南极内陆精密仪器运输减振设计与测试

温海焜, 宫雪非, 杜福嘉, 李正阳, 张　如

(1.中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所，南京　210042； 2.中国科学院 天文光学技术重点实验室，南京　210042)

南极内陆精密仪器运输减振设计与测试

温海焜1,2, 宫雪非1,2, 杜福嘉1,2, 李正阳1,2, 张如1,2

(1.中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所，南京210042； 2.中国科学院 天文光学技术重点实验室，南京210042)

Dome A是南极内陆冰盖海拔最高的地区，最高点为4 093 m，气候条件极为恶劣，它位于南纬80°22′51″，东经77°27′23″，冬季温度零下80°以下，水汽含量低，连续数月的黑夜可连续观测。这些特点使其成为地球最好的天文观测台址。目前我国虽然已经成功建立了南极第一个内陆站—昆仑站，但是该内陆站在近年内也只能满足度夏工作的需要。因此，现场装配调试精密科学仪器的时间和条件都极为有限，很多运行设备和科学仪器必须在运输前就全部装配调试好，现场拆箱就能使用，这对于精密仪器的运输包装提出了很大的挑战[1]。从2007年至今，南京天文光学技术研究所利用测振设备，沿途不间断的监测了该路段运输过程中的振动数据，根据近几年的科考振动数据资料显示，该运输振动/冲击产生的加速度值远高于国内普通公路的运输加速度值。目前整个南极科考队对于精密仪器的运输减振系统研究还比较少。

南极巡天望远镜主镜直径为680 mm，有效观测口径500 mm，系统视场为±2.07°，系统焦距1 866 mm，焦比3.73，是一台全自动无人值守望远镜，数据可以通过卫星传送至国内，实现越冬远程观测任务。改正镜系统是望远镜的重要组成部分，它包括了改正板结构，副镜结构、以及CCD等部件，其中改正板镜面的直径为530 mm，厚度为25 mm，直径大，厚度较薄，属于关键精密易破损零件，并且在运抵Dome A后还要求光学部件不发生偏移，因此在南极恶劣道路条件下运输对于减振的要求很高。

本文基于南极巡天望远镜的改正镜系统，设计了一套适合于南极精密仪器运输的减振系统，该系统有效保护精密仪器在运输过程中不会损坏和失效。

1南极内陆运输振动环境

在内陆运输的过程中雪面状况，雪地车的起动、制动，运行速度；货物重量以及同一雪橇编组的不同雪橇的位置都对运输振动的情况产生影响。

从历年的科考测试数据分析中我们发现在距离中山站800~900 km，是南极内陆道路最颠簸的地带。剧烈振动的产生主要是由于路面的起伏不平造成的。这段路面海拔迅速上升，造成地势陡峭，常年的极低温造成雪面比较硬，因此冲击振动非常巨大。图1和图2分别是振动最剧烈时的加速度时域图和功率谱密度图。黄色为垂直方向，红色为左右方向，绿色为上下方向。从图1中可以看出冲击加速度的最大值为200 g，远远超过了普通公路的冲击加速度值。从图2中可以看出，该信号的功率谱密度呈现出宽带的迹象，尤其在低频阶段比较剧烈。振动加速度主要还是集中在垂直方向，三个方向第一峰值频率出现在7 Hz，而且功率谱的峰值达到了1 g2/Hz，对应的频率为7 Hz。

图1　最大振动加速度时域图Fig.1 The time domain of the largest acceleration

图2　最大振动加速度功率谱密度图Fig.2 The PSD of the largest acceleration

2南极巡天望远镜改正镜模态分析

在减振设计中，首先对结构进行模态分析找出结构的固有频率以及最容易发生共振的位置，并对该位置进行特殊有效的防护，以保证结构的安全。

图3为改正镜的机械结构图，图中可以看出为了尽量减小挡光，四叶架叶片很薄，因此该部分的刚度比较低。

从固有频率的表及图4中可以看出改正镜系统第一阶固有频率为18.168 Hz，发生的位置为四叶架的叶片的扭转，因此此部分为运输时的薄弱环节，在运输设计时需要用柔性的缓冲材料将四叶架机构填充好，以防止该叶片发生较大幅度的扭转，影响使用的性能。

表1　改正镜系统前六阶固有频率及对应阶数

图3　改正镜系统结构图Fig.3 The mechanical design of the correct mirror system

图4　改正镜系统第一阶固有频率图Fig.4 The first natural frequency of the correct mirror system

3改正镜减振系统设计

对减振系统的设计，首先要根据道路运输的特点确定确定减振系统的固有频率，然后根据固有频率选择适当的弹簧系数，最后根据减振系统的包装要求选取合适的包装材料并计算包装材料的厚度。

