CN110901935B - 一种用于大型航空光学吊舱的减振器及航空光学吊舱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于大型航空光学吊舱的减振器及航空光学吊舱，解决现有减振器对于大型航空光学吊舱无法应用的问题。其中减振器包括同轴设置的内安装环、外安装环、设置在内安装环和外安装环之间的缓冲层；所述内安装环的一端沿轴向向外延伸形成第一安装面，第一安装面沿圆周方向均布多个第一通孔；所述外安装环的一端沿轴向反向延伸形成第二安装面，第二安装面沿圆周方向均布多个第一螺纹孔；所述第一安装面沿轴向延伸出缓冲层，所述第二安装面沿轴向反向延伸出缓冲层。
Description
技术领域
本发明属于光学载荷上的减震装置，具体涉及一种用于大型航空光学吊舱的减振器及航空光学吊舱。
背景技术
航空机载光学设备是装载在航空飞行器上，用以拍摄空中或地面目标，获取目标图像信息以及光谱特性信息，这些信息的高效获取对科学研究以及技术防伪均具有较大的作用，航空机载光学设备的研究也是目前工程领域非常重要的一个方向。
由于航空机载光学设备装载在航空飞行器上，航空飞行器在起飞和飞行过程中，会存在较为恶劣的振动环境，这种振动会对航空机载光学设备中光学载荷的成像和测量产生不利影响，通常采取隔振或减振的设计措施，降低或消除外界振动对航空机载光学设备的影响。
目前航空机载光学设备上常用减振器主要有：环形钢丝绳减振器、高阻尼硅橡胶减振器、金属丝网减振器。
就环形钢丝绳减振器而言，其减振器即能吸收冲击能量，又能隔离高低频率的振动，也能衰减减振器自身的驻波效应。工作原理是利用环形钢丝绳在负载作用下的弯曲变形和股间滑移产生的非线性阻尼来吸收和耗散运动能量，达到减振缓冲的目的，该减振器的刚度和阻尼取决于钢丝绳的参数(直径、股数、长度、圈数、缠绕方式、变形等)，最低固有频率可达到10Hz以内。
对于高阻尼硅橡胶减振器来说，其质量和体积较小，可以根据设备的具体安装方式进行结构形式的匹配。该减振器以高阻尼为主要特征，阻尼系数可高达0.2～0.3，这是一般的减振器所不能达到的，目前已替代常规硅橡胶材料的减振器。其工作原理是利用高分子材料在外载作用下产生原子间距离变化的弹性变形和大分子链的高弹性变形，从而把振动机械能转换成热能耗散，达到减振缓冲目的。
而金属丝网减振器，其减振器主要是利用金属丝网间的变形产生的非线性干摩擦阻尼，耗散运动能量达到减振缓冲的目的。该减振器阻尼系数大于0.2，共振放大系数不大于3，工作温度能够适应低温环境和高温环境，-55℃～170 ℃，固有频率可以达到20Hz，环境适应能力强，使用寿命长。
上述三种传统减振器体积都较小，主要用于航空小型光电吊舱的振动需求。对于大型航空光学吊舱，上述三种传统减振器阻尼较小，在经受振动和冲击激励时，不能迅速耗散掉，以致在较长时间过程的振动作用中，会产生功能降低的次数累积；另外，其安装方式均为悬挂式安装，多向等刚度一致性差，不能满足多向承载的要求，因此传统减振器无法应用于大型航空光学吊舱中。
发明内容
为了解决现有减振器对于大型航空光学吊舱无法应用的技术问题，本发明提供了一种用于大型航空光学吊舱的减振器及航空光学吊舱。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于大型航空光学吊舱的减振器，其特殊之处在于：包括同轴设置的内安装环、外安装环、设置在内安装环和外安装环之间的缓冲层；所述内安装环的一端沿轴向向外延伸形成第一安装面，第一安装面沿圆周方向均布多个第一通孔；所述外安装环的一端沿轴向反向延伸形成第二安装面，第二安装面沿圆周方向均布多个第一螺纹孔；所述第一安装面沿轴向延伸出缓冲层，所述第二安装面沿轴向反向延伸出缓冲层。
进一步地，所述内安装环的内径为675～685mm，外安装环的外径为 735～745mm，缓冲层的轴向宽度为145～150mm。
进一步地，所述第一安装面的伸出端端部沿径向向外设有第一止挡环；所述第二安装面的伸出端端部沿径向向内设有第二止挡环。
