某飛機火箭控制盒隔振設計與試驗

楊 強, 邵 闖, 段宇星

(中國飛機強度研究所結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065)

機械領域存在的振動控制問題長期以來就是有關學者與工程師研究的熱門問題。特別是在航空航天領域，高速飛行引起的氣動力與大推力發動機的轉子不平衡都會引起飛行器的各種問題。輕則影響乘員舒適度，降低電子設備可靠性，重則引發機構或結構失效，造成等級事故。現代飛機向高速度、高機動、高隱身、高精度等方向不斷發展，使得飛機上的振動環境日益嚴酷，統計數據表明：飛機所發生的重大事故中，有40%與振動有關[1]。根據美國軍方的統計，在引起航空電子設備失效的環境因素中，振動因素約占27%[2]。為了保證各類機載設備在復雜振動環境下正常工作，最經濟可靠的方法是對機載設備隔振安裝。

火箭控制盒[3]是飛機武器系統中的一個配套產品，用來控制和發射火箭彈。其工作方式是將一定周期和數量的脈沖電流依次輸送給火箭發射器中的電點火具，使火箭彈按輸出脈沖的次序進行發射。在發射火箭彈的同時，火箭控制盒需要將初始位置信號、彈頭位置信號及相應的余彈脈沖數量輸出到飛機上的電子顯示設備進行顯示。而某飛機中的火箭控制盒安裝在機翼翼尖內部，振動量值很高，導致該火箭控制盒內部電子元器件脫落，無法按照規定指令發射火箭彈。為此，需要設計一種隔振裝置，既要保證火箭控制盒在復雜振動環境下能正常工作，還要保證其使用壽命要求。

機載設備隔振安裝設計一般通過分析設備所處載荷環境，簡化隔振系統，運用隔振理論建立隔振分析模型，從而確定所需隔振參數，然后再進行隔振器設計或選型[4-5]。硅橡膠材料因其阻尼大，溫度適用范圍寬，可設計性強，被廣泛用到機載設備的隔振安裝中。杭超等[6]用試驗方法研究了兩種苯基硅橡膠隔振器在航空發動機隔振安裝中的動力特性。陸宇等[7]用兩種硅橡膠優化設計出中低硬度、高阻尼、耐老化的阻尼隔振墊。劉曉東等[8]利用有限元法研究了硅橡膠隔振器的隔振特性，得到Signiorini模型更適合模擬硅橡膠材料的動特性。Zhang等[9]將隔振器簡化為具有兩個或多個Maxwell單元的Maxwell模型，通過實驗表明兩個Maxwell單元能夠準確表示彈性隔振系統的靜動態特性。Roncen等[10]用正弦掃頻激勵和寬帶隨機激勵研究了非線性橡膠隔振器的隔振性能。針對某飛機火箭控制盒的過振動問題，采用Voigt模型簡化隔振器，運用隔振理論分析隔振系統所需設計指標，設計隔振器并用振動試驗驗證所設計隔振裝置能夠滿足該火箭控制盒的設計要求。

1 隔振設計要求

某火箭控制盒質量約為0.55 kg，外形尺寸為70 mm×70 mm×100 mm，通過4個M3螺釘與隔振裝置連接并側掛到機翼內。火箭控制盒振動載荷是一個15～2000 Hz的隨機振動譜，要求滿足《軍用裝備實驗室環境試驗方法，第16部分：振動試驗》(GJB 150.16A—2009)[11]中噴氣式飛機安裝的裝備考核條件，如圖1所示。功能試驗總均方根值為12.729grms，grms表示功率譜密度曲線的均方根值，是譜密度曲線在整個頻率范圍內面積的平方根值。

對隔振裝置要求滿足以下條件：①隔振系統固有頻率不大于100 Hz；②隔振系統隔振效率不小于40%；③耐久性要求達到2 500飛行小時。

由《軍用裝備實驗室環境試驗方法，第16部分：振動試驗》(GJB 150.16A—2009)可知，隔振裝置耐久性試驗量值是功能試驗量值的1.6倍，每軸向試驗時間為12.5 h。

dB/oct為分貝/倍頻程圖1 振動功能試驗譜線Fig.1 Spectrum of vibration function test

2 隔振裝置設計

2.1 隔振系統設計原理

隔振設計就是在基礎與被隔振物體之間加入帶阻尼的彈性體，改變被隔振物體的連接剛度，將隔振系統頻率設計在合理的區間內，并控制隔振系統的阻尼，從而使被隔振物體的振動量值和頻率分布得到有效控制。

典型的隔振系統是假設被隔振物體(質量為m)為剛體，基礎為剛性，隔振器簡化為彈簧(剛度為k)和阻尼器(阻尼為c)的無質量部件，其力學模型如圖2所示，則該系統用動力學方程表示為

