董迎暉,方 輝，黃 宵

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,合肥 230000；2.中國電子科技集團 第三十八集團,合肥 230000)

機載雷達(dá)的精度和工作能力直接影響到飛機性能。飛機發(fā)動機以及飛機起飛、降落和正常巡航時的自身、外界等原因引起的機身振動對機載雷達(dá)的影響越來越被人們重視，如何減少振動對機載雷達(dá)的危害已成為機載設(shè)備隔振領(lǐng)域的一個重要研究方向。

目前，對于隔振技術(shù)研究方向可以分為三種類型：主動隔振式、被動隔振式以及主被動隔振一體化[1]。其目的均是通過隔振裝置減少“振源”對設(shè)備的振動影響[2]。金屬橡膠隔振器[3]、空氣彈簧隔振器[4]均具有較好的隔振效果。但是，不適宜用在側(cè)壁式機載雷達(dá)隔振。被動隔振相對于其他兩種隔振類型，具有結(jié)構(gòu)簡單、無需額外供能和較高的可靠性等優(yōu)點，對于載機具有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的被動隔振對于側(cè)壁式機載雷達(dá)多維隔振無法有效地滿足其多維隔振的要求。因此，隔振維度由單一維度逐步發(fā)展到多維隔振[5]，隔振器由線性發(fā)展到非線性隔振器[6]。目前的被動隔振技術(shù)研究方向主要集中在阻尼技術(shù)和隔振器設(shè)計與應(yīng)用上。

近年來，不少學(xué)者將多維隔振和并聯(lián)機構(gòu)結(jié)合在一起進行研究并取得了顯著的成果。美國彈道防御組織[7]針對紅外望遠(yuǎn)鏡設(shè)計了振動隔離抑制系統(tǒng)VISS，有效減少振動對望遠(yuǎn)鏡的影響，提高了望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量；于大國，馬履中等人[8]將基于Stewart結(jié)構(gòu)的多維被動隔振裝置應(yīng)用于車輛隔振中，獲得了良好的隔振效果；2004年馬履中教授在《多維減振平臺主體機構(gòu)的分析研究》[9]提出的將多自由度并聯(lián)機構(gòu)作為基礎(chǔ)結(jié)合彈性阻尼元件進行隔振的設(shè)想較好地解決了多自由度隔振問題。王曉雷，楊慶俊等人[10]提出一種采用8作動器的多維隔振平臺，相比較于傳統(tǒng)的6桿Stewart機構(gòu)[11]，8桿機構(gòu)具有更好的失效保護能力，董迎暉等人提出一種8桿機載雷達(dá)多維隔振平臺具有失效隔振性能[12]。

基于并聯(lián)機構(gòu)的被動隔振技術(shù)的研究成果雖然較多，但大多用于地面隔振且位姿是垂直于地面，對于側(cè)壁懸掛式安裝方式以及航空環(huán)境下隔振性能還仍需要做進一步的分析研究。本文為了滿足航空航天環(huán)境下側(cè)壁懸掛式多維雷達(dá)隔振要求，設(shè)計了一種基于并聯(lián)機構(gòu)的被動隔振平臺，滿足機載雷達(dá)在航空航天環(huán)境下的隔振要求。

1 側(cè)壁懸掛雷達(dá)多維隔振平臺設(shè)計

1.1 隔振平臺設(shè)計參數(shù)及要求

某型號雷達(dá)陣面面積為1 372 mm×500 mm、質(zhì)量為110 kg、雷達(dá)與機艙壁之間最大距離為350 mm、固有頻率為110 Hz；被動隔振平臺雷達(dá)端允許安裝區(qū)域為1 372 mm×500 mm的矩形、機艙壁端允許安裝區(qū)域為1 372 mm×586 mm的矩形，矩形區(qū)域厚均為50 mm。

隔振平臺一端以10°傾角側(cè)壁式安裝在載機側(cè)壁，另一端連接雷達(dá)。該隔振平臺在承載側(cè)壁式雷達(dá)自重實現(xiàn)隔振的目的時，對隔振桿中的隔振器提出拉壓雙向隔振的要求。同時，在側(cè)壁式安裝于載機時要具有六維隔振能力，隔振平臺的機構(gòu)需要具有6自由度，實現(xiàn)多維隔振的要求。

