本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航系統(tǒng)減振器，特別是一種用于導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)合減振器及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、導(dǎo)航系統(tǒng)一般指衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)gnss或慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)ins，以及二者融合(也可接入其他導(dǎo)航定位信息)構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)作為定位定向以及姿態(tài)測(cè)量部件，已在飛行器、車輛交通、艦船、水下航行器、礦山、隧道等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2、以在飛行器應(yīng)用為例，飛行器飛行時(shí)受到多種因素的激勵(lì)，比如發(fā)動(dòng)機(jī)推力、空氣噪聲、紊流邊界層脈動(dòng)壓力、綜合產(chǎn)生寬頻帶、大幅值的振動(dòng)激勵(lì)，使得飛行器在飛行過(guò)程中處于振動(dòng)、沖擊、噪聲綜合影響的環(huán)境條件下。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量精度很大程度上決定了飛行器的導(dǎo)航精度。當(dāng)這些振動(dòng)、沖擊傳遞給安裝在飛行器上的慣性測(cè)量裝置，使其產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響慣性測(cè)量裝置對(duì)飛行器姿態(tài)的測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)慣性器件損壞，輸出發(fā)散甚至飛行器自毀。因此，設(shè)計(jì)有效的減振安裝結(jié)構(gòu)，使慣性測(cè)量裝置通過(guò)“軟鞍”坐在飛行器上，為其提供良好的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境，最大限度地消除測(cè)量誤差，保證飛行器在飛行過(guò)程中捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作，發(fā)揮其高精度的優(yōu)勢(shì)。但目前的技術(shù)主要解決振動(dòng)情況下的影響(例如振動(dòng)均方根加速度6.06g)，對(duì)于大的沖擊(例如100g/10ms)，只能采取剔除數(shù)據(jù)的方式，其結(jié)果是犧牲部分精度。

3、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，一般只能承受短時(shí)間過(guò)載(典型數(shù)值30g/2s)。當(dāng)大于30g時(shí)，會(huì)造成衛(wèi)星信號(hào)丟失，影響定位精度。而許多無(wú)人飛行器過(guò)載一般均會(huì)超過(guò)30g，沖擊的加速度會(huì)更大，在這種情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航會(huì)失去功效。目前尚無(wú)有效的解決措施。

4、在機(jī)械工程中，一般常用的減振器主要有橡膠減振器、彈簧減振器和氣動(dòng)減振器等。彈簧減振器阻尼性較差，適用的工作頻率范圍低，因此其應(yīng)用受到了一定的限制。氣動(dòng)減振器的生產(chǎn)和使用較復(fù)雜，另外還需要壓力供氣裝置，適用于大型設(shè)備的減振。橡膠減振器阻尼性能良好，而且加工方便，可制成各種復(fù)雜形狀。但橡膠隔振器無(wú)法有效隔離沖擊和解決短時(shí)間過(guò)載等缺點(diǎn)。近年來(lái)，金屬橡膠材料減振器因具有高壽命、耐腐蝕、耐疲勞、耐老化等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)，但由于金屬橡膠是一種新型的隔振阻尼材料,在理論方面還不是很完善。下面分別對(duì)各種減振器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)加以介紹。

5、(1)橡膠減振器

6、橡膠減振器體積小、外型簡(jiǎn)單，可有效吸收高頻振動(dòng)能量。在受拉伸和剪切時(shí)性能中等，受壓縮時(shí)的工作性能好，在高溫下的穩(wěn)定性和使用壽命一般。橡膠減振器在彈載設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛，是俄制減振器中型號(hào)規(guī)格最多、覆蓋范圍最廣的一類減振器。

7、目前主流的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)選用阻尼橡膠減振器，設(shè)計(jì)慣性測(cè)量裝置的減振器，整個(gè)系統(tǒng)采用四點(diǎn)支撐的形式，沿圓周方向等距離均勻分布。減振器為金屬、橡膠組合結(jié)構(gòu)，減振系統(tǒng)由慣性測(cè)量裝置、減振器、安裝板三部分組成，用螺栓將減振器與慣性測(cè)量裝置、安裝板連接在一起。安裝板在彈體與慣性測(cè)量裝置之間提供了一個(gè)連接界面。這種減振結(jié)構(gòu)一方面可以降低系統(tǒng)共振時(shí)的峰值，另一方面在一定頻率范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)阻尼材料的作用，振動(dòng)被有效的隔離。通過(guò)合理設(shè)計(jì)限位套與阻尼墊的高度，來(lái)控制橡膠阻尼墊的壓縮量，按一定要求控制安裝螺栓的擰緊力矩，使減振結(jié)構(gòu)連接可靠，四個(gè)支撐部位受力均勻。由于該類型減振器的頻率很難做低，因此對(duì)于大量級(jí)的沖擊，很難獲得衰減效果。

