某機載設備隔振安裝設計分析與試驗研究

楊強，師永寧，楊利

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

振動問題長期存在于航空裝備研制生產(chǎn)、訓練使用、作戰(zhàn)保障的全過程中，對裝備發(fā)展與使用影響重大，是國防科技與武器裝備領域研究重點。現(xiàn)代飛行器向高速度、高機動、高隱身、高精度等方向不斷發(fā)展，使得飛機上的振動環(huán)境日益嚴酷。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，飛機所發(fā)生的重大事故中，有40%與振動有關[1]。機載設備是現(xiàn)代飛機的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，它們能否正常工作將直接影響飛機的綜合性能和安全性。影響機載電子設備性能的環(huán)境因素比較多，如高溫、高壓、強電磁干擾、機械振動與沖擊等。根據(jù)美國軍方的統(tǒng)計，在引起航空電子設備失效的環(huán)境因素中，振動因素約占27%[2]。為了保證各類機載設備在復雜振動環(huán)境下正常工作，保證設備的可靠性，目前最經(jīng)濟便捷的方法是對機載設備進行隔振安裝，即根據(jù)設備的振動環(huán)境，合理布置隔振元件或隔振器，使外部振動傳遞給設備的振動小于設備的許用值。

一般噴氣式飛機的振動主要是由空腔噪聲、氣動力、機動飛行和發(fā)動機噪聲引起的，但這一部分的振動主要集中在300～1000 Hz頻段內(nèi)。新一代戰(zhàn)機在機動性、超音速巡航等方面的特殊要求，使得新一代戰(zhàn)機除了具有一般噴氣式的振動特性外，還在較低頻段（小于100 Hz）產(chǎn)生強烈的振動。這種較低頻段的高量值振動對機載電子設備破壞力巨大，如不采取有效隔振安裝措施，將導致電子設備過早失效，甚至結構破壞。

文中針對某新一代戰(zhàn)斗機機載設備，采用數(shù)值分析方法分析了典型 U型振動譜隔振響應，確定了 U型譜隔振設計的最佳固有頻率段。據(jù)此進行某機載設備隔振安裝設計，先對隔振器載荷解耦，計算各隔振器的承載，然后確定隔振安裝所需的剛度和阻尼，設計了兩種載荷的隔振器，并完成了振動耐久試驗考核。結果表明，文中設計的隔振器可以滿足該設備的隔振安裝要求，隔振安裝設計分析方法可以應用到其他機載設備隔振安裝設計中。

1 隔振安裝基本原理

隔振安裝就是在機體和設備之間增加具有一定的剛度k和阻尼c的隔振器，隔振器與設備m組成質(zhì)量-彈簧-阻尼隔振系統(tǒng)，力學模型如圖1所示。隔振的作用是減小振源和被隔振物體之間的動態(tài)耦合，從而減少不良振動傳遞設備或從設備傳出。實際應用中，由于隔振器剛度和阻尼的共同作用，有效地減小了被隔振設備上的振動響應。

根據(jù)動力學原理，隔振系統(tǒng)可以用動力學微分方程表示：

該系統(tǒng)的傳遞系數(shù)[3]T為：

共振放大倍數(shù)Q是激勵頻率f與系統(tǒng)頻率fn相等時的傳遞系數(shù)T(f=fn)，即：

隔振系統(tǒng)的傳遞系數(shù)T與阻尼比ξ和頻率比f/fn的關系如圖2所示。由圖2可知，每條隔振曲線都有三個區(qū)域：振動跟隨區(qū)、振動放大區(qū)和振動隔離區(qū)。振動跟隨區(qū)是由隔振系統(tǒng)的剛度k控制，振動放大區(qū)是由隔振系統(tǒng)的阻尼c控制，振動隔離區(qū)是由隔振系統(tǒng)的質(zhì)量m控制。隔振系統(tǒng)的阻尼比ξ越大，隔振系統(tǒng)共振時振動傳遞系數(shù)T越小，但同時系統(tǒng)高頻段的隔振效率降低；隔振系統(tǒng)的阻尼比ξ越小，隔振系統(tǒng)共振時振動傳遞系數(shù)T越大，此時系統(tǒng)的高頻段隔振效率增大。因此，為了盡可能減小系統(tǒng)共振時的Q，并提高隔振系統(tǒng)在整個頻段內(nèi)的隔振效果，需合理選擇隔振系統(tǒng)的阻尼比 ξ。一般機載設備隔振取 ξ=0.10～0.29，此時 Q=2～5。