1.2 隔振平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及自由度計算

基于1.1中已知隔振平臺設(shè)計參數(shù)及要求，側(cè)壁式多維隔振平臺采用8桿并聯(lián)機構(gòu)，在每根桿中串聯(lián)雙向金屬彈簧阻尼隔振器。隔振平臺機構(gòu)簡圖如圖1所示。

8桿并聯(lián)機構(gòu)中的每根桿均有兩個球副和一個移動副組成。兩個球副均通過TBS關(guān)節(jié)軸承來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動；移動副是處在兩個球副之間，通過串聯(lián)在每根隔振桿中的雙向彈簧隔振器實現(xiàn)移動。

隔振平臺單根隔振桿的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

由螺旋理論，運動支鏈中每個球副用三個軸線相互垂直的轉(zhuǎn)動副代替，則支鏈在初始位置的運動螺旋可表示為公式（1）所示。

圖1 側(cè)壁式隔振平臺機構(gòu)簡圖

圖2 隔振桿示意圖

該支鏈的運動螺旋系線性相關(guān)，且秩為6，所以該支鏈的反螺旋系不存在；隔振平臺整體機構(gòu)不產(chǎn)生公共約束，即λ=0，則機構(gòu)階數(shù)d為6；每一條支鏈中都含有一個局部自由度，整個機構(gòu)共含有8個局部自由度。

根據(jù)修正的Kutzbach-Grubler自由度計算公式。

其中：d表示機構(gòu)的階數(shù)，n為構(gòu)件數(shù)，g為運動副數(shù)，fi為第i個運動副自由度數(shù)，υ為并聯(lián)機構(gòu)附加冗余約束，ζ為機構(gòu)中存在的局部自由度。

由式（1）和式（2）可知M=（18-24-1）+56-8=6，即8桿并聯(lián)隔振機構(gòu)的自由度數(shù)為6。

1.3 側(cè)壁懸掛隔振器設(shè)計

由1.1節(jié)隔振平臺以10°傾角側(cè)壁式安裝在載機側(cè)壁可知，要求隔振平臺在承載懸掛雷達(dá)自重條件下實現(xiàn)隔振。因此，這就需要平臺中耗能元件隔振器具有雙向減振的功能，即在預(yù)應(yīng)力為受拉（或受壓）條件下仍可實現(xiàn)隔振。我們設(shè)計了一種雙向彈簧隔振器，如圖3所示。

圖3 雙向彈簧隔振器

單個隔振器的重量為1.06 kg、外觀尺寸為150 mm×50 mm×50 mm、最大拉壓行程設(shè)計為10 mm、剛度和阻尼值依據(jù)平臺隔振性能要求分別選擇350 N/mm和3.5 Ns/mm（傳遞率小于等于1.995倍）。

2 隔振平臺仿真分析

2.1 隔振平臺仿真建模

ADAMS是優(yōu)秀的機械動力學(xué)分析軟件，其ADAMS/view模塊和ADAMS/vibration振動仿真分析模塊應(yīng)用較為廣泛。在view模塊里，對已完成的三維模型添加約束、材質(zhì)等信息。其結(jié)果如圖4所示。

圖4 三維仿真模型圖

2.2 正弦掃頻仿真

利用Adams/vibration模塊對隔振平臺進行受迫振動仿真，分析其隔振性能。在模擬飛機側(cè)壁板的質(zhì)心處建立6個輸入、激勵值為3 g正弦加速度激勵輸入通道；在模擬雷達(dá)板中間四點隔振桿連接處（建立四個marker點）和其質(zhì)心處建立6個方向的輸出通道。

設(shè)隔振系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為

其中：x為線性模型的狀態(tài)矢量；

u=[Input_Channel_1,Input_Channel_2,Input_Channel_3,Input_Channel_4,Input_Channel_5,Input_Channel_6]T；

y= [Output_Channel_1,Output_Channel_2 ,Output_Channel_3, Output_Channel_4, Output_Channel_5,Output_Channe l_6]T；[A,B,C,D]為模型的狀態(tài)矩陣，由ADAMS軟件計算并定義。

