CN111240006B - 大型天文望远镜方位轴结构的双线性水平滑移减振系统 - Google Patents
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Abstract
大型天文望远镜方位轴结构的双线性水平滑移减振系统，大型天文望远镜结构由方位轴侧向轴承和轴向轴承支撑，其特征在于，所述地震隔离系统置于枢轴轴承的活动部件与方位角底板的下板之间，由四个双线性减震器组成，这些减震器将轴承的4个均匀分布的点与距它们90°的方位轴地板的4个点连接起来。所述四个双线性减震器上施加有预紧力。支撑望远镜结构的方位轴的轴向静压轴承在方位轴轨道上使用滑动接触。本发明用于保护望远镜主结构免受高强度地震的影响。本发明能够在强地震事件中提供有效的隔离，而在正常观察条件下，它具有很高的刚度，可以避免干扰望远镜的指向精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种减振装置，具体涉及一种大型天文望远镜方位轴结构的双线性水平滑移减振装置。
本发明是国家自然科学基金（A11）“大射电望远镜主动面关键技术研究”的研究成果。
背景技术
近年来，国际上正在研制中的20-50m主镜口径的巨型地基天文光学望远镜主要有：美国三十米望远镜(TMT)、24.5m大麦哲伦望远镜(GMT)以及欧洲南方天文39m极大望远镜(E-ELT)。
世界上现有观测条件优越的天文观测站多位于地震多发区，例如，北美洲的夏威夷和南美洲的智力，许多大型天文望远镜都在此选址。由美国发起的30m光学-红外望远镜(TMT)，将坐落于美国夏威夷群岛的莫纳克亚山。这是一座火山，历史上曾经发生过6.8级地震。欧南台E-ELT 39m极大望远镜同样位于智力地震高发区塞罗亚马逊。故望远镜本身必须具备一定的抗震性能，以确保其在当地可能发生的最大地震条件下不发生大的破坏。
为此美国TMT望远镜工作人员设计了一套水平滑移隔震系统，此系统主要有三个预载的粘滞阻尼器构成。当望远镜处于工作状态时，粘弹性阻尼器依靠预载荷保持充足的刚度，当发生地震作用时，在地震载荷作用下，地震力超过粘滞阻尼器预载时，粘滞阻尼器会呈现低阻尼特性，允许整个望远镜发生水平滑移运动，以便消耗地震能量，避免地震力对望远镜造成破坏[1]-[4]。但是该系统阻尼器是单向作用耗能装置，望远镜在发生水平滑移运动时，只能进行单方向合成运动进行耗能，不能随地震载荷力的复杂变化而灵活运动。
E-ELT采用了基础隔震设计，系统由弹簧、粘滞阻尼单元、竖向预载装置以及水平向预载装置组成。此种设计在保持整体刚度的同时，具有足够的柔性。小地震时，保持为线性运动，大地震时，非线性运动消耗地震能量。缺点是为保证足够的刚度，需保证总够数量的隔振装置，使整个系统设计复杂[5][6]。
中国也开展了巨型望远镜的研究工作，提出了未来中国巨型望远镜方案CFGT（Chinese Future Giant Telescope），主镜口径为30m。正如在前面部分中提到的那样，CFGT望远镜也将位于地震活动频繁的区域。望远镜的光学元件（M1主镜，M2副镜和光谱仪）是非常敏感的设备，如果受到重要的加速度，很可能会损坏。大口径望远镜的减振设计对于保障望远镜的安全运行具有重要的意义，因此设计一套适用于中国大口径望远镜的减振系统是非常必要的。
参考文献.
[1] The design and construction of large optical telescopes[M].Springer Science & Business Media, 2003.
[2] TMT Observatory Corporation. Thirty meter telescope –construction proposal. document TMT.PMO.MGT.07.009, Pasadena, CA; 2007. <http://www.tmt.org>.
[3] Tsang D, Austin G, Gedig M, et al. TMT telescope structuresystem: seismic analysis and design[C]//SPIE Astronomical Telescopes+Instrumentation. International Society for Optics and Photonics, 2008:70124J-70124J-12..
