值依据理想缓冲器的性能给出，系统的优化方向是根据理想缓冲器的性能进行优化。
本技术方案的第三个特征在于：储能元件（弹性元件9、阻尼元件10、弹性元件18、阻尼元件17）的靠近横臂的中部的连接点的位置可调，位置可调的主要作用是补偿各种因素引起的阻尼性能的变化，位置调节的方案是预留不同位置的连接孔或者将连接点放置于可运动的滑块、摇臂等附属结构上，连接点位置调节好后用螺钉、卡扣、销钉等附属结构固定位置。由于在缓冲过程中，在运动学中所述调节连接点位置的附属结构相对固定，所以本技术方案将调节连接点位置的附属结构看作横臂的一部分。
本技术方案的第四个特征在于：以南极实测的高加速度、高能量的极端冲击信号作为缓冲系统的输入条件（冲击加速度峰值达200g，主要冲击持续时间0.14秒，速度增量达7.6米每秒，等效跌落高度达2.8米），优化得到缓冲系统的结构参数，在一般的低冲击条件下具有安全性好的优点，而且成本增加不大。
由于阻尼元件的特性难以兼顾高速、大行程与轻质量，而本发明基于杠杆原理放大弹性元件和阻尼元件的行程，从而允许阻尼元件采用常见的轻型粘滞阻尼器，液压油选用低温液压油（许用最低温度约-35℃），可以满足大型光学望远镜在南极夏天的运输需求。
本发明的外层辅助缓冲结构由四套弹性元件组成。由于侧向冲击的能量相对较低，通过动力学计算，本发明把在侧向冲击中才起重要作用的外层辅助缓冲结构简化为四套弹簧，避免了对轻型、高速、大行程阻尼元件的需求。
本发明的突出优点在于：
1、本发明在缓冲系统中联合使用弹簧与阻尼元件，以逼近理想缓冲器理论模型的性能，在满足系统加速度需求时具有行程很小的突出优点。
2、本发明的外层主缓冲结构允许阻尼结构采用常见阻尼元件，避开了原方案若要用阻尼元件需要研制兼顾高速度、大行程与轻质量特性的阻尼元件的难题。
3、本发明在横臂与外部体设置旋转副连接，容易控制被保护体的运动空间，便于安装和调节弹性元件与阻尼元件；在竖臂两端采用球面副连接，减少了结构的耦合，降低了系统的复杂程度。
4、本发明的外层辅助缓冲结构简化为四套弹簧，避免了对轻型、高速、大行程阻尼元件的需求。
附图说明
图1为本发明的实施例1的总体结构主视图。
图2为本发明的实施例1的总体结构俯视图。
图3为本发明的实施例1的连杆结构示意图。
图4为本发明实施例1采用的输入条件：南极实测得到的3660号极端冲击信号的主要冲击段的时域波形。
具体实施方式
实施例1，一种用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，参照图1至图3。图1为本发明的实施例1的总体结构主视图，图2为本发明的实施例1的总体结构俯视图。图1与图2都包括被保护体1、内层缓冲结构2、被保护体的附属板3、中间体4、外层缓冲结构的外层主缓冲结构5、外层缓冲结构的外层辅助缓冲结构6、外部体7。图3为本发明的实施例1的连杆结构示意图，实施例1共使用四套这样的连杆结构。图3包括外部体7、旋转副8、弹性元件9、阻尼元件10、滑块11、锁紧螺钉12、横臂13、球铰14、竖臂15、球铰16、中间体4、阻尼元件17、弹性元件18、滑块19、锁紧螺钉20。图1至图3的相同编号的物体相同。
图1所示，实施例1的竖直方向A为重力方向，所述外层缓冲结构的外层主缓冲结构的横臂的长度方向大致沿水平方向，外层缓冲结构的外层主缓冲结构的竖臂的长度方向大致沿竖直方向。
图2所示，实施例1的四套连杆结构都用旋转副8连接于外部体7，各连杆结构的旋转副8的轴线在同一水平面内，各连杆结构的旋转副8的轴线分别与各自连杆结构的横臂13垂直。
实施例1为运输主镜模块时的缓冲系统，此时所述被保护体1为主镜模块。所述内层缓冲结构2为分体结构，由聚乙烯泡沫塑料制作，支承于被保护体的可支承部位，为被保护体提供各向的支承，由于作为被保护体的主镜的可支承部位的面积不够大，仅用这些面积进行支承将导致聚乙烯泡沫塑料的静压力过大，所以在主镜室周围安装了扩大支承面积的附属板3，让静压力降为5kPa左右，附属板3为圆环状结构，从动力学上可以看作被保护体1的一部分。
实施例1的中间体4为整体结构，内部容纳和保护内层缓冲结构2，外部连接外层缓冲结构5和6。
实施例1的外部体7为框架式整体结构，连接外层缓冲结构5和6。
实施例1的整体布置特点有：外部体7的结构张成的空间最大，中间体4只在外部体7所张成的空间范围内运动，外部体7上设置旋转副8以限制横臂13的运动范围，从而使球铰14只能沿以旋转副8为圆心、以横臂13为半径的圆弧运动，从而减小了连接于横臂13的弹性元件9、阻尼元件10的运动范围。竖臂15在重力的作用下一般竖直向下，竖臂15下方设置球铰16，球铰16与中间体4连接。中间体4内部容纳和保护内层缓冲结构2，内层缓冲结构2的内部是保护体1。实施例1的外层辅助缓冲结构6为线性拉伸弹簧。