拉普拉斯變換可得式（5）和式（6）。

由式（5）和式（6）可以得到仿真模型在狀態(tài)空間中的傳遞函數(shù)為

式（7）即為隔振平臺的對應(yīng)輸入通道和輸出通道的振動傳遞率函數(shù)。

頻率-傳遞率曲線圖結(jié)果，如圖5所示。

2.3 半正弦沖擊仿真

利用ADAMS/view模塊，分析隔振平臺緩沖性能。在模擬飛機側(cè)壁板的質(zhì)心處設(shè)置激勵為16 g/11 ms的半正弦脈沖激勵；在模擬雷達(dá)板的質(zhì)心處和模擬雷達(dá)板中間四點隔振桿連接處（建立4個Marker點）測量其響應(yīng)。仿真結(jié)果，如圖6所示。

2.4 仿真結(jié)果分析

由曲線圖5和圖6，提取模擬雷達(dá)板質(zhì)心處仿真峰值數(shù)據(jù)，可得表格1仿真數(shù)據(jù)。

由表1和圖5、圖6可知：①傳遞率峰值小于1.995倍，隔振平臺側(cè)壁多維隔振性能滿足設(shè)計要求；②除Y移動方向的傳遞率峰值曲線響應(yīng)一致性差外，X、Z方向均有較好的響應(yīng)一致性；③受制于當(dāng)前的實驗儀器水平以及GJB150.16-2009噴氣式飛機，只考察三個移動方向的隔振性能。

3 隔振平臺實驗研究

3.1 隔振平臺振動實驗

圖5 掃頻仿真?zhèn)鬟f率曲線圖

定制實驗隔振平臺零部件，完成實驗樣機搭建。振動實驗設(shè)備為某公司的DC系列通用型電動振動臺，具體使用型號為DC-10000-100。振動實驗三個方向，如圖7所示。

圖6 沖擊仿真響應(yīng)曲線圖

表1 振動仿真數(shù)據(jù)

圖7 振動實驗坐標(biāo)軸指向

實驗時，激勵傳感器貼在隔振桿輸入端連接處附近，響應(yīng)傳感器貼合位置同仿真測量點。其掃頻實驗和沖擊實驗為按順序同一個方向先后依次實驗。掃頻實驗激勵值如圖8中B曲線所示，沖擊實驗激勵值為16 g/11 ms的半正弦脈沖激勵。

實驗結(jié)果如圖9所示，其中，掃頻時，橫坐標(biāo)表示頻率Hz?？v坐標(biāo)表示重力加速度g；沖擊時，橫坐標(biāo)表示時間ms，縱坐標(biāo)表示重力加速度g。

3.2 隔振平臺仿真和實驗數(shù)據(jù)分析

通過對圖9三個方向的振動實驗數(shù)據(jù)處理，可以得出如表2所示實驗數(shù)據(jù)。其中，傳遞率峰值為第一個峰值最值數(shù)據(jù)。

由表2和圖9可知：

（1）三個方向振動實驗除Y向掃頻傳遞率峰值最大值大于1.995倍外，其余均滿足隔振性能設(shè)計要求；

圖8 功能振動試驗曲線

（2）出現(xiàn)響應(yīng)曲線不一致現(xiàn)象主要與定制雙向隔振器剛度和阻尼的不完全一致有關(guān)；

（3）高頻響應(yīng)部分出現(xiàn)毛刺與高頻模態(tài)有關(guān)。

4 結(jié)語

本文對側(cè)壁式多維8桿并聯(lián)被動隔振平臺的隔振性能進行了三個移動方向隔振性能仿真和振動實驗。

（1）從仿真結(jié)果角度，該仿真模型具有很好的隔振性能。

表2 振動實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

（2）除了Y向掃頻實驗傳遞率峰值最大值略大于1.995外，其余傳遞率峰值均小于1.995倍（6 dB）滿足預(yù)期設(shè)計要求。說明該隔振平臺具備較好的隔振性能，減少振動和沖擊對側(cè)壁式模擬雷達(dá)板的影響。

圖9 掃頻、沖擊實驗曲線

（3）由于振動實驗只能測試三個移動方向的減振情況，對于三個轉(zhuǎn)動方向的減振情況還有待于進一步研究。