民用飛機機載設備振動試驗要求和應用分析（二）

祝耀昌，李韻，徐俊，王星皓

（1.中航工業綜合所 北京 100028；2.西測環境試驗中心，西安 710119）

環境試驗與評價

民用飛機機載設備振動試驗要求和應用分析（二）

DO 160F/G民用固定翼飛機機載設備振動試驗要求

祝耀昌1，李韻2，徐俊1，王星皓1

（1.中航工業綜合所 北京 100028；2.西測環境試驗中心，西安 710119）

闡述了民用飛機機載設備振動環境的特點和振動試驗分類，歸納和匯總了DO 160 F/G 中的各類民用飛機機載設備的振動試驗要求，包括振動譜、振動量值和試驗持續時間等，并進行了分析和說明，以便于查閱和使用。最后對民用飛機機載設備振動試驗方法的應用進行了概括，介紹了民用固定翼飛機的機載設備振動試驗要求，按設備在機上的區域不同進行分類，詳細地對比說明各個位置上設備的振動試驗要求；介紹了民用直升機的機載設備振動試驗要求。

民用飛機；機載設備；振動試驗

近年來，我國民用飛機制造業發展迅速，支線客機ARJ21基本通過適航取證，大客機C919也將于明年下線投入試飛[1—3]。目前這些飛機所用的發動機和機載設備主要還是依靠國外供應商，這表明航空發動機和主要機載設備仍然是制約我國民用飛機制造業大規模發展的瓶頸[4]。按規定無論是飛機和發動機，還是飛機和發動機上的機載設備，在其投入使用前，都應通過適航取證，以確保能正常運行和飛行安全。適航取證過程的重要環節是經歷一系列的規定試驗[5—6]。對于機載設備來說，則應通過一系列的環境試驗，以證明其在民用飛機運行中遇到的各種環境因素的作用下，其機載設備均能滿足最低性能標準的要求。

目前民用飛機機載設備適航取證使用的環境試驗標準主要是美國航空無線電技術委員會（RTCA）制定的RTCA DO 160系列的標準。該標準的編號最初為DO 138，后來改為DO 160[7]，DO 160經歷7次修訂，目前已發展為DO 160 G。其包含的試驗項目越來越完整，各試驗項目中的試驗程序越來越科學合理。必須指出DO 160系列標準主要適用于電子設備，不是民用飛機機載設備適航取證用的唯一環境試驗標準，大多數機械、液壓設備則使用其TSO（技術標準規定）指定或直接規定的環境試驗方法[8]。

1　振動譜和振動量值

1.1 已知頻率

民用直升機上機載設備遇到的是寬帶隨機上疊加正弦振動環境[9—10]，振動譜型如圖1所示。

該譜型中的寬帶隨機部分的頻率范圍為10～2000 Hz，性能試驗量值為0.01 g2/Hz，其加速度均方根為2.75g，功能試驗量值為性能試驗量值的2倍，即0.02 g2/Hz，其加速度均方根值為3.89g。所有區域設備振動譜的隨機部分都是一樣的。

圖1 直升機正弦疊加隨機振動試驗曲線Fig.1 The sinusoidal superposition random vibration test curve of helicopter

正弦峰值的頻率和峰值量值則取決于主旋翼M槳葉通過頻率（f1）、尾槳T槳葉通過頻率（f2）、發動機E旋轉頻率（f3）和主減速箱G旋轉頻率（f4）。主旋翼和尾槳的一階通過頻率均為其旋轉頻率與槳葉數（N）的乘積。圖1中各頻率上的正弦峰值根據確定的頻率所屬范圍按表1計算或直接查閱該頻率處振動性能試驗和振動功能試驗量值[11]。從表1中40～200 Hz頻率范圍給定的性能和耐久試驗量值來看，其耐久試驗量值與性能試驗量值相比，其放大倍數不是一常數，隨頻率范圍和設備在機上的位置而有一些變化。表2給出了直升機各區域設備應用的正弦峰值的曲線及其峰值頻率。正弦峰值根據給定的f1，f2，f3，f4所屬頻率范圍按表1計算或直接采用其給定的峰值[12—13]。

表1 各曲線的功能和耐久試驗量級Table 1 The magnitude of function and endurance test for each curve

表2 各設備位置應用的曲線Table 2 The curve of each equipment section

直升機沒有固定機翼和起落架，因此沒有相應這兩個區的設備及相應振動曲線。直升機沒有渦輪發動機，因此直升機上的設備不會遇到渦輪葉片損壞造成的高量值瞬態正弦振動[14]。

