儀表板振動問題淺析

王春輝

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

飛行器執(zhí)行飛行任務(wù)時，在特定工況下氣動力影響機(jī)體導(dǎo)致儀表板振動過大，影響駕駛員行駛安全及使用舒適性，本文通過對儀表板振動問題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)僅在特定工況下、低頻環(huán)境下出現(xiàn)過度振動，原有減振設(shè)備無法抵消隔振。在不改變機(jī)上現(xiàn)有設(shè)備情況下，以結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的形式兼顧人機(jī)功效及減振效果，從重量最輕化并兼顧維護(hù)性角度設(shè)計一種便捷的儀表板減振加強(qiáng)方案。實現(xiàn)儀表板振動問題的控制，保證儀表板上安裝設(shè)備的正常使用，為駕駛員提供正常的機(jī)上數(shù)據(jù)，保證全工況下的飛行安全。

1.概述

1.1 視界要求

儀表板是指位于駕駛員視野內(nèi)，用于安裝儀表、電子顯示器以及控制裝置、燈光信號裝置的板件，儀表板面一般應(yīng)垂直于駕駛員的正常視線，與正常視線的夾角不應(yīng)小于45°，為駕駛員提供良好閱讀數(shù)據(jù)體驗，視界示意如圖1所示。儀表板振動過大，導(dǎo)致設(shè)備儀表晃動，影響駕駛員讀取設(shè)備儀表，也會影響設(shè)備的使用壽命。

圖1 視界示意

1.2 其他要求

根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]中要求：儀表板板件應(yīng)有足夠的剛度。薄板式儀表板板件四周應(yīng)有連續(xù)的加強(qiáng)邊或框架，必要時，在開孔薄弱部位應(yīng)給以加強(qiáng)。儀表板允許的最大過載應(yīng)小于儀表允許的過載值。

根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]中規(guī)定：在垂直于空勤組成員視線的任何方向上，空勤組位置處的顯示器、儀表和武器瞄準(zhǔn)設(shè)備的振動水平應(yīng)符合下述規(guī)定：

Ⅰ區(qū)：振動水平不應(yīng)超過0.38mm的位移峰峰值。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中要求：有減震的儀表板諧振頻率不應(yīng)小于12Hz。安裝在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的減震器支架應(yīng)具有足夠的剛度，安裝減震器支架的飛機(jī)結(jié)構(gòu)部位應(yīng)具有足夠的剛度。

中國民用航空規(guī)章關(guān)于文獻(xiàn)[4]中布局和可見度（f）條款規(guī)定：

儀表板的振動不得破壞或降低任何儀表的判讀性和精度。

根據(jù)以上航標(biāo)及國軍標(biāo)的要求，航空儀表不僅需滿足強(qiáng)度要求，還需控制儀表板振動水平以達(dá)到一種適航穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 結(jié)構(gòu)形式

儀表板作為設(shè)備承載結(jié)構(gòu)件，在外界或機(jī)內(nèi)激振力作用下會造成儀表板過渡振動，影響駕駛員形式舒適性及安全性，圖2為一種典型儀表板結(jié)構(gòu)形式。本文提出一種兼顧人機(jī)功效及使用維護(hù)性的加強(qiáng)方案，使儀表板振動水平達(dá)到可接受范圍。

圖2 儀表板結(jié)構(gòu)示意

儀表板為整體金屬面板，根據(jù)使用需要對設(shè)備安裝進(jìn)行更改。儀表板通過支撐架安裝在地板上，正常情況下會根據(jù)振動情況配置減振措施，包括減振墊、配置質(zhì)量塊、阻尼器等。本文主要討論的是設(shè)計后期，對特定工況下出現(xiàn)的振動問題的臨時處理方案。

2.振動處理

2.1 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

降低儀表板振動，從設(shè)計之初就應(yīng)考慮，首先分析可能面臨的工況載荷，結(jié)合整體的振動環(huán)境，即會對振動影響較大的激振力采取合理布置質(zhì)量塊，改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，避開整體的激振頻率。另外，在儀表板與支撐結(jié)構(gòu)之間布置減振器、阻尼器等設(shè)備來隔離振動。對于后期由于使用工況改變、改裝等問題引起的振動過大，通過結(jié)構(gòu)改裝加強(qiáng)的形式實現(xiàn)振動控制，具體如圖3所示，通過在儀表板與機(jī)體之間增加加強(qiáng)件，實現(xiàn)橫向連接，增加橫向剛度以控制其振動。

圖3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式

儀表板通過加強(qiáng)件與機(jī)體結(jié)構(gòu)相連接，加強(qiáng)件一端通過緊固件與儀表板連接，另一端通過加強(qiáng)件與機(jī)體連接，兩側(cè)均有布置。