3.1减振系统固有频率的确定

在精密仪器的运输工程中，振动与冲击产生的加速度是导致仪器遭受破坏的主要原因。对于光学精密仪器，防止振动加速度对其的破坏显得更为重要。为减小装卸、运输过程中外界激励对它的影响，需要将其与整个支承(运输工具)隔离开来。

振动传递率曲线图(见图5)

图5　振动绝对传递率曲线图Fig.5 The curve of the vibration transmissibility

3.2减振系统的模型分析及参数确定

南极巡天望远镜的改正镜采用悬挂式减振设计，减振器对称布置，有六个自由度，一般固有频率可设计的较低，减振效果好，减振系统占空比较大。其适用于小型、重量轻，而且对减振要求高的仪器的包装运输。图6为改正镜悬浮式减振设计的示意图。

图6　改正镜悬浮式减振系统图Fig.6 The vibration attenuation design of the correct mirror system

假设被运输的精密仪器的质量为m，设处于静止状态时上面4根弹簧的刚度系数为k2，长度为L2，下面4根弹簧的刚度系数为k1，长度为L1，由于在各个方向上的固有频率值都需要保持一致，因此k1=k2，φ1=φ2=45°，L1=L2.运动时产生的位移为x，则该改正镜减振系统，有运动微分方程为：

4k2(L2sinφ2-L4sinφ4)=0

式中:

根据固有频率的公式：

(1)

将改正镜减振系统的数据代入公式中：得到系统弹簧的刚度系数k1=k2=11 025 N/m。

3.3缓冲包装材料的选用

脆值又称为产品的易损度，是产品经受振动和冲击时用以表示其强度的定量指标。此值表示产品对外力的承受能力，一般用重力加速度的倍数G来表示。G值越大，表示产品对外力的承受能力越强。

改正镜系统中脆值最低的为改正版和副镜部位，都为微晶玻璃制造，属于易损品，因此对该零件需要进行特殊重点的缓冲包装设计。微晶玻璃的许用脆值为32.6 g。

物体所受到的最大应力的公式为：

(2)

式中:G为产品的许用脆值，W为产品的重量，A为缓冲包装的衬垫面积

缓冲包装衬垫厚度的计算公式为：

(3)

式中：C为产品的缓冲系数，H为设计包装最大位移。

改正镜系统的重量为200 kg，选取微晶玻璃的产品许用脆值32.6 g，缓冲包装的衬垫面积A为改正镜系统底部的面积代入其中，得到最大应力为

物品之所以破损是因为其受的冲击加速度过大造成的，因此缓冲材料的缓冲系数是一个基本的重要参数。缓冲系数是指最大应力与弹性比能的比值。在材料的应力应变曲线上取不同的点，就会得到不同的最大应力，从而得到不同的缓冲系数。因此，缓冲系数不是一个常数，而是最大应力的函数。这个函数成为缓冲系数最大应力曲线。

将计算的最大应力σm代入缓冲系数-最大应力曲线图中可知其相对应的最佳缓冲材料为橡胶黏结纤维。

橡胶与纤维都是很好的弹性材料，纤维与纤维及纤维与橡胶之间又有很大的空隙，因此橡胶纤维弹性变形大，弹性恢复好，抗压强度高，适合包装精密仪器及军用贵重产品。所以最终确定橡胶黏结纤维为缓冲包装的材料。

根据图15可以得到橡胶黏结纤维的缓冲系数为3.5，在南极道路测振数据中测量到的最大位移值为0.8 m，取设计包装最大位移H为0.8 m,因此衬垫设计的高度为

其中:C为橡胶黏结纤维的缓冲系数，H为包装最大位移(m)，G为微晶玻璃的许用脆值。

4改正镜动力学模拟分析

在选择好减振方式及缓冲材料后，建立改正镜减振系统的模型，并对该模型进行模态和随机振动分析。

表2　改正镜运输包装的固有频率表

表1为改正镜运输包装的固有频率表格，从表格中可以看出第一阶固有频率2.94 Hz,基本接近设计的固有频率的要求。从下图中可以看出改正镜系统第一阶固有频率发生在上下振动。

图7　改正镜减振系统第一阶固有频率图Fig.7 The first natural frequency of the the correct mirror vibration attenuation system

图8　改正镜响应信号垂直方向PSD图谱Fig.8 The PSD of the correct mirrorcorrect mirror vibration attenuation system in the vibration direction

将图2中所示的前往Dome A的最大振动加速度功率谱密度图作为输入功率谱密度图代入改正镜减振设计的模型中，以验证其响应的功率谱密度图。

表2　改正镜包装运输模拟减振效果对比表

从图8~10的图中可以看出在大于3Hz的频率范围内响应加速度值有明显的下降，在3 Hz处由于共振的作用产生了第一峰值，改正镜的最大应力为1.7 MPa，改正版的最大响应应力为2.4 MPa,小于玻璃的许用应力值，因此改正镜在该振动信号发生时是安全的，根据减振效率的公式并结合表4的加速度均方根值可以算出：