进一步地，所述内安装环、外安装环、缓冲层均由相互分开的两个半环构成，形成两瓣式结构。
进一步地，所述第一螺纹孔为腰型孔，其直边与外安装环的轴线平行。
进一步地，所述内安装环和外安装环材质为316不锈钢，缓冲层材质为橡胶。
进一步地，所述内安装环的内径为680mm，外安装环的外径为740mm，缓冲层的轴向宽度为148mm。
同时，本发明提供了一种航空光学吊舱，包括从左至右依次同轴设置的振动隔离舱和电子配重舱，所述振动隔离舱内设有吊舱头部和光学设备，吊舱头部和光学设备相连，且光学设备靠近电子配重舱设置；其特殊之处在于：还包括如上述用于大型航空光学吊舱的减振器，所述减振器位于振动隔离舱和光学设备之间；
所述光学设备上开有沿同一圆周方向均布的多个与第一通孔配合的第二螺纹孔；
所述振动隔离舱上开有沿同一圆周方向均布的多个与第一螺纹孔配合的第二通孔；
所述减振器与光学设备通过螺栓沿径向由外向内依次穿过所述第一通孔和第二螺纹孔固定连接在一起；
所述振动隔离舱与减振器通过螺栓沿径向由外向内依次穿过所述第二通孔和第一螺纹孔固定连接在一起；
所述光学设备位于内安装环之内，所述振动隔离舱位于外安装环之外。
进一步地，所述减振器为2个，分别固定在光学设备的两端；所述振动隔离舱同时与2个减振器固定。
进一步地，航空光学吊舱外径为760mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明减振器采用环形结构，安装空间小，减振性能良好，同时振动冲击下位移量小于3mm，有效提高结构稳定性。
2、本发明减振器设有的止挡环，可在极限状态下保护减振器的安全性。
3、本发明减振器结构采用316不锈钢及橡胶，可满足航空领域环境，在 -55℃～+70℃范围内减振器频率稳定，可避免由于高低温下频率漂移引起的诸如频率耦合、振动效率变化等问题。
4、本发明航空光学吊舱结构稳定性好，且体积小，可满足航空领域环境，在高低温范围内减振器频率稳定，可避免由于高低温下频率漂移引起的诸如频率耦合、振动效率变化等问题。
5、本发明航空光学吊舱中减振器为2个，固定在光学设备的两端，减振效果好。
附图说明
图1是本发明用于大型航空光学吊舱的减振器结构示意图；
图2是本发明用于大型航空光学吊舱的减振器剖视图；
图3是本发明航空光学吊舱的结构示意图；
图4是本发明航空光学吊舱去掉吊舱头部和振动隔离舱的结构示意图；
图5是本发明航空光学吊舱的振动谱形图。
其中，附图标记如下：
1-内安装环，11-第一安装面，12-第一通孔，2-外安装环，21-第二安装面， 22-第一螺纹孔，3-缓冲层，
4-振动隔离舱，41-吊舱头部，42-光学设备，5-电子配重舱，8-减振器，9- 吊耳。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1和图2所示，一种用于大型航空光学吊舱的减振器，包括同轴设置的内安装环1、外安装环2、设置在内安装环1和外安装环2之间的缓冲层3；内安装环1的一端沿轴向向外延伸形成第一安装面11，第一安装面11沿圆周方向均布多个第一通孔12；外安装环2的一端沿轴向反向延伸形成第二安装面 21，第二安装面21沿圆周方向均布多个第一螺纹孔22；所述第一安装面11 沿轴向延伸出缓冲层3，所述第二安装面21沿轴向反向延伸出缓冲层3，第一安装面11和第二安装面21位于缓冲层3的两端。为了在极限状态下保护减振器的安全性，第一安装面11的伸出端端部沿径向向外设有第一止挡环；所述第二安装面21的伸出端端部沿径向向内设有第二止挡环。为了便于减振器的安装，本实施例减振器结构采用两瓣式结构，为了调整减振器的安装位置以及提高减振效果，将第一螺纹孔22为腰型孔，其直边与外安装环2的轴线平行。
同时，本实施例提供了一种航空光学吊舱，其结构为舱段式弹形舱段式结构，包括从左至右依次同轴设置的振动隔离舱4和电子配重舱5，振动隔离舱 4内设有吊舱头部41和光学设备42，吊舱头部41和光学设备42相连，重量为750Kg，且光学设备42靠近电子配重舱5设置，还包括设置在光学设备42 和振动隔离舱4之间的减振器8，电子配重舱5包括重量为200Kg的电子舱和重量为350Kg的配重舱。
