机载设备支架系统振动特性研究与振动控制

周江贝，白春玉，李意达

(1.中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065；2.上海飞机设计研究院，上海 201210)

1 引 言

随着武器装备的不断更新，现代飞行器向着高速度、高机动、高隐身、高精度等方向发展，这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”，与飞机各系统功能和性能的实现有着密切的关系，对飞机的飞行安全有着重要的影响。机载设备在飞机起降或使用过程中经常受到各种各样的振动和冲击，会因振动或者冲击破坏发生故障[2]。

通常，机载设备需要通过配套支架连接于机体上。机载设备安装支架不同于一般地面设备支架，其安装空间及位置受到很大限制，因此实际飞行环境更加复杂[3]。设计过程中，要使支架的固有频率远离机体结构的固有频率，避免共振破坏。同时，一些灵敏的机载电子设备，如雷达天线、采集器、记录器、惯导设备、振动传感器等对支架的动力特性有着特殊的要求。因此，机载设备安装支架动力特性的优劣关乎机体的结构安全和设备工作的可靠性[4]。为保证机载设备正常工作，必须对其采取减振或者隔振措施[5]。

本文研究了某机载设备支架系统的振动特性，通过开展扫频试验获得了该机载设备支架系统的固有特性，并基于民用飞机机载设备环境载荷谱研究了其随机振动响应；介绍了减振设计理论，并针对该机载设备的振动试验结果研制了一种有效的减振器，通过试验验证了其减振效果，为机载设备支架系统的振动控制提供了一种思路，并为后续实际装机使用奠定了基础。

2 机载设备支架系统的振动特性

本文主要研究某飞机设备支架系统的振动特性，试验件如图1所示。为了开展振动试验，针对该试验件设计工装夹具，应考虑两点：一方面，夹具与设备支架系统的连接要保证原装机状态的连接方式；另一方面，夹具使得支架系统可以稳固地连接于振动台面上，如图2所示。

图1 设备支架系统

图2 设备支架系统夹具设计

分别在夹具(靠近夹具与支架连接处3#)、支架(靠近支架与设备连接处4#)、设备(靠近设备远离支架的远端5#)等处布置响应测点，如图3所示，1#及2#为控制测点。机载设备支架系统正弦扫频试验曲线如图4所示。

图3 设备支架系统测点布置

依据国际通用的机载设备环境试验规范DO-160G[3]中的载荷谱(见图5)开展随机振动试验，曲线转折点对应量值见表1，试验结果如图6所示。

图5 随机振动载荷谱

表1 随机振动载荷曲线转折点对应量值(g2/Hz)

(a)X向随机振动试验结果

分析图6可知，设备上的测点5#振动较大，在3个方向的均方根值均超过10g，后续需要进行减振处理，以确保设备的耐久性。

3 减振器基本理论

任何一个减振系统的设计，其减振效果的好坏都可以通过振动传递率T来表示，T表示减振系统支撑物体的振动幅值与振源的振动幅值之比，公式为：

(1)

式中，f为预估点频率，fn为固有频率，ζ为阻尼比。图7给出了阻尼比、频率比和传递率之间的关系曲线。

图7 阻尼比、频率比和传递系数的关系曲线

减振效率可表示为：

η=(1-T)×100%

(2)

4 振动控制分析

为减小机载设备的振动量值，在支架与设备之间添加减振器。由扫频试验结果(见表2)可以看出，X、Y、Z三个方向支架系统的一阶系统频率都较高。结合随机试验各测点的响应，发现引起支架系统振动较大的主要原因是高频。因此，在设计及选择减振器时，应重点考虑隔高频。综合考虑，减振器频率选择在三个方向均为100Hz～200Hz(具体隔振频率可根据安装的紧固情况进行调节)，这样能避免减振器与原支架系统频率的共振，且对300Hz以上的高频振动能有效衰减。

表2 支架-设备假件系统频率

根据表2结果设计并加工减振器，如图8(a)所示。按照图8(b)在支架与设备连接处安装减振器，并开展振动试验。正弦扫频及随机振动试验结果如图9、图10所示。

(a) X向正弦扫频曲线

(a)减振器实物 (b)减振器安装图8 减振器及安装

(a)X向正弦扫频曲线

(a)X向随机振动试验结果

由图9可知，加减振器后整个系统在X向、Y向及Z向的隔振频率分别为138Hz、157Hz和218Hz，设备在三个方向300Hz以上高频处的振动几乎都被隔掉了。

为进一步明确减振效果，分别对比减振前后的随机振动响应，如表3所示。由表3可知，加减振器后，整个设备的振动大大降低。

表3 减振前后设备的振动均方根值对比(g)

5 总 结

本文研究了机载设备及其支架系统的动力学特性，发现该系统在高频处的振动较大。根据振动试验结果进行减振器的研究与设计，开展了加减振器后支架系统动力学测试，并对比分析了试验结果。结果表明，该减振器能有效减小300Hz以上的高频振动，大大降低了设备的整体振动(加减振器后，设备振动降低55%以上)，为后续工程实际应用奠定了基础。