[4] Usuda T, Ezaki Y, Kawaguchi N, et al. Preliminary design study ofthe TMT telescope structure system: overview[C]//SPIE Astronomical Telescopes+ Instrumentation. International Society for Optics and Photonics, 2014:91452F-91452F-10..
[5] Gilmozzi R, Spyromilio J. The European extremely large telescope(E-ELT)[J]. The Messenger, 2007, 127(11): 3.
[6]Gómez, Celia, et al. "E-ELT seismic devices analysis and prototypetesting."SPIE Astronomical Telescopes+ Instrumentation. International Societyfor Optics and Photonics, 2012.
发明内容
本发明的目的是提供一种大型天文望远镜方位轴结构的双线性水平滑移减振系统，完成上述发明任务的技术方案是：一种天文望远镜减振隔离系统，在这种方案下，望远镜结构将位于基墩的顶部，因此，地震隔离系统的唯一可能位置是在基墩和望远镜结构之间。
在这样的位置上，隔离垂直加速度并同时在正常操作期间提供足够的刚度是不可行的。因此，本发明选择了2维地震隔离系统，该系统会衰减两个方向上的水平加速度（最有可能产生更大的动态振幅）。
完成上述发明任务的技术方案是，一种大型天文望远镜方位轴结构的水平滑移减振系统，大型天文望远镜结构由方位轴侧向轴承和轴向轴承支撑，其特征在于，所述地震隔离系统置于枢轴轴承的活动部件与方位角底板的下板之间，由四个双线性减震器组成，这些减震器将轴承的4个均匀分布的点与距它们90°的方位轴地板的4个点连接起来。
在优化方案中，本发明使用有限元软件ANSYS WORKBECH FEA模型进行地震分析。即，在原有的天文望远镜控制系统中增设地震分析有限元软件。
换言之，本发明的隔离系统将利用枢轴轴承传递径向载荷的优势，并将其置于枢轴轴承的活动部件与方位角底板的下板之间。如图1，它由四个双线性减震器组成，这些减震器将轴承的4个均匀分布的点与距它们90°的方位轴地板的4个点连接起来。
可以将四个减震器中的每个阻尼器设想为带有定阻尼器的硬对中弹簧。硬对中弹簧是双线性弹簧，可以承受来自水平作用的双向作用力，同时承受高达一定值的载荷时具有很高的刚度一旦负载超过该值，刚度将大大降低。因为存在一定的预紧力，刚度会发生变化，因此刚度较高的弹簧也称为预紧单元。选择了此负载的值，以便在运行过程中永远不会超过它操作见图4。
所述四个双线性减震器上施加有预紧力，本发明推荐，该预紧力为10kN。
这样，望远镜结构将不会具有较低的固有频率，并且在操作过程中不会遭受大的变形，这对于进行正常的观测至关重要。但是，在地震事件中，一旦超过10kN的载荷，预载荷就会丢失，望远镜结构开始相对于基墩移动，因此，来自基墩的加速度会同时被弹簧和阻尼器衰减。图3显示了本发明提出的减震的概念设计草图。
整个望远镜结构系统的设计应能承受高达1000年回归期的地震载荷。在大地震的情况下，地震加速度和地面位移被传递到望远镜结构，导致望远镜结构振动。大型光学望远镜都使用了静压轴承系统，该系统在旋转结构和固定结构之间具有滑动接触，以减小它们之间的摩擦，从而降低跟踪性能。支撑望远镜结构的方位轴的轴向静压轴承在方位轴轨道上使用滑动接触。通过滑动接触，方位轴轨道可以在一定程度上隔离望远镜上部结构承受的地面水平方向加速度和地面位移。但是，方位轴枢轴轴承成为传递水平加速度和位移的剩余路径。望远镜的方位轴枢轴轴承应将旋转部件牢固地连接到固定部件，以实现高度轴结构横向运动的高稳定性和望远镜结构的高共振频率，以实现高跟踪和引导性能。对于高地震情况下，TMTPO在方位轴枢轴轴承上引入了水平地震隔离系统的概念，而本发明对其进行了改进。功能包括：