1.2 未知頻率

當不知道直升機的頻率時，有兩種試驗程序：使用正弦加隨機試驗的程序（DO 160 F中稱為U類）；完全采用隨機試驗的程序（DO 160 F/G中稱為U1類），用U1類代替U類進行試驗。這兩個程序僅適用于機身和儀表板、控制臺和機架區的設備[15]。

1）U類使用的振動譜如圖1所示，隨機振動性能和振動功能試驗的頻率范圍和量值與已知頻率類相同。正弦峰值則根據標準中規定的三組頻率按表1計算或直接使用其提供的量值。標準中要求進行三次試驗，這三次試驗可以用1個產品，2個產品或3個產品進行[16—17]。但振動駐留試驗只需要在其中一個產品上進行，三組峰值頻率見表 3。根據表4 給定的頻率，按其所在頻率范圍和按表2確定曲線類型，從表1計算出相應峰值或查出的量值作為相應的正弦振動峰值。由于標準中規定此試驗僅適用于機身和儀表板、控制臺和設備機架兩個區的設備，只考慮使用G曲線。

2）U1類用簡單的隨機振動曲線，代替U類的試驗，曲線如圖2所示。該曲線中明確性能試驗量值（w0）為0.05 g2/Hz，耐久試驗量值（w1）為性能試驗量值的2倍，即0.10 g2/Hz。兩類試驗振動譜中40 Hz和300 Hz拐點量值分別為w0的0.126倍和0.199倍，見表5。

表3 DO 160 F規定的三組峰值頻率Table 3 Three frequency peak defined by DO 160 F

表4 按標準給定的三組頻率對應的正弦峰值（G曲線）Table 4 The sine peak of three frequency according to the standard (curve G)

圖2 直升機機身、儀表板和尾梁的隨機振動試驗曲線Fig.2 Random vibration test curve of helicopter fuselage, dash board and tail beam

表5 隨機振動譜的頻率拐點和量值Table 5 The break frequency and magnitude of random vibration spectra ( g2/Hz)

1.3 振動試驗的持續時間

民用直升機機載設備的振動試驗的持續時間取決于其在載機上的位置[18—22]，是正弦加隨機振動還是正弦振動，是標準振動試驗還是強化振動試驗，具體見表6。

2　應用說明

1）民用飛機機載設備適航取證用的環境條件和試驗方法標準除了美國航空無線電技術委員會制定的DO 160系列外，還有美國汽車工程師協會(SAE)，材料工程師協會(ASTM)等其他一些機構的制定的標準[23]。RTCA160系列標準是其中最為常用的試驗方法標準。通常適航最低性能標準(美國的TSO或中國的CTSO，即產品規范標準)采用哪個機構制訂的標準，則環境試驗方法會盡量采用其自己制訂的相應的環境試驗方法標準，例如若采用RTCA制訂的電子產品標準規范，則該規范中優先采用DO 160系列標準[24]。

2） RTCA DO 160系列標準至今已有A，B，C，D，E，F，G七個版本，每個版本都是有效版本，應用哪個版本由TSO或CTSO標準決定[25—27]。TSO或 CTSO標準中采用 DO 160系列版本的新舊與TSO標準申請時已有的產品規范標準密切相關，產品規范中引用的環境條件與試驗方法標準是制訂產品規范時已有的標準。因此只要TSO或CTSO標準有效，則其產品性能最低要求和其引用的環境條件和試驗方法標準同樣有效[28]。這就是目前美國 150多項TSO標準中引用的DO 160系列標準遍及各個版本而不是最新版本的原因。一旦某機載設備TSO標準修改重新申請時，會盡量使用最新版本的產品規范標準和環境試驗條件和試驗方法標準[29—31]。

3） RTCA DO 160系列標準是不可剪裁的標準，標準中明確規定了各種環境試驗要求。具體的環境試驗要求（如振動試驗要求），只能根據機載設備載機的類型和在機上的位置等從標準中選取或按標準中給定的方法計算得出。為了便于讀者理解和選用，將DO 160 F中的振動試驗要求圖表化，達到易查、易選的目的。

4）DO 160系列等環境條件和試驗方法標準的應用完全取決于產品性能規范制定者，因為這是產品性能規范中質量一致性檢驗要求的組成部分。產品性能規范是TSO標準的基礎，其差別是獲得適航當局批準后才能成為TSO標準。