8、(2)氣動(dòng)減振器

9、又稱為空氣彈簧，以壓縮空氣作為彈性元件，具有柔度大、自振頻率低和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載大等優(yōu)點(diǎn)，但其生產(chǎn)和使用復(fù)雜，側(cè)向剛度小，還需要壓力供氣裝置。所以，氣動(dòng)減振器比較適用于大型設(shè)備，或者用于大型導(dǎo)彈整個(gè)艙段的整體減振。氣動(dòng)減振器是非線性減振器，自振頻率由氣胎內(nèi)氣體的工作壓力、氣胎的結(jié)構(gòu)形式以及氣胎充氣體積、氣胎有效工作面積、有效工作半徑等決定。氣動(dòng)減振器具有與以金屬?gòu)椈?、橡膠等等作為彈性體的減振器截然不同的剛度特性，其自振頻率大大低于其它減振器。

10、(3)金屬?gòu)椈蓽p振器

11、金屬?gòu)椈蓽p振器不受工作環(huán)境溫度的影響，可在惡劣條件下工作，技術(shù)維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。因此，金屬?gòu)椈蓽p振器在艦艇上應(yīng)用較為廣泛。美、德、法等西方國(guó)家一直在積極研究和探索應(yīng)用，國(guó)內(nèi)鋼絲繩減振器的研制和應(yīng)用也取得了相當(dāng)大的成功。該類減振器對(duì)于大量級(jí)沖擊和短時(shí)過(guò)載會(huì)有較好的表現(xiàn)，但是其組成復(fù)雜，尺寸較大，阻尼效果也不很理想，因此在導(dǎo)航設(shè)備上很少應(yīng)用。

12、(4)金屬橡膠減振器

13、金屬橡膠技術(shù)起源于70年代的蘇聯(lián)，金屬橡膠是一種新穎的阻尼減振材料，它由金屬絲經(jīng)過(guò)螺旋成型、拉長(zhǎng)和纏繞后模壓成型，其部呈空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似于天然橡膠的高分子結(jié)構(gòu)。用它制成的減振器，主要是利用其在受力變形時(shí)，內(nèi)部金屬絲的相對(duì)位移產(chǎn)生干摩擦阻尼耗散大量振動(dòng)能量，從而起到減振作用。它具有阻尼效果好、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕和耐老化等優(yōu)點(diǎn)。

14、在金屬橡膠材料內(nèi)部，金屬絲之間的接觸點(diǎn)的數(shù)目多少?zèng)Q定了金屬橡膠構(gòu)件的干摩擦阻尼性能，外界載荷的作用可使金屬橡膠構(gòu)件中接觸點(diǎn)的數(shù)目發(fā)生變化，同時(shí)構(gòu)件的剛度和阻尼也發(fā)生相應(yīng)的非線性變化。對(duì)于圓柱型構(gòu)件來(lái)說(shuō)，當(dāng)外界載荷沿構(gòu)件的軸線方向作用時(shí)，材料內(nèi)部層面間的接觸區(qū)域?qū)?huì)增加，當(dāng)載荷沿著剪切方向作用時(shí)，接觸層面間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，接觸面積將會(huì)發(fā)生變化。各層面間的相對(duì)滑移就形成了金屬橡膠材料內(nèi)部的干摩擦阻尼，耗散外界載荷的振動(dòng)能量。工況相同的條件下，金屬橡膠減振器的阻尼比可達(dá)到0.35，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通橡膠減振器。

15、目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)家大學(xué)和科研院所正在研制金屬橡膠材料，大多數(shù)集中在理論研究階段，也有少數(shù)幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行理論研究和實(shí)際設(shè)計(jì)與制造，但由于制造的復(fù)雜性，產(chǎn)品性能一致性較差，實(shí)際應(yīng)用的還很少。