加強(qiáng)件均為鋁制機(jī)加件，結(jié)構(gòu)形式簡單，傳力通路順暢，在生產(chǎn)與安裝上均無問題。

加強(qiáng)件之間連接為通用連接，無特制件，使用方便，維護(hù)便捷，滿足設(shè)備的使用維護(hù)需求。

2.2 人機(jī)功效

根據(jù)中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規(guī)定關(guān)于文獻(xiàn)[4]第773條要求，結(jié)合外視野評估參數(shù)模型，以設(shè)計眼位為基準(zhǔn)，對駕駛艙加裝加強(qiáng)件對外視野的影響進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 視野分析

灰色部分為外視野被遮擋部分，白色部分為風(fēng)擋區(qū)域，紅色框線為中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規(guī)定關(guān)于文獻(xiàn)[4]第773條要求所規(guī)定的外視野標(biāo)準(zhǔn)范圍，黃色區(qū)域為加強(qiáng)件遮擋區(qū)域，遮擋駕駛艙下風(fēng)擋玻璃視野0.036m2，遮擋區(qū)域較小，對正駕駛正前方風(fēng)擋右側(cè)下邊緣視野造成0.004m2的遮擋，遮擋區(qū)域較小，也能從其他位置獲得補償視野。從視野上看該方案會對駕駛員的飛行視野造成一定的影響。

在CATIA模塊中，對駕駛艙腿部活動空間進(jìn)行虛擬仿真分析，虛擬假人采用中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規(guī)定關(guān)于文獻(xiàn)[4]第777條要求的高大身材尺寸，參考文獻(xiàn)[5]所繪制的正常坐姿下小腿、膝蓋活動空間，加強(qiáng)件與儀表板連接的一小部分在小腿、膝蓋活動空間前極限邊緣，可能對身材較大的飛行員膝蓋向前極限位時造成阻礙，其他部位對腿部活動空間無影響，按照正常人身形來說，該種方案是一種可接受的應(yīng)急處理方案。

綜上可知，該種加強(qiáng)形式對駕駛員的視野及腿部空間影響較小，視野也可通過駕駛員調(diào)整位置獲得一定補充視野，不會影響飛行安全，該種形式的加強(qiáng)件布置是在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的布置，屬于后期故障處理臨時措施，在空間布置上受到的限制較多，因此在處理上存在一定的取舍，在較好地滿足總體使用要求下，該方案為一種可接受的最簡便的處理方式。

2.3 動力學(xué)分析

儀表板本身的安裝形式，保證了其X、Z向的剛度，但側(cè)向穩(wěn)定差，在外界激振力作用下，側(cè)向擺動過大，故本文結(jié)構(gòu)加強(qiáng)主要是提高側(cè)向剛度。

為提高儀表板側(cè)向一階安裝頻率，增加加強(qiáng)件，一端與儀表板連接，另一端與機(jī)體連接，通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來提高儀表板側(cè)向約束剛度。具體動力學(xué)分析如圖5所示。

圖5 儀表板加強(qiáng)一階頻率

針對加強(qiáng)方案，利用有限元模型進(jìn)行動力學(xué)計算，結(jié)果表明儀表板側(cè)向一階安裝頻率為8.39Hz，避開機(jī)體頻率超過22%，能夠滿足動力學(xué)設(shè)計要求，對降低儀表板振動能夠產(chǎn)生較好的效果，機(jī)體兩側(cè)均布置該種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠有效地解決特定工況下的過度振動問題。

2.4 強(qiáng)度分析

未進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)前儀表板組件結(jié)構(gòu)，本身符合靜強(qiáng)度，強(qiáng)度設(shè)計主要考慮慣性載荷，根據(jù)中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規(guī)定關(guān)于文獻(xiàn)[4]第561條（b）3規(guī)定：

當(dāng)經(jīng)受下列相對周圍結(jié)構(gòu)的極限慣性載荷系數(shù)時，應(yīng)約束住每個乘員和座艙內(nèi)可能傷害乘員的每個質(zhì)量項目：

（1）向上4g；

（2）向上16g；

（3）側(cè)向8g；

（4）向下20g，在預(yù)期的座椅裝置位移之后；

（5）向后1.5g。

儀表板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，通過常用的剛性連接加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與儀表板通過鉚釘連接，整體靜強(qiáng)度滿足使用要求。

圖6 剛性連接示意

3.總結(jié)

儀表板作為設(shè)備儀表的承載機(jī)構(gòu)，在發(fā)生過度振動時會造成儀表晃動，駕駛員無法順利讀取設(shè)備儀表數(shù)據(jù)，影響其判斷與操作，過度振動還會影響設(shè)備儀表的安裝使用壽命，對駕駛員使用安全造成不利影響。因此批產(chǎn)后發(fā)生過度振動時，通過對儀表板進(jìn)行簡單的加強(qiáng)件改裝，在兼顧人機(jī)功效及重量情況下能較好地解決這一問題，改善振動。