实施例1的连杆结构特点有：弹性元件9与阻尼元件10同轴安装；阻尼元件17与弹性元件18同轴安装。弹性元件9与阻尼元件10的轴线尽量布置为竖直方向，以减少缓冲时结构非线性的影响；阻尼元件17与弹性元件18轴线尽量布置为水平方向，以减少缓冲时结构非线性的影响。
实施例1的杠杆比例要平衡阻尼元件的性能与缓冲系统性能的稳定性，杠杆放大比例太小时，需要阻尼元件的行程大、速度大，满足这样需要的阻尼元件质量大，不适合在缓冲系统中应用；杠杆放大比例太大时，对阻尼元件性能的变化放大过多，由于阻尼元件的性能往往不够稳定，将引起缓冲系统的性能变化较大。经过动力学计算，对于图4所示的编号3660的极端冲击信号，连杆的横臂杠杆比例约1：10，竖臂杠杆比例约1：5，能较好地平衡阻尼元件的选型与缓冲系统性能的稳定性。
实施例1的外层主缓冲器的单个弹簧刚度在2700-4000N/mm，阻尼在70-110Ns/mm时，在编号3660的极端冲击信号作用下，被保护体（主镜模块）在竖直方向最大下沉位移量约0.92-0.84米，竖直方向位移回升时超调量约0.25米，即被保护体（主镜模块）在竖直方向的运动总距离约1.2米左右，缓冲方案具有实用价值。综上，实施例1可以满足光学望远镜在南极内陆极端环境的运输要求。本发明虽然是针对大型天文光学望远镜在南极的运输提出来的，但对其他情况的运输也有借鉴作用。

Claims (8)

1.一种用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，包括有缓冲系统与被保护体，其特征在于，所述的缓冲系统为双层缓冲系统，该双层缓冲系统自内而外依次为：内层缓冲结构、中间体、外层缓冲结构与外部体；所述的被保护体设置在所述内层缓冲结构内。
2.根据权利要求1所述的用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，其特征在于：所述内层缓冲结构隔离被保护体与中间体；所述外层缓冲结构连接中间体与外部体，所述外层缓冲结构由外层主缓冲结构与外层辅助缓冲结构组成，所述外层主缓冲结构基于杠杆原理，采用四套连杆结构；所述外层辅助缓冲结构简化为四套弹性元件。
3.根据权利要求2所述的用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，其特征在于：所述内层缓冲结构由泡沫塑料制作；所述被保护体的外面还设有被保护体的附属板。
4.根据权利要求2所述的用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，其特征在于：每套所述连杆结构包括储能元件、横臂、竖臂以及与横臂、竖臂连接的运动副，以及调节连接点位置的附属结构。
5.根据权利要求4所述的用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，其特征在于：所述连杆结构的横臂与外部体用旋转副连接，横臂与竖臂用球面副连接，竖臂与动平台用球面副连接。
6.根据权利要求4所述的用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，其特征在于：所述外层主缓冲结构的四套连杆结构的组成如下：外部体内表面上通过旋转副固定有横臂，该横臂的另一端通过球铰连接有竖臂；该竖臂的另一端通过球铰固定在中间体的外表面；同时，所述横臂的侧方还通过弹性元件与阻尼元件与外部体的另一个方向的内表面连接；所述横臂与所述竖臂之间也通过弹性元件与阻尼元件连接。
7.根据权利要求4所述的用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，其特征在于：所述横臂的长度方向沿水平方向，竖臂的长度方向沿竖直方向。
8.根据权利要求2-7之一所述的一种用于极地极端环境下大型光学望远镜运输的缓冲系统，其特征在于：以南极实测的高加速度、高能量的极端冲击信号作为缓冲系统的动力学输入条件，优化得到缓冲系统的结构参数：所述动力学输入条件是：冲击加速度峰值达200g，主要冲击持续时间0.14秒，速度增量达7.6米每秒，等效跌落高度达2.8米。
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