寧月光，賈新強(qiáng)

（海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，西安 710043）

0 引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是載機(jī)主要導(dǎo)航信息源，為載機(jī)提供位置、速度以及航向、姿態(tài)等信息，并與自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)以及火控系統(tǒng)交聯(lián)，其性能及可靠性直接影響載機(jī)的飛行安全及飛行任務(wù)的完成。

機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用環(huán)境惡劣，要承受多種形式的沖擊和振動(dòng)，如飛機(jī)起飛降落、發(fā)射導(dǎo)彈等帶來的沖擊，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、炮擊、氣動(dòng)擾流帶來的振動(dòng)等，這些環(huán)境不僅會(huì)影響慣性元件的精度，而且會(huì)降低慣性元件和相關(guān)電子器件的壽命。

慣導(dǎo)系統(tǒng)要保持高精度和高可靠性，其減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。

1 機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)減振的要求

機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)按照其原理的不同，可分為平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)[2]，平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種機(jī)型中，隨著激光陀螺技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)也日趨成熟，由于其具有的高可靠性和良好經(jīng)濟(jì)性，開始逐步取代平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，成為機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)主流產(chǎn)品[1]。

對(duì)于慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，其減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般需滿足：

（1）減振系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)滿足系統(tǒng)的要求；

（2）較高的衰減率；

（3）良好的高低溫性能；

（4）減振系統(tǒng)能準(zhǔn)確傳遞定位基準(zhǔn)；

（5）無角振動(dòng)或較小的角振動(dòng)。

與航天和航海慣導(dǎo)系統(tǒng)相比，由于使用環(huán)境的不同，機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著特殊的要求：

（1）尺寸小，重量輕；

（2）三方向等剛度設(shè)計(jì)；

（3）壽命不低于7.5年；

（4）能抵抗較強(qiáng)的耐久振動(dòng)試驗(yàn)。

2 機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)由一個(gè)四環(huán)全姿態(tài)慣性平臺(tái)和相應(yīng)的電子線路組成，慣性平臺(tái)環(huán)架由內(nèi)向外依次為方位環(huán)、內(nèi)橫滾環(huán)、俯仰環(huán)以及外橫滾環(huán)，方位環(huán)的臺(tái)體上裝有兩個(gè)動(dòng)力調(diào)諧陀螺和三個(gè)擺式加速度計(jì)，減振器布置在平臺(tái)環(huán)架與機(jī)箱之間，隔離載體的各種振動(dòng)和沖擊，減少外部環(huán)境對(duì)陀螺和加速度計(jì)的影響[3][4]。

假設(shè)慣導(dǎo)減振系統(tǒng)六個(gè)自由度完全解耦，則平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)沿一個(gè)軸簡化的動(dòng)力學(xué)模型為五節(jié)點(diǎn)模型，如圖 1（a）所示，其中參數(shù)（M1，K1，C1），（M2，K2，C2），（M3，K3，C3），（M4，K4，C4），（M5，K5，C5）分別代表平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)方位環(huán)、內(nèi)滾環(huán)、俯仰環(huán)、外滾環(huán)以及減振系統(tǒng)的質(zhì)量、彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)。平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型比較復(fù)雜，每個(gè)單元的參數(shù)難以精確確定，因而計(jì)算難度大。

實(shí)際分析計(jì)算中，常常將四個(gè)環(huán)架部分看成一個(gè)整體，通過試驗(yàn)測(cè)試出其總的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)，這樣平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型就可以簡化為圖1(b)的形式[3]。

捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)由一個(gè)臺(tái)體和相應(yīng)的電子線路組成，臺(tái)體上裝有三個(gè)單軸激光陀螺和三個(gè)擺式加速度計(jì)，減振器布置在臺(tái)體與機(jī)箱之間，減少外部環(huán)境對(duì)陀螺和加速度計(jì)的影響。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)簡化后的模型一致，見圖1(b)所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式與式(1)相同[5][6][7]。

圖1 平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型

圖1（b）所示的平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

2.2 機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)包含以下內(nèi)容：

（1）固有頻率

減振系統(tǒng)固有頻率為額定載荷情況下減振系統(tǒng)的諧振頻率，通常用激勵(lì)為 1g的正旋振動(dòng)時(shí)減振系統(tǒng)的響應(yīng)來確定。

（2）固有頻率處的放大倍數(shù)

減振系統(tǒng)固有頻率的放大倍數(shù)為諧振頻率處響應(yīng)幅值與激勵(lì)源幅值之比。

（3）衰減率

衰減率是減振系統(tǒng)的重要指標(biāo)，它標(biāo)志著減振系統(tǒng)的減振性能，常以某個(gè)固定頻率處減振內(nèi)外振動(dòng)幅值的比來表示。以平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)為例，其衰減率定義為100 Hz處減振系統(tǒng)振動(dòng)幅值與基座振動(dòng)幅值的比。