(1)

該系統的振動傳遞系數T[12]計算公式為

(2)

當式(2)中f=fn時，振動傳遞系數T為隔振系統的放大倍數Q。

圖2 Voigt模型Fig.2 Voigt model

2.2 理論計算

阻尼比ξ與放大倍數Q間的關系為

(3)

則由圖1、式(2)和式(3)可以計算出不同固有頻率和放大倍數下的響應及隔振效率，結果如表1所示。從表1中可以看出，響應量值與系統的固有頻率和放大倍數有關。放大倍數不變情況下，固有頻率越高，響應量值越大，隔振效率就越小；固有頻率不變情況下，放大倍數越大，響應量值越大，隔振效率越小。考慮到耐久性要求問題，隔振系統在設計過程中，在滿足頻率要求時，放大倍數盡可能大一些，隔振效率盡可能的低一些，這樣能夠兼顧隔振器的使用壽命。選擇工況3的設計參數。

表1 隔振系統理論計算結果Table 1 Calculation results of vibration isolation system

注：隔振效率η=(1-輸出量值/輸入量值)×100%。

2.3 隔振裝置設計

隔振裝置的設計受設備安裝空間、連接形式限制，針對某火箭控制盒，設計了一套適合于機翼內小空間側掛安裝的隔振裝置，包含安裝架、耳片和隔振器，其中安裝架是L形，隔振器卡在耳片上，再通過專用螺釘固定到L形安裝架上從而形成隔振裝置，如圖3所示，最后將火箭控制盒與耳片連接。隔振裝置中核心部件是隔振器，考慮到設備的安裝與維護，將隔振器橡膠體設計為工字型結構，套筒從橡膠體中間穿過并與擋片連接，如圖4所示。

圖3 隔振裝置示意Fig.3 Vibration isolation system

圖4 隔振器示意Fig.4 Rubber isolator

2.3.1 隔振器剛度設計

根據表1工況3的參數可以計算得到單只隔振器的剛度為

(4)

橡膠隔振器的剛度與膠體的硬度、形狀因子及尺寸大小有關，但隔振器的結構外形和大小已確定，只能通過改變橡膠硬度獲得所需剛度。為此設計了一套專用的隔振器測試工裝，先將橡膠墊擠入安裝板中間孔中，使橡膠墊中間凹型部分剛好卡在安裝板中間，從橡膠墊中間穿入帶Φ4.1孔的T形套筒，在另一端加上圓形墊片作為橡膠墊測試組合件，將組合件用連個M4的螺栓固定到下夾具上，在從下夾具底部和組合件T形套筒的Φ4.1孔中穿入M4-20的螺栓，該螺栓與預先準備好的帶M4螺紋孔的加載桿連接，加載桿另一端通過螺母與上夾具連接，上下夾具分別固定到試驗機的臺面和加載橫梁上，載荷和位移由試驗機自帶的力傳感器和位移傳感器測量，形成橡膠隔振墊循環加載試驗系統，如圖5所示。

圖5 橡膠隔振器剛度試驗Fig.5 Stiffness test of rubber isolator

通過橡膠材料配方設計，獲得硬度分別為20HA、30HA、40HA和50HA的膠體(HA為邵氏硬度)，設計一套多模腔模具，在平板硫化機上通過熱硫化方法獲得橡膠隔振器，每種硬度4個試樣，編號分別問11#～14#，21#～24#，31#～34#，41#～44#，共16件，如圖6所示。

在WDW-500電子萬能試驗機上，采用位移控制法以1 mm/min速度加載，控制每個試樣壓縮0.5 mm，獲得不同硬度下隔振器的載荷位移曲線(圖7)，通過對載荷位移曲線擬合獲得每種硬度下隔振器的剛度，即當膠體硬度為20HA時隔振器的剛度為62.6 N/mm，當膠體硬度為30HA時隔振器的剛度為73.67 N/mm，當膠體硬度為40HA時，隔振器的剛度為118.7 N/mm，當膠體硬度為50HA時，隔振器的剛度為187.6 N/mm，由此可得到該隔振器橡膠硬度HA與剛度ks之間的關系為

圖6 橡膠隔振器試樣Fig.6 Specimens of rubber isolator

ks=0.042 2HA2+1.506 9HA,R2=0.976

(5)

那么由橡膠硬度HA與剛度ks的關系式可以得到當隔振器剛度為34.74 N/mm時，膠體硬度約為16HA。因此，再按照橡膠硬度為16HA重新進行配方設計，硫化制作試驗件進行剛度測試，得到靜壓載荷位移曲線(圖8)，此時橡膠隔振器的剛度為34.92 N/mm，與理論計算僅差0.5%，滿足設計要求。

