某机载设备隔振安装设计分析与试验研究

杨强，师永宁，杨利

（中国飞机强度研究所，西安 710065）

振动问题长期存在于航空装备研制生产、训练使用、作战保障的全过程中，对装备发展与使用影响重大，是国防科技与武器装备领域研究重点。现代飞行器向高速度、高机动、高隐身、高精度等方向不断发展，使得飞机上的振动环境日益严酷。统计数据表明，飞机所发生的重大事故中，有40%与振动有关[1]。机载设备是现代飞机的“大脑”和“神经中枢”，它们能否正常工作将直接影响飞机的综合性能和安全性。影响机载电子设备性能的环境因素比较多，如高温、高压、强电磁干扰、机械振动与冲击等。根据美国军方的统计，在引起航空电子设备失效的环境因素中，振动因素约占27%[2]。为了保证各类机载设备在复杂振动环境下正常工作，保证设备的可靠性，目前最经济便捷的方法是对机载设备进行隔振安装，即根据设备的振动环境，合理布置隔振元件或隔振器，使外部振动传递给设备的振动小于设备的许用值。

一般喷气式飞机的振动主要是由空腔噪声、气动力、机动飞行和发动机噪声引起的，但这一部分的振动主要集中在300～1000 Hz频段内。新一代战机在机动性、超音速巡航等方面的特殊要求，使得新一代战机除了具有一般喷气式的振动特性外，还在较低频段（小于100 Hz）产生强烈的振动。这种较低频段的高量值振动对机载电子设备破坏力巨大，如不采取有效隔振安装措施，将导致电子设备过早失效，甚至结构破坏。

文中针对某新一代战斗机机载设备，采用数值分析方法分析了典型 U型振动谱隔振响应，确定了 U型谱隔振设计的最佳固有频率段。据此进行某机载设备隔振安装设计，先对隔振器载荷解耦，计算各隔振器的承载，然后确定隔振安装所需的刚度和阻尼，设计了两种载荷的隔振器，并完成了振动耐久试验考核。结果表明，文中设计的隔振器可以满足该设备的隔振安装要求，隔振安装设计分析方法可以应用到其他机载设备隔振安装设计中。

1 隔振安装基本原理

隔振安装就是在机体和设备之间增加具有一定的刚度k和阻尼c的隔振器，隔振器与设备m组成质量-弹簧-阻尼隔振系统，力学模型如图1所示。隔振的作用是减小振源和被隔振物体之间的动态耦合，从而减少不良振动传递设备或从设备传出。实际应用中，由于隔振器刚度和阻尼的共同作用，有效地减小了被隔振设备上的振动响应。

根据动力学原理，隔振系统可以用动力学微分方程表示：

该系统的传递系数[3]T为：

共振放大倍数Q是激励频率f与系统频率fn相等时的传递系数T(f=fn)，即：

隔振系统的传递系数T与阻尼比ξ和频率比f/fn的关系如图2所示。由图2可知，每条隔振曲线都有三个区域：振动跟随区、振动放大区和振动隔离区。振动跟随区是由隔振系统的刚度k控制，振动放大区是由隔振系统的阻尼c控制，振动隔离区是由隔振系统的质量m控制。隔振系统的阻尼比ξ越大，隔振系统共振时振动传递系数T越小，但同时系统高频段的隔振效率降低；隔振系统的阻尼比ξ越小，隔振系统共振时振动传递系数T越大，此时系统的高频段隔振效率增大。因此，为了尽可能减小系统共振时的Q，并提高隔振系统在整个频段内的隔振效果，需合理选择隔振系统的阻尼比 ξ。一般机载设备隔振取 ξ=0.10～0.29，此时 Q=2～5。

2 典型U型振动谱隔振响应分析

一般地，喷气式战斗机振动环境的特征是在低频率段振动量值相对较小，高频率段振动量值相对较大。GJB150.16A—2009中图 C.8是典型的喷气式飞机机载环境振动试验谱。在该使用环境下，隔振器与设备组成的系统固有频率在合理范围（25～70 Hz）内，即可将振动量值降低 70%以上，既满足了隔振功能性，又可以满足系统的可靠性与使用寿命。

典型 U型振动谱定义：机载设备振动环境谱在100Hz以下频率段内的随机振动功率谱密度大于0.1 g2/Hz，在高频 300～750 Hz频段的谱密度也大于0.1 g2/Hz，其余频段的谱密度都较低，整个谱线在频域上近似U型，称为典型U型振动谱，如图3所示。

新一代战斗机大部分的振动环境都呈现低频大位移、高频高量值的典型U型振动谱。典型U型谱振动环境通常振动环境严酷，低频率段量值以及全频率段总方根值都很大。若简单不加设计地采用普通的隔振器，可能不仅无法进行振动隔离，难以保证其使用寿命，甚至可能因振动响应量值过大导致设备异常。隔振器在低频高量值振动下，其性能与使用寿命会受到严重影响。不可将普通隔振器直接安装在该环境的设备中，必须在考虑结构强度的基础上对隔振器刚度与阻尼进行专门设计。

针对图3典型U型谱，根据公式（2）计算出不同固有频率、不同放大倍数时隔振系统的隔振效率，如图4所示。由图4可知，对于同一放大倍数的隔振情况，当隔振系统固有频率低于35 Hz时，隔振效率随着固有频率的降低而升高。特别是当固有频率低于15 Hz时，隔振效率大于80%。当系统固有频率大于35 Hz时，系统隔振效率随着固有频率先增大后减小。特别是当固有频率在45～120 Hz频段内时，系统隔振效率在 70%～80%之间。对于同一固有频率，系统隔振效率随着放大倍数的增加而减小。

