淺析機(jī)載設(shè)備炮擊振動試驗(yàn)方法

鄧德軍

摘 要：除飛機(jī)發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)部件工作時(shí)產(chǎn)生振源外，航炮射擊時(shí)炮口會產(chǎn)生沖擊波和航炮后座反沖兩種振動源環(huán)境，這種振動源環(huán)境隨著振源距離的增加呈顯著減弱趨勢。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)部件;振源;沖擊波;后座反沖

1 炮擊效應(yīng)

炮擊環(huán)境是一個重復(fù)沖擊或瞬態(tài)振動，其主要原因?yàn)榕诳诘臎_擊力撞擊設(shè)備表面;航炮的機(jī)械運(yùn)動引起的結(jié)構(gòu)架重復(fù)沖擊或瞬態(tài)振動或者二者的結(jié)合。

炮擊環(huán)境對機(jī)體及機(jī)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能完整性產(chǎn)生潛在的不利效應(yīng)。不利效應(yīng)隨著航炮的口徑、設(shè)備與航炮的接近程度和炮擊環(huán)境持續(xù)時(shí)間的增加而增加。與設(shè)備的固有頻率（隨同它的諧波）相一致的炮擊速率和炮擊環(huán)境持續(xù)時(shí)間，將增大到對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能完整性的不利效應(yīng)，引起的主要效應(yīng)如下：

（1）部件之間、部件接口之間的摩擦力增加或減小;

（2）設(shè)備絕緣電阻下降，磁場和電場強(qiáng)度變化;

（3）電路板故障、電路板損壞，電連接器失效;

（4）永久的機(jī)械變形;

（5）機(jī)械部件斷裂;

（6）加速疲勞（低周期疲勞）;

（7）潛在的壓電作用;

（8）晶體、陶瓷、環(huán)氧樹脂或玻璃封裝件的斷裂。

2 振動試驗(yàn)與炮振試驗(yàn)

機(jī)載設(shè)備振動試驗(yàn)用于確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是否能經(jīng)受得住預(yù)期的動態(tài)振動力，并確保產(chǎn)品不會由于運(yùn)輸或使用中的振動而導(dǎo)致性能降低或出現(xiàn)故障。炮擊振動試驗(yàn)用于評定載機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)備在炮擊振動環(huán)境中的抗振能力，驗(yàn)證在經(jīng)受航炮連續(xù)射擊工作環(huán)境下，機(jī)體及機(jī)載設(shè)備遇到重復(fù)沖擊力/瞬態(tài)振動時(shí)，保持結(jié)構(gòu)和功能完整性的能力。不能以常規(guī)的振動試驗(yàn)來代替炮振試驗(yàn)，但如果炮振譜的最大值等于或低于其規(guī)定的試驗(yàn)量值，則可以不進(jìn)行炮振試驗(yàn)。

機(jī)載設(shè)備是否需做炮振試驗(yàn)，在GJB150.20A中規(guī)定以炮口為圓心，2m半徑范圍內(nèi)的設(shè)備需考慮做炮振試驗(yàn)，2m半徑范圍以外的設(shè)備一般不予考慮。

3 試驗(yàn)條件的確定

試驗(yàn)條件應(yīng)根據(jù)可用的實(shí)測數(shù)據(jù)來測定。若無實(shí)測數(shù)據(jù)，可按以下給出的炮振試驗(yàn)振動譜和持續(xù)時(shí)間確定。

3.1 試驗(yàn)振動譜

通用炮擊振動譜是由寬帶隨機(jī)譜上迭加四個窄帶隨機(jī)峰組成，四個窄帶隨機(jī)峰對應(yīng)的中心頻率上涉及頻率的基頻及前三階倍頻。涉及參數(shù)有：

（1）距離矢量（D）：炮口到設(shè)備和結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)之間的空間距離;

（2）航炮的投影距離參數(shù)（H）：炮管軸線到飛機(jī)表面的垂直距離;