圖7 載荷位移曲線Fig.7 Curve of force-displacement

圖8 硬度為16HA的靜壓載荷位移曲線Fig.8 Curve of force-displacement with hardness of 16HA

2.3.2 隔振器阻尼設計

橡膠產生阻尼是由于其具有黏彈性，使之在交變應力作用下產生滯后現象以及能量耗散。通過對橡膠隔振器施加循環載荷獲得遲滯回線，GB/T 15168—2013[13]針對隔振器的載荷-位移遲滯回線，給出了用橢圓中的彈性力和阻尼力計算損耗因子：

(6)

式(6)中：FD為阻尼力最大值，即位移為0時對應的載荷；FT為最大彈性力，發生在隔振器最大變形處。當系統共振時，損耗因子與阻尼比的關系為

η=2ξ

(7)

針對2.3.1節中不同硬度試樣，分別施加±0.5 mm的循環載荷，獲得不同硬度橡膠隔振器的遲滯回線，如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著膠體硬度增加，最大循環載荷增大；隨著膠體硬度增加，單次循環遲滯回線包絡面積更大，也就是能量耗散更多。根據式(7)可計算出：FD1=6.4,FT1=30.775,η1=0.208，ξ1=0.104；FD2=9.525,FT2=40.6,η2=0.235，ξ2=0.117；FD3=11.65,FT3=55.3,η3=0.211，ξ3=0.105；FD4=20.93,FT4=108.48,η4=0.193，ξ4=0.096；

即當膠體硬度為20HA時阻尼比為0.104；當膠體硬度為30HA時阻尼比為0.117；當膠體硬度為40HA時阻尼比為0.105；當膠體硬度為50HA時阻尼比為0.096。由此可知這四種材料的阻尼性能相當且與理論計算值0.102接近，重新設計硬度為16HA的配方經過試驗測試得阻尼比為0.105，滿足使用要求。

圖9 不同硬度下隔振器遲滯回線Fig.9 Hysteresis loop of vibration isolation with different hardness

3 振動試驗與分析

為了驗證設計的隔振裝置的隔振性能和耐久性，在UD電磁振動臺上搭建試驗系統，如圖10所示。控制盒的振動功能試驗按照圖1的譜線。試驗方法是每軸向先完成0.5 h的功能試驗，然后進行12.5 h的耐久試驗，最后進行0.5 h的功能試驗，由此證明耐久性試驗后系統的隔振性能是否滿足要求。

圖10 振動試驗系統Fig.10 Vibration test system

功能試驗結果如表2所示，耐久性試驗結果如表3所示，圖11為隔振器軸向試驗曲線。由表2可知，隔振器的軸向一階頻率為35.0 Hz，放大倍數為9.51；隔振器軸向二階頻率為75 Hz，此時系統的響應為4.52 grms，隔振效率為64.44%。由圖11可知，在隔振器軸向出現兩個峰值是因為控制盒的側掛特殊安裝方式，在垂向的支撐是兩根懸臂梁，且懸臂梁的頻率較低，也就是測得一階頻率，而隔振器的頻率設計為80 Hz，二者相差較遠，導致在振動響應測試中得到了兩個峰值曲線。

耐久試驗前后，隔振系統三個軸向的固有頻率均有所降低，X向的放大倍數有所增加，而Y向和Z向的放大倍數均減小了；耐久試驗前0.5 h功能試驗，隔振系統的效率最低為49.87%，耐久試驗后0.5 h隔振系統的效率最低為59.65%，隔振器結構完整，沒有出現任何損傷，表明隔振器在耐久試驗后仍具有良好的隔振性能。

表2 耐久試驗前后功能試驗結果Table 2 Results of vibration function test before and after durability test

表3 耐久試驗結果Table 3 Results of durability test

RMS為加速度在整個頻率段內的均方根圖11 隔振系統的響應及傳遞率曲線Fig.11 Curves of response and transmission coefficient of the vibration isolation system

4 結論

根據某火箭控制盒的隔振要求，通過理論計算并設計了一套隔振裝置，對隔振器的剛度和阻尼進行了詳細設計，獲得了隔振器剛度與膠體硬度的關系曲線，并用該曲線預測理論計算剛度所需的膠體，通過試驗驗證了由此獲得隔振器的剛度與理論計算值誤差為0.5%；通過對設計隔振器進行遲滯回線測試，得到了隔振器的阻尼損耗因子，進而計算了隔振器的阻尼比，對比發現幾種隔振器的阻尼損耗因子都維持在相同的水平。最后對設計的隔振裝置進行振動試驗性能檢查和耐久性壽命考核，通過振動試驗結果分析發現設計的隔振器可以滿足某控制盒的隔振設計要求。