（4）阻尼比

阻尼是自由振動(dòng)衰減的各種摩擦和其它阻礙作用，主要是減振器內(nèi)材料的熱損耗。阻尼比是阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比，是反映減振系統(tǒng)減振性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它與固有頻率處的放大倍數(shù)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（5）固有頻率的溫度變化范圍

機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作溫度變化范圍較大，從-50℃到+70℃，減振系統(tǒng)固有頻率在該溫度范圍內(nèi)的變化應(yīng)控制在一定的范圍，固有頻率變化較大，將影響系統(tǒng)的振動(dòng)性能。

2.2.2 機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

機(jī)載慣導(dǎo)的減振系統(tǒng)是六自由度系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)三個(gè)坐標(biāo)軸的完全解耦，其布局必須符合重心安裝，即減振系統(tǒng)的幾何中心與被減振部分的質(zhì)心重合，而且減振系統(tǒng)沿三個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)稱布局。

機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)減振器的布局形式多種多樣，常用的結(jié)構(gòu)形式見圖2[8]。

在圖2中，假設(shè)被減振部分的質(zhì)心位于圖示的正方體的中心，則減振器布局形式（a）、（b）和（d）完全符合沿坐標(biāo)系對(duì)稱且滿足質(zhì)心和幾何中心重合的條件，因而減振系統(tǒng)六個(gè)自由度的振動(dòng)互不耦合，相對(duì)獨(dú)立，是理想的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 減振器布局形式

對(duì)于平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，由于平衡環(huán)架本身為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，上面的假設(shè)容易滿足，但對(duì)于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，被減振部分的質(zhì)心往往無法滿足上面的假設(shè)，除了需要進(jìn)行質(zhì)心配平外，還需要對(duì)減振系統(tǒng)的布局進(jìn)行調(diào)整，減振系統(tǒng)中每個(gè)減振器的頻率也應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理匹配。航空機(jī)載環(huán)境要求慣導(dǎo)系統(tǒng)沿慣導(dǎo)坐標(biāo)系三個(gè)軸承受振動(dòng)的能力相同，為了保證這個(gè)條件，除了減振系統(tǒng)具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)外，減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型也要滿足沿三軸剛度相同，即三向等剛度設(shè)計(jì)。

（2）減振器材料選擇

減振器的材料主要采用橡膠和金屬兩種，有時(shí)也可將兩者結(jié)合起來構(gòu)成金屬橡膠減振器。

橡膠是一種高分子物質(zhì),有良好的消音、隔振及緩沖能力，其主要性能參數(shù)由橡膠的硬度及彈性模數(shù)、許用強(qiáng)度及最大允許變形、形狀系數(shù)及動(dòng)態(tài)系數(shù)和阻尼比決定。

橡膠減振器的特點(diǎn)是尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單,能自由地選取 3個(gè)方向的剛度,不需要很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)就能得到優(yōu)良的隔振和降噪效果,同時(shí)還具有適當(dāng)?shù)膬?nèi)摩擦阻尼，使其能夠在比較短的時(shí)間周期內(nèi)、在電器設(shè)備的共振頻率下發(fā)揮隔振作用，特別是能吸收高頻振動(dòng)與沖擊振動(dòng)能量,因而對(duì)降低和吸收高頻結(jié)構(gòu)噪聲及沖擊激勵(lì)能產(chǎn)生顯著效果。

目前幾乎所有機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)的減振器均選用橡膠減振器。各種常用減振橡膠性能對(duì)比見表1。

表1 各種常用減振橡膠性能對(duì)比

航空機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)一般要求固有頻率處的放大倍數(shù)不超過4，所以阻尼比一般選在0.15至0.25之間。

硅橡膠與其它橡膠材料相比，高低溫性能好且耐老化，阻尼性能可通過優(yōu)化配方加以提高，比較符合機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)溫度環(huán)境和壽命的要求，是機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)減振器的首選材料。

但橡膠減振器的剛度隨頻率、溫度、振幅和硬度而變化，對(duì)環(huán)境要求較高,使用壽命有限。國內(nèi)已有研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行金屬減振器應(yīng)用的研究，主要使金屬減振器小型化，并取得了較好的進(jìn)展。

（3）減振系統(tǒng)固有頻率設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程和陀螺和加速度計(jì)的敏感頻率，結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)物理模型仿真試驗(yàn)，綜合考慮確定減振器的固有頻率。對(duì)于平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)還必須考慮穩(wěn)定回路各環(huán)的固有頻率，原則上，減振系統(tǒng)固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離慣性元件敏感頻率，一般小于敏感頻率最小值的二分之一。

