機(jī)載電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)

馬帥旗

（陜西理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西漢中 723003）

在飛行試驗(yàn)中，飛行器的主旋翼周期性變距以及在旋翼旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與周?chē)諝猱a(chǎn)生噪聲，引起機(jī)體強(qiáng)烈的高頻振動(dòng)，這對(duì)機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，加速設(shè)備疲勞破壞，降低設(shè)備的工作壽命。由于機(jī)載系統(tǒng)振動(dòng)異常復(fù)雜，且許多故障都直接或間接由振動(dòng)引起。因此，機(jī)載系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)理和控制研究是航空領(lǐng)域一個(gè)重要的課題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)載系統(tǒng)振動(dòng)進(jìn)行了深入研究，主要是從模態(tài)分析和統(tǒng)計(jì)能量分析兩個(gè)方面進(jìn)行研究[1]。文獻(xiàn)[2]通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)分析，研究了雙層海綿結(jié)構(gòu)減振系統(tǒng)，獲得系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比等特性參數(shù)；文獻(xiàn)[3]利用有限元分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)機(jī)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化；文獻(xiàn)[4]通過(guò)統(tǒng)計(jì)能量分析方法對(duì)散貨船噪聲分析，獲得的振動(dòng)響應(yīng)特性與海試現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基本相符。雖然這些減振措施能在一定程度上減緩系統(tǒng)振動(dòng)，但它們的分析、設(shè)計(jì)方法和求解過(guò)程非常復(fù)雜。

本文依據(jù)相關(guān)強(qiáng)迫振動(dòng)理論，建立等效減振器模型，設(shè)計(jì)兩組金屬絲網(wǎng)三向等剛度的減振器，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，研究機(jī)載系統(tǒng)減振規(guī)律。

1 機(jī)載系統(tǒng)振動(dòng)分析

對(duì)飛行試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，機(jī)載系統(tǒng)的振動(dòng)實(shí)質(zhì)是由汽油機(jī)引起的機(jī)體受迫振動(dòng)[5]。汽油機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)并激勵(lì)系統(tǒng)其它結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，從而使機(jī)體和機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)。汽油機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)可以分為空氣動(dòng)力性振動(dòng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)兩大類(lèi)?？諝鈩?dòng)力性振動(dòng)是指進(jìn)、排氣系統(tǒng)和風(fēng)扇等產(chǎn)生的振動(dòng)；機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)是指由運(yùn)動(dòng)部件與固定件間機(jī)械作用力周期性變化產(chǎn)生的振動(dòng)。機(jī)載電子設(shè)備的振動(dòng)主要由機(jī)械機(jī)構(gòu)振動(dòng)引起。

要有效地降低振動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響，必須對(duì)振動(dòng)源、振動(dòng)傳播途徑和振動(dòng)接受體三個(gè)不可分割的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，找出振動(dòng)傳播規(guī)律、傳播途徑，制定相應(yīng)減振措施[6]。歸納起來(lái)，有如下幾種減振方式：

（1）控制振源：振源控制是一種最根本的振動(dòng)控制方法。其主要方法是改善不平衡的力或力矩引起的設(shè)備的振動(dòng)，如汽油機(jī)周期性移動(dòng)、氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的離心力等引起的振動(dòng)。首先通過(guò)模態(tài)分析或有限元分析方法，計(jì)算機(jī)體的固有頻率和振型；然后調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)平衡性能、動(dòng)力學(xué)性能和零件的加工與裝配精度；

（2）降低振動(dòng)的傳遞率：在振源與受迫振動(dòng)體之間增加減振或隔振裝置，通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)減弱振動(dòng)傳遞，通過(guò)阻尼結(jié)構(gòu)增加材料阻尼，降低振動(dòng)能量；

（3）增強(qiáng)受振體的抗振能力。

2 機(jī)載設(shè)備減振平臺(tái)設(shè)計(jì)

機(jī)載系統(tǒng)振動(dòng)情況異常復(fù)雜，在三維空間均產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)載系統(tǒng)中GPS、航向參考系統(tǒng)AHRS(包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和磁航向計(jì))、電子盤(pán)和飛行控制系統(tǒng)等固定在飛行控制箱內(nèi)，飛行控制箱通過(guò)四個(gè)減振器與支撐板相連，支撐板固定于機(jī)艙內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)，四個(gè)減振器呈對(duì)稱(chēng)分布與機(jī)載系統(tǒng)底部固定，機(jī)載系統(tǒng)的重心正好位于四個(gè)減振器的中心位置，從而使減振器受力均勻，提高系統(tǒng)減振性能，減振平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 減振平臺(tái)結(jié)構(gòu)

x、y、z軸向的振動(dòng)機(jī)理基本一致，因而僅以垂直方向振動(dòng)為例進(jìn)行分析。機(jī)載系統(tǒng)的z軸方向隔振模型簡(jiǎn)化為單自由度彈簧阻尼系統(tǒng)，其內(nèi)部機(jī)構(gòu)等效為彈簧、阻尼器結(jié)構(gòu)。假設(shè)彈簧的剛度為k，阻尼器的線(xiàn)性阻尼為c，機(jī)載系統(tǒng)重量為m，機(jī)體激勵(lì)振動(dòng)符合正弦規(guī)律：ze=Asinωt，則機(jī)載系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程[7―9]如下