2 典型U型振動譜隔振響應分析

一般地，噴氣式戰(zhàn)斗機振動環(huán)境的特征是在低頻率段振動量值相對較小，高頻率段振動量值相對較大。GJB150.16A—2009中圖 C.8是典型的噴氣式飛機機載環(huán)境振動試驗譜。在該使用環(huán)境下，隔振器與設備組成的系統(tǒng)固有頻率在合理范圍（25～70 Hz）內(nèi)，即可將振動量值降低 70%以上，既滿足了隔振功能性，又可以滿足系統(tǒng)的可靠性與使用壽命。

典型 U型振動譜定義：機載設備振動環(huán)境譜在100Hz以下頻率段內(nèi)的隨機振動功率譜密度大于0.1 g2/Hz，在高頻 300～750 Hz頻段的譜密度也大于0.1 g2/Hz，其余頻段的譜密度都較低，整個譜線在頻域上近似U型，稱為典型U型振動譜，如圖3所示。

新一代戰(zhàn)斗機大部分的振動環(huán)境都呈現(xiàn)低頻大位移、高頻高量值的典型U型振動譜。典型U型譜振動環(huán)境通常振動環(huán)境嚴酷，低頻率段量值以及全頻率段總方根值都很大。若簡單不加設計地采用普通的隔振器，可能不僅無法進行振動隔離，難以保證其使用壽命，甚至可能因振動響應量值過大導致設備異常。隔振器在低頻高量值振動下，其性能與使用壽命會受到嚴重影響。不可將普通隔振器直接安裝在該環(huán)境的設備中，必須在考慮結構強度的基礎上對隔振器剛度與阻尼進行專門設計。

針對圖3典型U型譜，根據(jù)公式（2）計算出不同固有頻率、不同放大倍數(shù)時隔振系統(tǒng)的隔振效率，如圖4所示。由圖4可知，對于同一放大倍數(shù)的隔振情況，當隔振系統(tǒng)固有頻率低于35 Hz時，隔振效率隨著固有頻率的降低而升高。特別是當固有頻率低于15 Hz時，隔振效率大于80%。當系統(tǒng)固有頻率大于35 Hz時，系統(tǒng)隔振效率隨著固有頻率先增大后減小。特別是當固有頻率在45～120 Hz頻段內(nèi)時，系統(tǒng)隔振效率在 70%～80%之間。對于同一固有頻率，系統(tǒng)隔振效率隨著放大倍數(shù)的增加而減小。

3 機載設備振動環(huán)境分析

某寬帶射頻接收機是新一代戰(zhàn)機電子對抗必不可少的設備之一，安裝在飛機機艙內(nèi)，振動環(huán)境譜如圖 5所示。該振動譜屬于典型的U型振動譜。以垂向載荷譜為例，假設隔振系統(tǒng)的阻尼比ξ為0.125，可通過數(shù)值計算得到隔振系統(tǒng)在 40～300 Hz不同固有頻率下的振動響應，如圖6所示，并得到各響應在整個頻段內(nèi)的均方根值和隔振效率，如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著隔振系統(tǒng)固有頻率從40Hz增加到80 Hz時，系統(tǒng)響應的均方根值逐漸減小，隔振效率逐漸增加；隔振系統(tǒng)固有頻率從 80 Hz增加到300 Hz時，系統(tǒng)響應的均方根值逐漸增大，隔振效率逐漸減小。當隔振系統(tǒng)固有頻率在70～130 Hz時，隔振效率不小于60%，此時系統(tǒng)的隔振效率最高。由此可以確定該設備隔振系統(tǒng)的固有頻率應設計在 70～130 Hz頻段內(nèi)，當固有頻率為120 Hz時，隔振效率為61.4%。

4 隔振安裝設計

4.1 載荷解耦

某寬帶射頻接收機質(zhì)量m為90 kg，外形尺寸為620 mm×400 mm×360 mm，重心坐標為（310, 150,150）。設備底部6個安裝點均布，如圖8所示。則各點隔振器的載荷分別為：

其中，a1=310，a2=250，b1=620，b2=400。求解可得m1=m3=m5=11.25 kg，m2=m4=m6=18.75 kg。

4.2 剛度設計

由第3節(jié)分析可知，考慮到隔振器使用壽命需要達到2000飛行小時，隔振器設計時應盡量降低彈性體內(nèi)部的應力，減小隔振器工作時的變形，盡量提高隔振系統(tǒng)的固有頻率。因此隔振系統(tǒng)固有頻率fn設計在120 Hz，此時各隔振器的剛度為：