（3）深度參數(shù)（Rs）：飛機(jī)蒙皮到機(jī)內(nèi)設(shè)備之間的垂直距離。如果Rs未知，則取Rs=7.5cm;

（4）振動峰值帶寬（△f）：△f=π*（Fi）0.5/4。

△f：在功率譜密度峰值下降3dB處的帶寬。

Fi：射擊頻率的基頻或倍頻。

3.2 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

三個軸向的每個方向上振動10min。

（1）若寬帶隨機(jī)和窄帶隨機(jī)分開做，則：

窄帶隨機(jī)：三個軸向的每個方向四個頻帶各振動10min;

寬帶隨機(jī)：三個軸向的每個方向各振動10min;

（2）若振動峰值用正弦定額來代替窄帶隨機(jī)，并且正弦定額和寬帶隨機(jī)分別進(jìn)行，則：

正弦定額：三個軸向的每個方向各振動10min;

寬帶隨機(jī)：三個軸向的每個方向各振動10min。

3.3 試驗(yàn)軸向和試驗(yàn)次數(shù)

分別對試驗(yàn)件三個相互垂直軸的每一軸向進(jìn)行炮振試驗(yàn)。如果試驗(yàn)樣品在載機(jī)上具有特定的安裝方向，則選擇三個相互垂直軸向時(shí)應(yīng)包括這一方向;如果試驗(yàn)樣品在載機(jī)上任意安裝，則應(yīng)選擇對振動量值最為敏感的方向?yàn)槿S之一。

3.4 與其它試驗(yàn)的順序關(guān)系

一般情況下，機(jī)體或機(jī)載設(shè)備先進(jìn)行炮擊振動試驗(yàn)，也可以根據(jù)實(shí)際情況在振動和沖擊試驗(yàn)之后進(jìn)行炮振試驗(yàn)，具體如下：

（1）若炮擊環(huán)境特別嚴(yán)酷，機(jī)體或機(jī)載設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)或功能不失效的概率很小時(shí)，則應(yīng)先進(jìn)行炮擊振動試驗(yàn)，確定設(shè)備符合炮擊振動要求后，再開始更溫合的環(huán)境試驗(yàn);

（2）若炮擊環(huán)境雖然嚴(yán)酷，但機(jī)體或機(jī)載設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)或功能不失效的概率較大時(shí)，炮擊振動試驗(yàn)可以在振動、溫度、沖擊試驗(yàn)之后進(jìn)行。這樣在炮擊振動試驗(yàn)可以對試驗(yàn)件進(jìn)行篩選，以暴露綜合環(huán)境、振動、溫度沖擊和炮擊振動故障;

（3）在炮擊振動試驗(yàn)量值不如振動試驗(yàn)量值嚴(yán)酷的情況下，可以不進(jìn)行炮擊振動試驗(yàn);

（4）當(dāng)同時(shí)與其它環(huán)境條件（如：振動、溫度沖擊、濕度、壓力等）一起進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，炮擊環(huán)境可能影響機(jī)體或機(jī)載設(shè)備的性能。若機(jī)體或機(jī)載設(shè)備對綜合環(huán)境敏感，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)同時(shí)施加這些環(huán)境。若同時(shí)綜合這些環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)不可行，并且有必要同其它環(huán)境一起估計(jì)炮振試驗(yàn)，則將單個試驗(yàn)件依次暴露在所有相關(guān)的條件下。一般情況下，在規(guī)定的工作條件期間的任何時(shí)間都有可能發(fā)生炮擊，所以，應(yīng)盡可能接近實(shí)際的壽命環(huán)境剖面來安排試驗(yàn)順序。若無法確定，則在振動和沖擊試驗(yàn)后立即進(jìn)行炮擊振動試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)設(shè)備

