淺析機載設備炮擊振動試驗方法

鄧德軍

摘 要：除飛機發動機旋轉部件工作時產生振源外，航炮射擊時炮口會產生沖擊波和航炮后座反沖兩種振動源環境，這種振動源環境隨著振源距離的增加呈顯著減弱趨勢。

關鍵詞：旋轉部件;振源;沖擊波;后座反沖

1 炮擊效應

炮擊環境是一個重復沖擊或瞬態振動，其主要原因為炮口的沖擊力撞擊設備表面;航炮的機械運動引起的結構架重復沖擊或瞬態振動或者二者的結合。

炮擊環境對機體及機載設備的結構和功能完整性產生潛在的不利效應。不利效應隨著航炮的口徑、設備與航炮的接近程度和炮擊環境持續時間的增加而增加。與設備的固有頻率（隨同它的諧波）相一致的炮擊速率和炮擊環境持續時間，將增大到對設備的結構和功能完整性的不利效應，引起的主要效應如下：

（1）部件之間、部件接口之間的摩擦力增加或減小;

（2）設備絕緣電阻下降，磁場和電場強度變化;

（3）電路板故障、電路板損壞，電連接器失效;

（4）永久的機械變形;

（5）機械部件斷裂;

（6）加速疲勞（低周期疲勞）;

（7）潛在的壓電作用;

（8）晶體、陶瓷、環氧樹脂或玻璃封裝件的斷裂。

2 振動試驗與炮振試驗

機載設備振動試驗用于確定產品的結構是否能經受得住預期的動態振動力，并確保產品不會由于運輸或使用中的振動而導致性能降低或出現故障。炮擊振動試驗用于評定載機結構及設備在炮擊振動環境中的抗振能力，驗證在經受航炮連續射擊工作環境下，機體及機載設備遇到重復沖擊力/瞬態振動時，保持結構和功能完整性的能力。不能以常規的振動試驗來代替炮振試驗，但如果炮振譜的最大值等于或低于其規定的試驗量值，則可以不進行炮振試驗。

機載設備是否需做炮振試驗，在GJB150.20A中規定以炮口為圓心，2m半徑范圍內的設備需考慮做炮振試驗，2m半徑范圍以外的設備一般不予考慮。

3 試驗條件的確定

試驗條件應根據可用的實測數據來測定。若無實測數據，可按以下給出的炮振試驗振動譜和持續時間確定。

3.1 試驗振動譜

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

（1）距離矢量（D）：炮口到設備和結構連接點之間的空間距離;

（2）航炮的投影距離參數（H）：炮管軸線到飛機表面的垂直距離;

（3）深度參數（Rs）：飛機蒙皮到機內設備之間的垂直距離。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 試驗持續時間

三個軸向的每個方向上振動10min。

（1）若寬帶隨機和窄帶隨機分開做，則：

窄帶隨機：三個軸向的每個方向四個頻帶各振動10min;

寬帶隨機：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，并且正弦定額和寬帶隨機分別進行，則：

正弦定額：三個軸向的每個方向各振動10min;

寬帶隨機：三個軸向的每個方向各振動10min。

3.3 試驗軸向和試驗次數

分別對試驗件三個相互垂直軸的每一軸向進行炮振試驗。如果試驗樣品在載機上具有特定的安裝方向，則選擇三個相互垂直軸向時應包括這一方向;如果試驗樣品在載機上任意安裝，則應選擇對振動量值最為敏感的方向為三軸之一。

3.4 與其它試驗的順序關系

一般情況下，機體或機載設備先進行炮擊振動試驗，也可以根據實際情況在振動和沖擊試驗之后進行炮振試驗，具體如下：

（1）若炮擊環境特別嚴酷，機體或機載設備的主要結構或功能不失效的概率很小時，則應先進行炮擊振動試驗，確定設備符合炮擊振動要求后，再開始更溫合的環境試驗;

（2）若炮擊環境雖然嚴酷，但機體或機載設備的主要結構或功能不失效的概率較大時，炮擊振動試驗可以在振動、溫度、沖擊試驗之后進行。這樣在炮擊振動試驗可以對試驗件進行篩選，以暴露綜合環境、振動、溫度沖擊和炮擊振動故障;

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

（4）當同時與其它環境條件（如：振動、溫度沖擊、濕度、壓力等）一起進行試驗時，炮擊環境可能影響機體或機載設備的性能。若機體或機載設備對綜合環境敏感，試驗時應同時施加這些環境。若同時綜合這些環境進行試驗不可行，并且有必要同其它環境一起估計炮振試驗，則將單個試驗件依次暴露在所有相關的條件下。一般情況下，在規定的工作條件期間的任何時間都有可能發生炮擊，所以，應盡可能接近實際的壽命環境剖面來安排試驗順序。若無法確定，則在振動和沖擊試驗后立即進行炮擊振動試驗。

4 試驗設備

所有試驗設備，包括所有的輔助設備，要能提供規定的炮擊裝備響應環境，其允差滿足國軍標相應要求。另外，所有測量傳感器、數據記錄和數據壓縮設備能夠測量、記錄、分析和現實足夠的數據，所有能夠滿足試驗條件的炮振試驗裝置都可采用，建議準備下列試驗設備：

（1）試驗用航炮;

（2）試驗用彈同一批次，并在射擊前進行合膛檢查;

（3）機身模擬艙段、氣墊（用于模擬飛機空中飛行）、模擬艙段內安裝的導管、電纜、機載設備等;

（4）測試試驗設備，有關試驗設備、夾具、試件的模態頻率與炮擊速率之間的關系，包括和試驗結構之間的試驗模態調查，這一步驟十分重要;

（5）實測數據，在直接波形控制下的補償波形和脈動信息。

5 試驗準備工作

應完成安裝、調試使航炮處于正常狀態，炮擊振動試驗件的安裝應與實際使用期間的一樣，應特別注意安裝到平臺的細節，炮擊響應振動對裝備/平臺的安裝細節十分敏感。使用中帶有減震裝置的設備，一般應帶上減震裝置進行試驗。

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

6 試驗方法

（1）確定試驗程序、標定負載、試件結構、測點布置、炮擊量級、炮擊時間、炮擊重復次數，安裝所有連接件（例如：電纜、管道等）使施加在試件上的應力和應變與實際使用中遇到的情況一致;

（2）對試件進行全面的目視檢查，特別注意檢查重點區域或認為特別容易損壞的地方，記錄檢查結果;

（3）通過成品廠作立靶密集實驗時，重復測試單個航炮單次射擊、連續射擊、多個航炮單次射擊、多次射擊對載機機身蒙皮、機體結構的沖擊及各設備的影響;

（4）將航炮發射時的后座力模擬成正弦激勵，對航炮發射產生的振動響應進行模擬計算，通過對動態響應結果分析獲得結構應力和位移較大的部位;

（5）對航炮發射產生的振動響應進行模態計算，分析炮擊振動與載機機體、機翼、貨艙地板、發動機以及航炮附近安裝的重要設備的固有頻率，為航炮安裝提供避免產生共振的參考依據。

7 試驗結論

得到實測響應數據，統計重復脈沖響應譜。

8 航炮的優化改進

為減少航炮后座力對載機帶來的影響，優化設計航炮位移導軌裝置。減少炮口沖擊波范圍內引發的動應力，避免局部產生的較大壓強而引發航炮安裝開口周圍蒙皮振動疲勞裂紋、結構強烈振動和機載設備振動損傷等。

參考文獻：

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