16、cn108458040a公開(kāi)了一種集成式可調(diào)節(jié)雙層減振模塊，其旨在通過(guò)雙層減振模塊和可調(diào)節(jié)的中間質(zhì)量實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備振動(dòng)進(jìn)行控制。但其減振模塊尺寸大，重量大，組成復(fù)雜，主要應(yīng)用于船舶等大型機(jī)電設(shè)備的減振降噪方面，難以滿足當(dāng)前導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求。此外，其由位移傳感器、壓力傳感器、放氣電磁閥、充氣電磁閥和控制器構(gòu)成的反饋控制系統(tǒng)，用以控制機(jī)電設(shè)備與基礎(chǔ)之間的高度，只能實(shí)現(xiàn)±0.5mm的高度控制精度，同樣無(wú)法滿足導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

17、綜上所述，目前的減振器或隔沖器專利大多為車輛系統(tǒng)使用，其功能無(wú)法滿足導(dǎo)航系統(tǒng)在飛行器、艦船等多個(gè)領(lǐng)域的需求，且車用減振器尺寸大，重量大，組成復(fù)雜，均難以滿足當(dāng)前導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求。而且現(xiàn)有技術(shù)一般均僅僅改變減振器的外形、阻尼材料的布局以及阻尼材料的成分組成，缺少技術(shù)思路上的突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種組成簡(jiǎn)單，重量輕，精度高，減振效果好的用于導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)合減振器及其工作方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明之一種用于導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)合減振器，包括阻尼減振器與工作缸減振器；所述工作缸減振器包括工作缸和背壓閥；所述工作缸內(nèi)的活塞將工作缸的腔體分割成第一壓力腔和第二壓力腔；背壓閥經(jīng)管路連接于第一壓力腔和第二壓力腔之間；所述阻尼減振器與工作缸減振器之間設(shè)有彈簧，阻尼減振器與工作缸減振器的其中一個(gè)減振器安裝于載體上，另一個(gè)減振器上則放置導(dǎo)航系統(tǒng)。

4、進(jìn)一步，連接所述活塞的活塞桿在延伸出工作缸的那一端套設(shè)有所述彈簧，彈簧的兩端固定于工作缸與活塞頂之間。

5、進(jìn)一步，所述工作缸上設(shè)有行程傳感器，用于檢測(cè)工作缸的位移，還用于補(bǔ)償由于工作缸位移或不能復(fù)位帶來(lái)的導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量誤差以及速度/角速度誤差。

6、進(jìn)一步，所述阻尼減振器包括減振芯軸和對(duì)稱套裝在減振芯軸上的至少兩個(gè)減振塊，減振塊通過(guò)減振墊片和螺栓固定于活塞頂上；所述導(dǎo)航系統(tǒng)安裝于減振塊之間。

7、進(jìn)一步，所述工作缸為氣缸或液壓缸；所述阻尼減振器為橡膠減振器或金屬橡膠減振器；所述行程傳感器為光柵直線位置傳感器或電阻式直線位置傳感器。

8、本發(fā)明之一種根據(jù)權(quán)利要求1所述用于導(dǎo)航系統(tǒng)的復(fù)合減振器的工作方法，包括以下步驟：

9、s1：根據(jù)背壓閥壓力設(shè)定值、活塞行程與導(dǎo)航系統(tǒng)最大載荷之間的關(guān)系進(jìn)行建模，獲取背壓閥的壓力設(shè)定值p1和工作缸的活塞行程x0；

10、s2：在初始條件下，工作缸內(nèi)充有預(yù)定壓力的介質(zhì)，背壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)，工作缸的剛性遠(yuǎn)大于阻尼減振器的剛性；

11、s3：當(dāng)在一般量級(jí)振動(dòng)、沖擊及普通過(guò)載條件下，工作缸內(nèi)的壓力小于背壓閥的壓力設(shè)定值p1，背壓閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，復(fù)合減振器的減振特性與阻尼減振器相同；

12、s4：當(dāng)達(dá)到一定力學(xué)條件時(shí)，活塞移動(dòng)使得工作缸內(nèi)的壓力大于或等于背壓閥的壓力設(shè)定值p1，背壓閥打開(kāi)，復(fù)合減振器的剛性和阻尼得到改變，短時(shí)間抑制振動(dòng)。

13、進(jìn)一步，所述工作缸減振器和阻尼減振器的固有頻率不與導(dǎo)航系統(tǒng)的固有頻率重合，且與導(dǎo)航系統(tǒng)的固有頻率保持50％以上的差值。

14、進(jìn)一步，s1中，所述背壓閥的壓力設(shè)定值和活塞行程的獲取方法為：

15、a.所述背壓閥的壓力設(shè)定值與導(dǎo)航系統(tǒng)施加于工作缸的最大載荷有關(guān)，關(guān)系式如下：

16、pmax＝(p1-pa)a

17、p1＝pmax/a+pa

18、式中：pmax為導(dǎo)航系統(tǒng)施加于工作缸的最大載荷；p1為背壓閥的壓力設(shè)定值；a為工作缸有效承壓面積；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