减振器8为圆环式安装，配合面内径为680mm，外径为740mm。光学设备42上开有沿同一圆周方向均布的多个与第一通孔12配合的第二螺纹孔；振动隔离舱4上开有沿同一圆周方向均布的多个与第一螺纹孔22配合的第二通孔；减振器8安装在光学设备42上，通过螺栓沿径向由外向内依次穿过第一通孔12和第二螺纹孔，将减振器8与光学设备42固定连接在一起；通过螺栓沿径向由外向内依次穿过所述第二通孔和第一螺纹孔22，将振动隔离舱4与减振器8固定连接在一起，所述光学设备42位于内安装环1之内，所述振动隔离舱4位于外安装环2之外。减振器8用于安装在光学设备42和振动隔离舱4 环形间隔内，实现对光学设备42的良好减振，吊舱头部41和光学设备42整体通过减振器8与振动隔离舱4相连接；并与电子舱、配重舱组合后成为一个吊舱整机，整体吊舱可通过吊耳9与机体连接。整体吊舱示意如图3所示，振动隔离舱：包括吊舱头部安装舱和光学设备安装舱。隔振系统：吊舱头部41、光学设备42、减振器8的总称。根据大型航空光学吊舱的使用环境和舱体特点，本实施例光学吊舱设计需满足以下指标要求：
1)大型航空光学吊舱使用和环境要求
a)额定载荷：750Kg；
b)谐振频率：30Hz～70Hz。
c)工作频段：20～2000Hz；
d)隔振系统振动、冲击下位移小于10mm；
e)使用环境温度：-55℃～+60℃；
f)随机振动试验要求：
大型航空光学吊舱振动谱形见图5所示，振动量值为4.10g。试验方向为X、 Y、Z三个方向，试验时间每个轴向加载时间60min。
h)冲击试验要求，半正弦波，15ms，7g。
2)减振器
减振器由内安装环1、外安装环2、设置在内安装环1和外安装环2之间的缓冲层组成，减振器内环直径为680mm，外环直径为740mm，减振器轴向宽度为148mm，本实施例吊舱采用两个减振器组合安装，额定载荷为750Kg； 2个减振器8分别固定在光学设备42的两端，振动隔离舱4同时与2个减振器 8固定。
减振器采用316不锈钢及高环境适应性阻尼硅胶，可满足航空领域环境，在-55℃～+70℃范围内减振器频率稳定。可避免由于高低温下频率漂移引起的诸如频率耦合、振动效率变化等问题。
3)大型航空光学吊舱设计频率
定义，如图4所示，沿大型航空光学吊舱轴线方向向前为z航向，与z航向垂直且处于同一水平面向左为y侧向，与z航向和y侧向形成的平面垂直向上为x垂向。
吊舱头部41和光学设备42一阶频率为163Hz，振型为沿着Y方向往复振动；二阶频率为164Hz，振型为X方向往复振动；三阶频率为222Hz，振型为吊舱头部41质量块的上下摆动。当激励频率与振动系统固有频率比大于时，系统传递率小于1。系统一阶固有频率163Hz，当振动系统频率设计在30Hz～80Hz时可以有效隔离电子舱与配重舱传递到前端的振动。
4)振源分析
当激励频率与振动系统固有频率比大于
时，系统传递率小于1。由图5 设备振动谱线得出主要激励频率在200～300Hz，主激励振动低限为200Hz，通常隔振系统设计频率在30～100Hz。随着设计频率的减小，隔振效率提高，隔振装置刚度减小，柔性增大，振动、冲击所需的位移增大，减振器寿命降低。依据对整个舱段、吊舱头部41和振动隔离舱的模态分析和对随机振动谱的分析，隔振系统频率设计在30～70Hz之间可有效对随机振动进行衰减隔离，同时可避免与整个舱段的振动耦合。
5)振动仿真分析和试验验证
a)吊舱头部41和光学设备42隔振前后分析
一阶频率为44.77Hz，振动方式为Z向的平动，二阶频率为58.55Hz，振型为X向的摆动，三阶频率为58.61Hz，振动为Y向的摆动，吊舱头部41 和光学设备隔振前后频率见表1。
表1吊舱头部和光学设备隔振前后
| 阶数 | 不加隔振装置频率(Hz)加隔振装置后频率(Hz) |
| 1阶 | 163.544.8 |
| 2阶 | 164.358.6 |