3 机载设备振动环境分析

某宽带射频接收机是新一代战机电子对抗必不可少的设备之一，安装在飞机机舱内，振动环境谱如图 5所示。该振动谱属于典型的U型振动谱。以垂向载荷谱为例，假设隔振系统的阻尼比ξ为0.125，可通过数值计算得到隔振系统在 40～300 Hz不同固有频率下的振动响应，如图6所示，并得到各响应在整个频段内的均方根值和隔振效率，如图7所示。从图7中可以发现，随着隔振系统固有频率从40Hz增加到80 Hz时，系统响应的均方根值逐渐减小，隔振效率逐渐增加；隔振系统固有频率从 80 Hz增加到300 Hz时，系统响应的均方根值逐渐增大，隔振效率逐渐减小。当隔振系统固有频率在70～130 Hz时，隔振效率不小于60%，此时系统的隔振效率最高。由此可以确定该设备隔振系统的固有频率应设计在 70～130 Hz频段内，当固有频率为120 Hz时，隔振效率为61.4%。

4 隔振安装设计

4.1 载荷解耦

某宽带射频接收机质量m为90 kg，外形尺寸为620 mm×400 mm×360 mm，重心坐标为（310, 150,150）。设备底部6个安装点均布，如图8所示。则各点隔振器的载荷分别为：

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 刚度设计

由第3节分析可知，考虑到隔振器使用寿命需要达到2000飞行小时，隔振器设计时应尽量降低弹性体内部的应力，减小隔振器工作时的变形，尽量提高隔振系统的固有频率。因此隔振系统固有频率fn设计在120 Hz，此时各隔振器的刚度为：

计算可得：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为 52 mm×52 mm×53 mm，单只承载要求很高，因此特意设计了一种高承载能力的结构。隔振器的刚度由上、中、下阻尼垫及线性弹簧共同提供，结构形式如图9所示。

那么对于第i个隔振器，当受到垂向向下的载荷时，结构刚度由上、下网垫和线性弹簧以及中网垫预压反作用力提供，即 ki=ki上+ki下+kis+ki中′；当受到垂向向上的载荷时，结构刚度由中网垫以及上、下网垫和弹簧预压反作用力提供，即 ki=ki中+ki上′+ki下′+ki中′。结构设计中，网垫预压载荷很小，可以忽略，通过设计弹簧的预压等于隔振器的承载，即 kisδi=mig，δi为第i个隔振器弹簧的预压量。

4.3 阻尼垫设计

阻尼垫是隔振器中的关键元件，主要采用金属橡胶材料，经过拉伸、一定方式的铺层、绕制成毛坯，在模具中通过一定压力成型。制作成阻尼弹性元件，其主要工作原理是在循环载荷下，通过金属丝间的干摩擦消耗系统的振动能量，降低振动的传递。

阻尼垫的性能参数与金属丝材质、丝径、阻尼垫密度、形状等有直接关系。文中因设备重心偏心，隔振器载荷有两种，因此1#，3#和5#隔振器的上网垫、中网垫和下网垫的密度分别为 2.349，2.638，2.462 g/cm3，2#，4#和6#隔振器的上网垫、中网垫和下网垫的密度分别为2.454，2.764，2.512 g/cm3。

5 功能与耐久试验

为了考核隔振系统的隔振效率和耐久性，根据产品外形，设计模拟件，在电磁振动台上完成试验，连接设备框图见图 10。试验按照图 5的谱线每轴向先完成0.5 h功能试验，再分4次完成10 h的耐久试验，每次2.5 h，最后再完成0.5 h功能试验。由此验证耐久性试验后系统仍具有较好的隔振性能。

功能试验结果见表 1，耐久性试验结果见表2，宽带射频接收机垂向试验曲线如图 11所示。由表 1可知，隔振系统垂向的固有频率为123.75 Hz，放大倍数为3.041，此时系统的响应为4.182 Grms，隔振效率为57.78%，与图 8的理论计算相吻合。耐久试验前后，隔振系统航向的固有频率降低了1.25 Hz，垂向的固有频率降低了 5 Hz，侧向的固有频率降低了26.25 Hz，x向的放大倍数减小了0.5，而y向和z向的放大倍数变化不大。由表2可知，隔振系统三个轴向固有频率随着耐久试验时间增长均有所降低，是因为耐久试验导致隔振器内部金属橡胶材料损耗，金属橡胶阻尼垫刚度降低。耐久试验前30 min功能试验，隔振系统的效率最低为57.78%；耐久试验后30 min隔振系统的效率最低为 57.87%，隔振器结构完整，没有出现任何损伤，内部金属橡胶材料、弹簧等结构也完整，没有出现抽丝、断丝等现象。由此可见，隔振器在耐久试验后仍具有良好的隔振性能。

表2 耐久试验结果

6 结语

文中采用数值分析方法对典型 U型谱的隔振响应作了分析，进而对某宽带射频接收机的振动环境进行了分析，得到最佳隔振频段。在此基础上，对该设备各点载荷解耦，分别进行了刚度和阻尼设计，最后完成了隔振系统的振动功能和耐久性考核试验。试验结果表明，设计的隔振器性能与理论计算结果相吻合；该隔振器经过耐久性试验后，仍具有良好的隔振性能，说明该款隔振器的设计能够满足要求。