計算可得：k1=k3=k5=6.396 kN/mm，k2=k4=k6=10.659 kN/mm。

由于隔振器的最大外形限制為 52 mm×52 mm×53 mm，單只承載要求很高，因此特意設計了一種高承載能力的結構。隔振器的剛度由上、中、下阻尼墊及線性彈簧共同提供，結構形式如圖9所示。

那么對于第i個隔振器，當受到垂向向下的載荷時，結構剛度由上、下網(wǎng)墊和線性彈簧以及中網(wǎng)墊預壓反作用力提供，即 ki=ki上+ki下+kis+ki中′；當受到垂向向上的載荷時，結構剛度由中網(wǎng)墊以及上、下網(wǎng)墊和彈簧預壓反作用力提供，即 ki=ki中+ki上′+ki下′+ki中′。結構設計中，網(wǎng)墊預壓載荷很小，可以忽略，通過設計彈簧的預壓等于隔振器的承載，即 kisδi=mig，δi為第i個隔振器彈簧的預壓量。

4.3 阻尼墊設計

阻尼墊是隔振器中的關鍵元件，主要采用金屬橡膠材料，經(jīng)過拉伸、一定方式的鋪層、繞制成毛坯，在模具中通過一定壓力成型。制作成阻尼彈性元件，其主要工作原理是在循環(huán)載荷下，通過金屬絲間的干摩擦消耗系統(tǒng)的振動能量，降低振動的傳遞。

阻尼墊的性能參數(shù)與金屬絲材質(zhì)、絲徑、阻尼墊密度、形狀等有直接關系。文中因設備重心偏心，隔振器載荷有兩種，因此1#，3#和5#隔振器的上網(wǎng)墊、中網(wǎng)墊和下網(wǎng)墊的密度分別為 2.349，2.638，2.462 g/cm3，2#，4#和6#隔振器的上網(wǎng)墊、中網(wǎng)墊和下網(wǎng)墊的密度分別為2.454，2.764，2.512 g/cm3。

5 功能與耐久試驗

為了考核隔振系統(tǒng)的隔振效率和耐久性，根據(jù)產(chǎn)品外形，設計模擬件，在電磁振動臺上完成試驗，連接設備框圖見圖 10。試驗按照圖 5的譜線每軸向先完成0.5 h功能試驗，再分4次完成10 h的耐久試驗，每次2.5 h，最后再完成0.5 h功能試驗。由此驗證耐久性試驗后系統(tǒng)仍具有較好的隔振性能。

功能試驗結果見表 1，耐久性試驗結果見表2，寬帶射頻接收機垂向試驗曲線如圖 11所示。由表 1可知，隔振系統(tǒng)垂向的固有頻率為123.75 Hz，放大倍數(shù)為3.041，此時系統(tǒng)的響應為4.182 Grms，隔振效率為57.78%，與圖 8的理論計算相吻合。耐久試驗前后，隔振系統(tǒng)航向的固有頻率降低了1.25 Hz，垂向的固有頻率降低了 5 Hz，側向的固有頻率降低了26.25 Hz，x向的放大倍數(shù)減小了0.5，而y向和z向的放大倍數(shù)變化不大。由表2可知，隔振系統(tǒng)三個軸向固有頻率隨著耐久試驗時間增長均有所降低，是因為耐久試驗導致隔振器內(nèi)部金屬橡膠材料損耗，金屬橡膠阻尼墊剛度降低。耐久試驗前30 min功能試驗，隔振系統(tǒng)的效率最低為57.78%；耐久試驗后30 min隔振系統(tǒng)的效率最低為 57.87%，隔振器結構完整，沒有出現(xiàn)任何損傷，內(nèi)部金屬橡膠材料、彈簧等結構也完整，沒有出現(xiàn)抽絲、斷絲等現(xiàn)象。由此可見，隔振器在耐久試驗后仍具有良好的隔振性能。

表2 耐久試驗結果

6 結語

文中采用數(shù)值分析方法對典型 U型譜的隔振響應作了分析，進而對某寬帶射頻接收機的振動環(huán)境進行了分析，得到最佳隔振頻段。在此基礎上，對該設備各點載荷解耦，分別進行了剛度和阻尼設計，最后完成了隔振系統(tǒng)的振動功能和耐久性考核試驗。試驗結果表明，設計的隔振器性能與理論計算結果相吻合；該隔振器經(jīng)過耐久性試驗后，仍具有良好的隔振性能，說明該款隔振器的設計能夠滿足要求。