19、b.所述工作缸活塞的行程應(yīng)滿足背壓閥額定壓力值的設(shè)定要求，關(guān)系式如下：

20、p0v0＝p1v1

21、p0x0a＝p1(x0-x1)a

22、x0＝p1(x0-x1)/p0

23、式中：p0為靜平衡位置時(shí)工作缸內(nèi)的絕對(duì)氣壓；p1為背壓閥壓力設(shè)定值；v0為靜平衡位置時(shí)工作缸內(nèi)的氣體容積；v1為工作缸工作時(shí)其內(nèi)腔的氣體容積；a為工作缸有效承壓面積；x0為活塞行程；x1為工作缸工作時(shí)活塞的位移。

24、進(jìn)一步，s3中，當(dāng)在一般量級(jí)振動(dòng)、沖擊及普通過(guò)載條件下，活塞的移動(dòng)使工作缸內(nèi)部壓力未達(dá)到背壓閥的壓力設(shè)定值，且活塞的移動(dòng)改變了第一壓力腔和第二壓力腔的氣體體積，使得一壓力腔的氣體膨脹，另一壓力腔的氣體壓縮，使工作缸產(chǎn)生了阻尼效應(yīng)。

25、進(jìn)一步，s4中，當(dāng)背壓閥打開(kāi)時(shí)，復(fù)合減振器的頻率迅速降低，短時(shí)間隔離大量級(jí)振動(dòng)、沖擊以及過(guò)載，同時(shí)連接于阻尼減振器與工作缸之間的彈簧緩沖瞬間動(dòng)作對(duì)工作缸帶來(lái)的損壞；且當(dāng)行程傳感器檢測(cè)到工作缸產(chǎn)生位移時(shí)，對(duì)因工作缸位移或不能復(fù)位所帶來(lái)的導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量誤差以及速度/角速度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

26、本發(fā)明的有益效果：

27、(1)通過(guò)設(shè)置背壓閥，一方面是背壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量小，體積小，能夠滿足導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求；另一方面，能夠減少總體組成，即背壓閥與氣缸相結(jié)合，能夠大大減少零部件，使結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，還減少了其它組件電子控制對(duì)整體減振效果的影響；再者，能夠完成實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性，且根據(jù)條件的不同，通過(guò)調(diào)節(jié)背壓閥的預(yù)設(shè)壓力值達(dá)到目的；

28、(2)通過(guò)將背壓閥與工作缸結(jié)合形成工作缸減振器，一方面，當(dāng)在一般量級(jí)振動(dòng)、沖擊及普通過(guò)載條件下的需求，能夠提供更高的剛性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)避免不必要的阻尼，特別是在需要導(dǎo)航系統(tǒng)更高的定位精度和響應(yīng)速度時(shí)，低阻尼有助于保持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)達(dá)到一定力學(xué)條件下，能夠使得復(fù)合減振器的頻率迅速降低，達(dá)到隔離短時(shí)間大量級(jí)振動(dòng)、沖擊以及過(guò)載的目的，且有效保護(hù)阻尼減振器和導(dǎo)航系統(tǒng)不受損壞；

29、(3)通過(guò)將工作缸減振器與阻尼減振器相結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)隔離大量級(jí)的低頻力學(xué)環(huán)境和高頻力學(xué)環(huán)境，又能在大量級(jí)振動(dòng)、沖擊以及過(guò)載下保護(hù)阻尼減振器和工作缸不受損壞，進(jìn)而保護(hù)導(dǎo)航系統(tǒng)不受影響；

30、(4)通過(guò)設(shè)置彈簧，能夠防止過(guò)快的沖擊對(duì)氣缸帶來(lái)?yè)p壞；

31、(5)通過(guò)設(shè)置行程傳感器，能夠解決因氣缸行程變化帶來(lái)的姿態(tài)與速度測(cè)量誤差問(wèn)題；

32、(6)通過(guò)獲取背壓閥的壓力設(shè)定值和活塞的最大行程，能夠使復(fù)合減振器基本工作表現(xiàn)為線性，從而使復(fù)合減振器的動(dòng)態(tài)行為更加穩(wěn)定，易于建模和分析，減少了設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，保證復(fù)合減振器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。