在垂直方向上减振系统的减振效率为88.4%

在左右方向上减振系统的减振效率为83.2%

在前后方向上减振系统的减振效率为90.0%

三个方向的减振效率均能够满足设计的要求。

图9　改正镜响应信号左右方向PSD图谱Fig.9 The PSD of the correct mirrorcorrect mirror vibration attenuation system in the Longitudinal direction

图10　改正镜响应信号前后方向PSD图谱Fig.10 The PSD of the correct mirrorcorrect mirror vibration attenuation system in the lateral direction

图11　副镜应力云图Fig.11 The stress of thesecondary mirror

图12　改正版应力云图Fig.12 The stress of the correct mirror

5南极运输实测结果

2012年南极巡天望远镜主镜减振系统模型跟随第28次南极天文科考运输南极巡天望远镜从上海到dome A。作者分别在集装箱和改正镜减振系统的上放了两个saver3x90测振仪，分别测量外部环境振动和减振系统上承受的振动数值。

表3　2012年南极实际测量的减振效果

在2012年采集的运输道路最大加速度值为153 g，方向为垂直方向。经过减振系统的减振后，垂直方向的最大响应加速度值为7.5 g。

图13　外部环境振动加速度图Fig.13 The acceleration signal of the environment

图14　改正镜减振系统响应功率谱密度Fig.14 The response PSD signal of the correct mirror system

图15　改正镜减振系统响应加速度Fig.15 The response acceleration signal of the correct mirror system

从功率谱密度图谱可以看出，减振系统在3 Hz左右的地方都会产生共振，这与动力学模拟分析中的情形相似，也是减振系统固有频率在3 Hz形成的共振。3 Hz以后的功率谱密度值有明显的下降。经过计算，改正镜减振系统垂直方向的减振效率达到了89.9%，满足使用的要求。

6结论

本文根据南极内陆运输(中山站至dome A)的道路运输环境，针对南极巡天望远镜的改正镜系统设计了一套适合该地区恶劣运输条件的精密仪器减振系统，并对减振系统进行了动力学分析预测。通过南极运输实测检验，减振系统的减振效率达到了70%以上，满足设计要求，并验证了动力学分析预测的准确性。

本文感谢国家自然科学基金“中国南极天文台仪器运输方法仿真分析与研究”的资助。

参 考 文 献

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第一作者 温海焜 男，工程师，1984年生

摘要：Dome A是南极冰盖的最高点，由于其海拔高度高和温度低，天文学家预计其将是地球上最好的天文台址之一，南极Dome A将为天文观测提供一个绝佳的窗口。但仪器设备需要从中山站通过雪橇长途运输运至Dome A，道路异常恶劣。基于南极巡天望远镜的改正镜系统，设计了一套适合南极Dome A运输的精密仪器减振系统。首先介绍了Dome A的道路冲击振动实测结果，包括对振动和冲击加速度时域和频域信号的分析，其次对改正镜系统进行了动力学分析，再次根据南极Dome A运输道路的特点完成了减振系统的设计和制作，并对减振系统进行了动力学模拟分析。最后通过在南极实测的数据对比，验证了减振系统有效性。

关键词：改正镜; 减振设计; 南极

Vibration attenuation design and test for precise instruments during antarctic inland transport

WENHai-kun1,2,GONGXue-fei1,2,DUFu-jia1,2,LIZheng-yang1,2,ZHANGRu1,2(1. National Astronomical Observatories / Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China;2. Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology, Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China)

Abstract:Dome A is the highest location in the Antarctic inland. Due to the high altitude and the low temperature, it is considered as one of the best locations for astronomy observation. But the relevant instruments need be transported from ZhongShan station to Dome A by sledge for a long distance trip, moreover the road status is very bad. For the sake of transporting the corrector mirror system of the Antarctic Survey telescope, a vibration attenuation way to transport precise instruments to Dome A was designed. The field measurement data of the vibration and shock acceleration on the road to Dome A were introdaced, including the time histories and the frequency spectra of the vibration acceleration. A dynamic analysis on the corrector mirror of the telescope was carried out. The vibration attenuation design was put forward and the modal, analysis of the corrector mirror system was presented. According to the data measured on the spot in the Antarctic, the effectiveness of the vibration attenuation system was tested.

Key words:corrector mirror system; vibration attenuation design; Antarctic

中图分类号:TB485.1

文献标志码：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.017

通信作者宫雪非 男，研究员，硕士生导师，1972年生

收稿日期：2014-10-17修改稿收到日期：2014-12-31

基金项目：国家自然科学基金资助(11103052)