| 3阶 | 222.058.6 |
b)试验验证
对装配减振器后的吊舱进行试验，试验分为扫频试验见表2、功能试验见表3和冲击试验见表4。其中扫频试验分为初始状态扫频和最终状态的扫频试验。
表2扫频试验结果
表3功能试验结果
表4冲击试验结果
由表2可以看出，试验频率满足实际要求，同时器在试验前后产品性能稳定，产品状态完好。由表3可以看出，减振系统减振效率大于52％，由表4 可以看出在该振动环境下，冲击量值在10～11g时响应量值不大于16g，同时产品经冲击试验后结构完整，性能稳定。由此可推断产品适用于7g，15ms的冲击环境。
6)本实施例吊舱突出优点
减振器采用环形结构，安装空间小，减振性能良好，同时振动冲击下位移量＜3mm，有效提高结构稳定性。
减振器采用互锁结构，可在极限状态下保护设备安全性。
减振器经历实验前后频率无漂移，说明减振器结构完好。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (9)
1.一种航空光学吊舱，包括从左至右依次同轴设置的振动隔离舱(4)和电子配重舱(5)，所述振动隔离舱(4)内设有吊舱头部(41)和光学设备(42)，吊舱头部(41)和光学设备(42)相连，且光学设备(42)靠近电子配重舱(5)设置；其特征在于：还包括用于大型航空光学吊舱的减振器(8)，所述减振器(8)位于振动隔离舱(4)和光学设备(42)之间；
所述减振器(8)包括同轴设置的内安装环(1)、外安装环(2)、设置在内安装环(1)和外安装环(2)之间的缓冲层(3)；
所述内安装环(1)的一端沿轴向向外延伸形成第一安装面(11)，第一安装面(11)沿圆周方向均布多个第一通孔(12)；
所述外安装环(2)的一端沿轴向反向延伸形成第二安装面(21)，第二安装面(21)沿圆周方向均布多个第一螺纹孔(22)；
所述第一安装面(11)沿轴向延伸出缓冲层(3)，所述第二安装面(21)沿轴向反向延伸出缓冲层(3)；
所述光学设备(42)上开有沿同一圆周方向均布的多个与第一通孔(12)配合的第二螺纹孔；
所述振动隔离舱(4)上开有沿同一圆周方向均布的多个与第一螺纹孔(22)配合的第二通孔；
所述减振器(8)与光学设备(42)通过螺栓沿径向由外向内依次穿过所述第一通孔(12)和第二螺纹孔固定连接在一起；
所述振动隔离舱(4)与减振器(8)通过螺栓沿径向由外向内依次穿过所述第二通孔和第一螺纹孔(22)固定连接在一起；
所述光学设备(42)位于内安装环(1)之内，所述振动隔离舱(4)位于外安装环(2)之外。
2.根据权利要求1所述航空光学吊舱，其特征在于：所述减振器(8)为2个，分别固定在光学设备(42)的两端；
所述振动隔离舱(4)同时与2个减振器(8)固定。
3.根据权利要求2所述航空光学吊舱，其特征在于：航空光学吊舱外径为760mm。
4.根据权利要求1所述航空光学吊舱，其特征在于：所述内安装环(1)的内径为675～685mm，外安装环(2)的外径为735～745mm，缓冲层(3)的轴向宽度为145～150mm。
5.根据权利要求4所述航空光学吊舱，其特征在于：所述第一安装面(11)的伸出端端部沿径向向外设有第一止挡环；
所述第二安装面(21)的伸出端端部沿径向向内设有第二止挡环。
6.根据权利要求5所述航空光学吊舱，其特征在于：所述内安装环(1)、外安装环(2)、缓冲层(3)均由相互分开的两个半环构成，形成两瓣式结构。
7.根据权利要求1至6任一所述航空光学吊舱，其特征在于：所述第一螺纹孔(22)为腰型孔，其直边与外安装环(2)的轴线平行。
8.根据权利要求7所述航空光学吊舱，其特征在于：所述内安装环(1)和外安装环(2)材质为316不锈钢；
所述缓冲层(3)材质为橡胶。
9.根据权利要求4所述航空光学吊舱，其特征在于：所述内安装环(1)的内径为680mm，外安装环(2)的外径为740mm，缓冲层(3)的轴向宽度为148mm。
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