3　結語

1）民用飛機機載設備的振動環境比軍用飛機機載設備的振動環境溫和。由于民用飛機的飛行任務剖面比較單一和固定，因而其振動試驗的振動譜的譜型和振動量值可以事先確定。DO 160 F標準中給各種固定翼飛機和直升機規定了振動譜、振動量值或振動量值的計算方法?？梢愿鶕C載設備載機的類型、機載設備在機上的位置，確定其性能試驗和功能試驗所用的振動譜和振動曲線（振動量值）。

2） 直升機機載設備的振動沒有標準振動而只有強化振動，其振動譜的特點是寬帶隨機上疊加正弦振動。DO 160 F標準中對隨機振動和正弦峰值均給出性能試驗和耐久試驗的量值或量值計算方法。寬帶隨機譜的性能和耐久試驗量值是固定的，分別為0.01 g2/Hz和0.02 g2/Hz，正弦峰值則根據峰值頻率和應用的試驗曲線確定，試驗頻率f1和f2均采用主旋翼一階和二階通過頻率，而f3和f4則應根據設備在載機上的位置使用尾槳一階、二階通過頻率或發動機旋轉頻率和主減速向旋轉頻率。直升機的強化振動也要考慮振動駐留試驗，但頻率必須在正弦試驗頻率±升機帶寬的范圍內，最多選擇 4個頻率進行30 min的振動駐留試驗，耐久試驗量級上的振動最多3 h，如果發現超過2個共振點，則可減少耐久試驗量值上的振動時間。

3）未知頻率直升機上設備的振動試驗（U）可以采用已知頻率直升機上設備的寬帶隨機疊加正弦的振動譜，其寬帶隨機譜與在已知頻率直升機上設備是一樣的，DO 160 F標準中給出三組頻率用于計算正弦峰值的量值，并進行三次試驗，或許能夠覆蓋實際振動環境。由于標準中明確規定只適用于機身（1a區）和儀表板、控制臺和設備機架（2區）的設備，從標準中的表8-2a可查出，這兩個區均使用G曲線，因此表3直接給出了標準中給定的三組峰值頻率對應的性能和耐久試驗用的峰值量值。

4）DO 160 F標準中規定未知頻率直升機上的設備的試驗（U）可以用隨機振動來代替，此時的試驗大大簡化，可直接按標準中給定的隨機振動譜和給出的頻率拐點和量值，按隨機振動強化試驗程序進行強化試驗，即每個軸向進行3 h的耐久試驗，在3 h耐久試驗前、后各進行至少10 min的性能試驗。

5）DO 160 F中不管是正弦振動還是隨機振動，振動開始前和結束后均安排正弦掃頻，以確定受試設備共振頻率和振動后此共振頻率是否變化，這是很有必要的，因此軍標中對此沒有作任何規定。

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Vibration Test Requirements and Application Analysis of Civil Aircraft Equipment (Ⅱ) Vibration Test Requirements of Civil Fixed-wing Aircraft Equipment in DO 160F/G

ZHU Yao-chang1, LI Yun2, XU Jun1, WANG Xing-hao1
(1.AVIC China Aero-polytechnology Establishment, Beijing 100028, China; 2.Environmental Testing Center of XCET, Xi'an 710119, China)

The paper set forth the characteristics of the vibration environment of civil aircraft equipment and the classification of vibration tests. The vibration test requirements of various civil aircraft equipment in DO 160 F/G were concluded and summarized, including vibration spectrum, magnitude and duration, and then were analyzed and explained accordingly, so as to facilitate the reference and application thereof. At last, the application of vibration test method for civil aircraft equipment was generalized. Vibration test requirements of civil fixed-wing aircraft equipment was described and classified according to the different sections of the equipment in the aircraft. The vibration test requirements of the equipment at each position were described in details by contrast; and the vibration test requirements of the airborne equipment of civil helicopters was presented.

civil aircraft; airborne equipment; vibration test

2016-03-28；Revised：2016-04-21

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.020

TJ01；TB114

A

1672-9242(2016)05-0122-06

2016-03-28；

2016-04-21

祝耀昌（1942—），男，研究員，主要從事產品環境工程，實驗室環境試驗和可靠性試驗技術研究及其相關標準的制訂工作。

Biography：ZHU Yao-chang（1942—）， Male， Researcher， Research focus: product environmental engineering， laboratory environmental testing，reliability testing technology and formulation of relevant standards.