所有試驗(yàn)設(shè)備，包括所有的輔助設(shè)備，要能提供規(guī)定的炮擊裝備響應(yīng)環(huán)境，其允差滿足國軍標(biāo)相應(yīng)要求。另外，所有測量傳感器、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)壓縮設(shè)備能夠測量、記錄、分析和現(xiàn)實(shí)足夠的數(shù)據(jù)，所有能夠滿足試驗(yàn)條件的炮振試驗(yàn)裝置都可采用，建議準(zhǔn)備下列試驗(yàn)設(shè)備：

（1）試驗(yàn)用航炮;

（2）試驗(yàn)用彈同一批次，并在射擊前進(jìn)行合膛檢查;

（3）機(jī)身模擬艙段、氣墊（用于模擬飛機(jī)空中飛行）、模擬艙段內(nèi)安裝的導(dǎo)管、電纜、機(jī)載設(shè)備等;

（4）測試試驗(yàn)設(shè)備，有關(guān)試驗(yàn)設(shè)備、夾具、試件的模態(tài)頻率與炮擊速率之間的關(guān)系，包括和試驗(yàn)結(jié)構(gòu)之間的試驗(yàn)?zāi)B(tài)調(diào)查，這一步驟十分重要;

（5）實(shí)測數(shù)據(jù)，在直接波形控制下的補(bǔ)償波形和脈動信息。

5 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

應(yīng)完成安裝、調(diào)試使航炮處于正常狀態(tài)，炮擊振動試驗(yàn)件的安裝應(yīng)與實(shí)際使用期間的一樣，應(yīng)特別注意安裝到平臺的細(xì)節(jié)，炮擊響應(yīng)振動對裝備/平臺的安裝細(xì)節(jié)十分敏感。使用中帶有減震裝置的設(shè)備，一般應(yīng)帶上減震裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

用于測量和控制的傳感器應(yīng)剛性牢固地安裝在試驗(yàn)樣品與臺面或夾具的固定點(diǎn)上，或盡可能靠近地，或其它規(guī)定位置上。

6 試驗(yàn)方法

（1）確定試驗(yàn)程序、標(biāo)定負(fù)載、試件結(jié)構(gòu)、測點(diǎn)布置、炮擊量級、炮擊時(shí)間、炮擊重復(fù)次數(shù)，安裝所有連接件（例如：電纜、管道等）使施加在試件上的應(yīng)力和應(yīng)變與實(shí)際使用中遇到的情況一致;

（2）對試件進(jìn)行全面的目視檢查，特別注意檢查重點(diǎn)區(qū)域或認(rèn)為特別容易損壞的地方，記錄檢查結(jié)果;

（3）通過成品廠作立靶密集實(shí)驗(yàn)時(shí)，重復(fù)測試單個航炮單次射擊、連續(xù)射擊、多個航炮單次射擊、多次射擊對載機(jī)機(jī)身蒙皮、機(jī)體結(jié)構(gòu)的沖擊及各設(shè)備的影響;

（4）將航炮發(fā)射時(shí)的后座力模擬成正弦激勵，對航炮發(fā)射產(chǎn)生的振動響應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對動態(tài)響應(yīng)結(jié)果分析獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移較大的部位;

（5）對航炮發(fā)射產(chǎn)生的振動響應(yīng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，分析炮擊振動與載機(jī)機(jī)體、機(jī)翼、貨艙地板、發(fā)動機(jī)以及航炮附近安裝的重要設(shè)備的固有頻率，為航炮安裝提供避免產(chǎn)生共振的參考依據(jù)。

7 試驗(yàn)結(jié)論

得到實(shí)測響應(yīng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)重復(fù)脈沖響應(yīng)譜。

8 航炮的優(yōu)化改進(jìn)

為減少航炮后座力對載機(jī)帶來的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)航炮位移導(dǎo)軌裝置。減少炮口沖擊波范圍內(nèi)引發(fā)的動應(yīng)力，避免局部產(chǎn)生的較大壓強(qiáng)而引發(fā)航炮安裝開口周圍蒙皮振動疲勞裂紋、結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動和機(jī)載設(shè)備振動損傷等。

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