機(jī)載系統(tǒng)振動(dòng)受周期性汽油機(jī)氣缸運(yùn)動(dòng)影響，求解上述運(yùn)動(dòng)方程可知，其受到的振動(dòng)分為兩部分，瞬態(tài)振動(dòng)和穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。穩(wěn)態(tài)振動(dòng)為

3 減振器參數(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)載系統(tǒng)與機(jī)體之間通過(guò)減振器連接，機(jī)體的振動(dòng)無(wú)法直接傳遞給機(jī)載系統(tǒng)。機(jī)載系統(tǒng)總重量為3.8 kg，擬采用四個(gè)金屬絲網(wǎng)三向等剛度減振器進(jìn)行減振，則每個(gè)減振器承受的重量為0.95 kg。減振器設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮ROTEX 913型汽油機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)，ROTEX 913型汽油機(jī)是四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行器正常飛行時(shí)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000～6 000 r/min。

（1）減振器阻尼比的估計(jì)

（2）減振器剛度的估計(jì)[9]。

（3）減振器隔振效率計(jì)算

兩組減振器性能如下

第一組減振器的放大倍數(shù)B1=2.47、阻尼比ξ1=0.221 4、頻率比λ1=3.5。

則振動(dòng)傳遞率[10]

隔振效率：η1=1-T=0.837 6=83.76%

第二組減振器的放大倍數(shù)B2=3.27、阻尼比ξ2=0.160 6、頻率比λ2=3.5，

則振動(dòng)傳遞率

隔振效率：η1=1-T=0.866 9=86.69%

4 減振試驗(yàn)與結(jié)果分析

綜上所述，設(shè)計(jì)了兩組金屬絲網(wǎng)三向等剛度減振器，每組減振器包含四只減振器。第一組減振器在3.8 kg載荷下，固有頻率為53.598 Hz，放大倍數(shù)為3.27倍；第二組減振器在3.8 kg載荷下，固有頻率為58.865 Hz，放大倍數(shù)為2.47倍。分別對(duì)兩組減振器進(jìn)行減振性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先將四只減振器固定機(jī)艙內(nèi)的支撐板上，四只減振器分別與機(jī)載系統(tǒng)的四個(gè)角相連；然后將飛機(jī)后支架用系留索固定在地樁上，最后進(jìn)行開(kāi)車(chē)試驗(yàn)。在同等實(shí)驗(yàn)條件下分別測(cè)試未加減振器、加第一組和第二組減振器后加速度計(jì)、陀螺儀輸出數(shù)據(jù)。

通過(guò)減振實(shí)驗(yàn)可以看出，未加減振器時(shí)，汽油機(jī)激勵(lì)振動(dòng)使機(jī)載系統(tǒng)的加速度計(jì)和陀螺產(chǎn)生共振，導(dǎo)致AHRS輸出的機(jī)體姿態(tài)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，這種情形下不能完成導(dǎo)航控制。由于z向數(shù)據(jù)在-g上下波動(dòng)，為分析方便，首先對(duì)加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行零均值變換x(n)=x(n)-xˉ(n)，然后求取均方根值和方差數(shù)據(jù)。未加減振器時(shí)x、y和z軸向加速度的范圍、總振級(jí)和方差如表一所示，此時(shí)AHRS解算姿態(tài)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；

由表1可知，未加減振器時(shí)，機(jī)體沿y向振動(dòng)幅值較大，方差也較大。由表2、表3可知，加入兩組減振器后，機(jī)載設(shè)備x、y和z向的振動(dòng)明顯減弱，解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)正確，滿(mǎn)足導(dǎo)航控制要求。加入第一組減振器后，x、y和z軸向加速度的范圍、總振級(jí)和方差如表2所示；加入第二組減振器后，x、y和z軸向加速度的范圍、總振級(jí)和方差如下表3所示。

兩組減振器加入后，x、y和z軸向的振動(dòng)得到有效抑制，減振器設(shè)計(jì)均能滿(mǎn)足設(shè)備減振要求，AHRS解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)正確，并且第二組減振器的減振性能明顯優(yōu)于加入第一組減振器。

表1 未加減振器時(shí)加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 加第一組減振器時(shí)加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 加第二組減振器時(shí)加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)機(jī)載系統(tǒng)振動(dòng)特性進(jìn)行分析，建立了減振平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了兩組減振器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的減振器可以減弱系統(tǒng)振動(dòng)，降低機(jī)載設(shè)備的疲勞損壞，提高機(jī)載設(shè)備的使用壽命，滿(mǎn)足機(jī)載減振要求。

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