a）用滑动元件隔离地震振动；
b）用双线性减震器吸收地震振动；
c）通过预紧机制在观测操作和地震操作之间切换稳定度；
d）使用有限元FEA模型进行地震分析。
图2显示了望远镜结构和底座的横截面。望远镜结构由方位轴侧向轴承和轴向轴承支撑。
为了通过基于时程加速度和位移的动态分析来评估抗震性能，使用有限元FEA模型进行时程分析，图5显示了在主要安装的光学元件和观测仪器上有无该隔离系统后的地震分析结果比较。黑色代表未设置隔离系统的地震反应，灰色代表相同地震灾害条件下使用隔离系统后地震反应，最大地震响应可减小80%。这满足了设计的要求，以避免损坏光学元件。
本发明的大型望远镜水平滑移减震隔离控制系统，用于保护望远镜主结构免受高强度地震的影响。本发明能够在强地震事件中提供有效的隔离，而在正常观察条件下，它具有很高的刚度，可以避免干扰望远镜的指向精度。
附图说明
图1 为水平隔离系统的俯视图；
图2 为水平隔离系统的剖面图；
图3使用预紧弹簧的减震器和锁定机制；
图4硬对中弹簧双线性力学性能；
图5 FEM分析结果对比。
具体实施方式
实施例1，大型天文望远镜方位轴水平滑移减振隔离系统，参照图1-图4：
隔离系统安装在方位轴主轴中心轴2上，并将望远镜结构连接至基墩3。图中1为方位结构。隔离装置内部的锁紧机构通过弹簧施加预紧力，锁定机构如图3所示。图中，预载弹簧4，阻尼5，拉伸力6，压缩力7。在观测过程中，望远镜结构需要牢固地固定在底座上，并保持高刚性，以免受到干扰，例如风和制动器以及高共振频率的作用，以实现更好的跟踪控制。发生地震时，如果地震荷载超过预设值，则预应力弹簧开始移动，并释放结构从而使上部望远镜结构可以水平移动，从而与地震振动隔离。同时，阻尼器通过吸收上部望远镜结构的振动能量来抑制振动。
因此，该地震隔离系统能够在观测期间满足高跟踪和引导性能，并且还能够满足光学仪器和观测仪器的允许加速度极限以及强度要求。
阻尼器的粘性阻尼值为c = 3e5 N /（m·s）。原则上，使用较高的阻尼似乎总是有利的。但是，在这种情况下，太大阻尼不会有效地衰减地震力的高频分量，而阻尼太小不会衰减共振附近的分量。建议的阻尼值是这两种情况之间的折衷方案，尽管可能会进一步优化。
根据分析，在1000年的返回期地震事件中，弹簧和阻尼器承受的最大力分别为175kN和109 kN（在0.36 m / s时）。
根据减震器的行程，选择了+/- 60mm的初始值，这将产生190 kN的最大弹力。方位轴将设计成允许径向在该范围内运动，因此在地震事件中不会损坏任何元件。
根据进行的分析，在1000年的返回期地震中，该结构的最大径向运动预计为+/-55mm，这样就决不能达到减震器行程的尽头。
但是，如果由于某种意外原因，地震产生的径向运动推动结构向径向移动的距离大于阻尼器的行程，则阻尼器将由于其有限的行程而起到限制作用，因此，方位轴机构不会受损。万一减震器到达行程末端，它的性能实际上将是刚性的，但不会受到损坏。
Claims (1)
1.一种大型天文望远镜方位轴结构的双线性水平滑移减振系统，大型天文望远镜结构由方位轴侧向轴承和轴向轴承支撑，其特征在于，地震隔离系统置于枢轴轴承的活动部件与方位角底板的下板之间，由四个双线性减震器组成，这些减震器将轴承的4个均匀分布的点与距它们90°的方位轴地板的4个点连接起来；
所述四个双线性减震器上施加有预紧力；
支撑望远镜结构的方位轴的轴向静压轴承在方位轴轨道上使用滑动接触；
所述预紧力为10kN；
在原有的天文望远镜控制系统中增设地震分析有限元软件；使用该有限元软件FEA模型进行地震分析。
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