（4）減振系統(tǒng)阻尼特性設(shè)計(jì)

減振系統(tǒng)的阻尼特性的選取與減振系統(tǒng)固有頻率放大倍數(shù)直接相關(guān)，其關(guān)系為：

式中，K為減振系統(tǒng)阻尼比；Qmax為減振系統(tǒng)固有頻率處的放大倍數(shù)

2.3 減振系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

減振系統(tǒng)裝配前要進(jìn)行減振器配對(duì)篩選以及安裝位置調(diào)試和測(cè)量，減振系統(tǒng)裝配完成后，通常要進(jìn)行固有頻率測(cè)試以及角振動(dòng)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)減振結(jié)構(gòu)是否滿足系統(tǒng)的要求。

2.3.1 減振器配對(duì)試驗(yàn)

主要是在專用剛度測(cè)試儀上測(cè)試每個(gè)減振器沿安裝軸方向上的剛度，然后按照剛度的大小進(jìn)行分類，將剛度差在要求范圍內(nèi)的減振器分為一組，進(jìn)行裝配。

也可以在振動(dòng)測(cè)試臺(tái)上對(duì)每個(gè)減振器進(jìn)行頻率測(cè)試，然后在按照頻率進(jìn)行分類配對(duì)。

2.3.2 減振系統(tǒng)固有頻率測(cè)試

用模擬配重代替減振系統(tǒng)的真實(shí)負(fù)載，通過振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的正旋掃描，測(cè)試減振系統(tǒng)沿三個(gè)軸的固有頻率、固有頻率處的放大倍數(shù)以及100 Hz處的衰減率。

2.3.3 減振系統(tǒng)交叉耦合試驗(yàn)

用模擬配重代替減振系統(tǒng)的真實(shí)負(fù)載，通過振動(dòng)測(cè)試臺(tái)的正旋掃描，測(cè)試減振系統(tǒng)垂直振動(dòng)時(shí)水平兩個(gè)方向的響應(yīng)，該響應(yīng)反映減振系統(tǒng)交叉耦合的大小，應(yīng)控制在較小的范圍內(nèi)。該響應(yīng)一般控制在垂直振動(dòng)量級(jí)的10-15%。

2.3.4 減振系統(tǒng)耐久試驗(yàn)

機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)經(jīng)過耐久試驗(yàn)后減振器應(yīng)功能正常，本身無損傷。

橡膠減振器經(jīng)過耐久試驗(yàn)后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)橡膠體與金屬嵌件之間開裂、橡膠體內(nèi)部撕裂等現(xiàn)象，如何解決和克服上述現(xiàn)象，是橡膠減振器研制的一大難題。比較可行的方法是對(duì)金屬表面進(jìn)行有效處理、盡可能增加金屬嵌件與橡膠的結(jié)合面積以及改善橡膠配方提高橡膠的撕裂強(qiáng)度。

3 機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)某型機(jī)載平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，其減振系統(tǒng)采用了以下方案：

減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：采用圖2所示的結(jié)構(gòu)形式，減振系統(tǒng)由兩組八個(gè)減振器組成，每組四個(gè)減振器，對(duì)稱布置在正方形的對(duì)角線上，以最大限度地減小減振系統(tǒng)的尺寸，如圖3所示。減振器采用JPS型結(jié)構(gòu)。

固有頻率：安裝在平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)臺(tái)體上的撓性陀螺得一倍頻頻率為240Hz，加速度計(jì)的敏感頻率為 1000Hz，穩(wěn)定回路各環(huán)的頻率在 70～110Hz之間。根據(jù)平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析，減振器的頻率最佳范圍應(yīng)為30～45之間。

圖3 減振系統(tǒng)及減振器結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)過實(shí)際物理模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定減振器的頻率為38±3Hz。固有頻率放大倍數(shù)：小于4；高低溫頻率變化范圍：小于15Hz；100Hz衰減率：大于80%，減振系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試曲線見圖4。

該減振系統(tǒng)固有頻率39.5Hz，放大倍數(shù) 2.5，100Hz處衰減率 85%，高低溫固有頻率變化范圍14Hz，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖4 減振系統(tǒng)測(cè)試曲線

4 結(jié)論

本文根據(jù)機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用環(huán)境，提出了系統(tǒng)對(duì)減振系統(tǒng)的要求，并針對(duì)平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型。在總結(jié)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了機(jī)載慣導(dǎo)減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并給出了一個(gè)平臺(tái)慣導(dǎo)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，該減振系統(tǒng)滿足系統(tǒng)需要。

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