機載設(shè)備支架系統(tǒng)振動特性研究與振動控制

周江貝，白春玉，李意達(dá)

(1.中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065；2.上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

1 引 言

隨著武器裝備的不斷更新，現(xiàn)代飛行器向著高速度、高機動、高隱身、高精度等方向發(fā)展，這使得飛機上的振動環(huán)境日益嚴(yán)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(guān)[1]。機載設(shè)備是現(xiàn)代飛機的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，與飛機各系統(tǒng)功能和性能的實現(xiàn)有著密切的關(guān)系，對飛機的飛行安全有著重要的影響。機載設(shè)備在飛機起降或使用過程中經(jīng)常受到各種各樣的振動和沖擊，會因振動或者沖擊破壞發(fā)生故障[2]。

通常，機載設(shè)備需要通過配套支架連接于機體上。機載設(shè)備安裝支架不同于一般地面設(shè)備支架，其安裝空間及位置受到很大限制，因此實際飛行環(huán)境更加復(fù)雜[3]。設(shè)計過程中，要使支架的固有頻率遠(yuǎn)離機體結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免共振破壞。同時，一些靈敏的機載電子設(shè)備，如雷達(dá)天線、采集器、記錄器、慣導(dǎo)設(shè)備、振動傳感器等對支架的動力特性有著特殊的要求。因此，機載設(shè)備安裝支架動力特性的優(yōu)劣關(guān)乎機體的結(jié)構(gòu)安全和設(shè)備工作的可靠性[4]。為保證機載設(shè)備正常工作，必須對其采取減振或者隔振措施[5]。

本文研究了某機載設(shè)備支架系統(tǒng)的振動特性，通過開展掃頻試驗獲得了該機載設(shè)備支架系統(tǒng)的固有特性，并基于民用飛機機載設(shè)備環(huán)境載荷譜研究了其隨機振動響應(yīng)；介紹了減振設(shè)計理論，并針對該機載設(shè)備的振動試驗結(jié)果研制了一種有效的減振器，通過試驗驗證了其減振效果，為機載設(shè)備支架系統(tǒng)的振動控制提供了一種思路，并為后續(xù)實際裝機使用奠定了基礎(chǔ)。

2 機載設(shè)備支架系統(tǒng)的振動特性

本文主要研究某飛機設(shè)備支架系統(tǒng)的振動特性，試驗件如圖1所示。為了開展振動試驗，針對該試驗件設(shè)計工裝夾具，應(yīng)考慮兩點：一方面，夾具與設(shè)備支架系統(tǒng)的連接要保證原裝機狀態(tài)的連接方式；另一方面，夾具使得支架系統(tǒng)可以穩(wěn)固地連接于振動臺面上，如圖2所示。

圖1 設(shè)備支架系統(tǒng)

圖2 設(shè)備支架系統(tǒng)夾具設(shè)計

分別在夾具(靠近夾具與支架連接處3#)、支架(靠近支架與設(shè)備連接處4#)、設(shè)備(靠近設(shè)備遠(yuǎn)離支架的遠(yuǎn)端5#)等處布置響應(yīng)測點，如圖3所示，1#及2#為控制測點。機載設(shè)備支架系統(tǒng)正弦掃頻試驗曲線如圖4所示。

圖3 設(shè)備支架系統(tǒng)測點布置

依據(jù)國際通用的機載設(shè)備環(huán)境試驗規(guī)范DO-160G[3]中的載荷譜(見圖5)開展隨機振動試驗，曲線轉(zhuǎn)折點對應(yīng)量值見表1，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖5 隨機振動載荷譜

表1 隨機振動載荷曲線轉(zhuǎn)折點對應(yīng)量值(g2/Hz)

(a)X向隨機振動試驗結(jié)果

分析圖6可知，設(shè)備上的測點5#振動較大，在3個方向的均方根值均超過10g，后續(xù)需要進行減振處理，以確保設(shè)備的耐久性。

3 減振器基本理論

任何一個減振系統(tǒng)的設(shè)計，其減振效果的好壞都可以通過振動傳遞率T來表示，T表示減振系統(tǒng)支撐物體的振動幅值與振源的振動幅值之比，公式為：

(1)

式中，f為預(yù)估點頻率，fn為固有頻率，ζ為阻尼比。圖7給出了阻尼比、頻率比和傳遞率之間的關(guān)系曲線。

圖7 阻尼比、頻率比和傳遞系數(shù)的關(guān)系曲線

減振效率可表示為：

η=(1-T)×100%

(2)

4 振動控制分析

為減小機載設(shè)備的振動量值，在支架與設(shè)備之間添加減振器。由掃頻試驗結(jié)果(見表2)可以看出，X、Y、Z三個方向支架系統(tǒng)的一階系統(tǒng)頻率都較高。結(jié)合隨機試驗各測點的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)引起支架系統(tǒng)振動較大的主要原因是高頻。因此，在設(shè)計及選擇減振器時，應(yīng)重點考慮隔高頻。綜合考慮，減振器頻率選擇在三個方向均為100Hz～200Hz(具體隔振頻率可根據(jù)安裝的緊固情況進行調(diào)節(jié))，這樣能避免減振器與原支架系統(tǒng)頻率的共振，且對300Hz以上的高頻振動能有效衰減。

表2 支架-設(shè)備假件系統(tǒng)頻率

根據(jù)表2結(jié)果設(shè)計并加工減振器，如圖8(a)所示。按照圖8(b)在支架與設(shè)備連接處安裝減振器，并開展振動試驗。正弦掃頻及隨機振動試驗結(jié)果如圖9、圖10所示。

(a) X向正弦掃頻曲線

(a)減振器實物 (b)減振器安裝圖8 減振器及安裝

(a)X向正弦掃頻曲線

(a)X向隨機振動試驗結(jié)果

由圖9可知，加減振器后整個系統(tǒng)在X向、Y向及Z向的隔振頻率分別為138Hz、157Hz和218Hz，設(shè)備在三個方向300Hz以上高頻處的振動幾乎都被隔掉了。

為進一步明確減振效果，分別對比減振前后的隨機振動響應(yīng)，如表3所示。由表3可知，加減振器后，整個設(shè)備的振動大大降低。

表3 減振前后設(shè)備的振動均方根值對比(g)

5 總 結(jié)

本文研究了機載設(shè)備及其支架系統(tǒng)的動力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在高頻處的振動較大。根據(jù)振動試驗結(jié)果進行減振器的研究與設(shè)計，開展了加減振器后支架系統(tǒng)動力學(xué)測試，并對比分析了試驗結(jié)果。結(jié)果表明，該減振器能有效減小300Hz以上的高頻振動，大大降低了設(shè)備的整體振動(加減振器后，設(shè)備振動降低55%以上)，為后續(xù)工程實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。