林 舒，楊 峻，焦玉亮，吳 狄

（中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所，上海 200241）

軍民兩用機(jī)載設(shè)備耐久振動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)比方法

林 舒，楊 峻，焦玉亮，吳 狄

（中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所，上海 200241）

提出了一種適用于軍民兩用機(jī)載設(shè)備耐久振動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)比方法，該方法通過(guò)量化指標(biāo)對(duì)軍民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)下的振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行考核，能夠?qū)崿F(xiàn)不同環(huán)境的試驗(yàn)嚴(yán)酷度評(píng)估。以直升機(jī)顯示器為例對(duì)該方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，結(jié)果表明無(wú)法通過(guò)對(duì)比方法完成試驗(yàn)。

試驗(yàn)對(duì)比；耐久振動(dòng)；軍民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)；顯示器

引言

振動(dòng)是引發(fā)電子設(shè)備故障的重要環(huán)境因素。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，航空機(jī)載設(shè)備有約52 %的故障是由環(huán)境因素引起的，其中振動(dòng)占到27 %[1]。因此，振動(dòng)試驗(yàn)一直作為機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性考核的重要項(xiàng)目。進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的目的就是測(cè)試設(shè)備能否承受壽命周期內(nèi)的振動(dòng)條件并正常工作，保障設(shè)備功能性能符合要求，同時(shí)通過(guò)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)早期發(fā)現(xiàn)和暴露設(shè)計(jì)、工藝問(wèn)題，從而提升研制水平，減少故障發(fā)生。

我國(guó)的許多機(jī)載設(shè)備有兼顧軍民兩用的需求。對(duì)于包括振動(dòng)試驗(yàn)在內(nèi)的諸多環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，軍民機(jī)載設(shè)備有著不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，因而深入探求不同標(biāo)準(zhǔn)下振動(dòng)試驗(yàn)間的區(qū)別和聯(lián)系無(wú)疑具有現(xiàn)實(shí)意義。一方面，通過(guò)多維度解析梳理標(biāo)準(zhǔn)差異，可以更精準(zhǔn)、有效地完成試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和改型；另一方面，充分利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，深度挖掘細(xì)則條目，可以優(yōu)化試驗(yàn)過(guò)程，避免重復(fù)、過(guò)度的試驗(yàn)。例如試驗(yàn)項(xiàng)中的耐久振動(dòng)，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，而且屬于破壞性試驗(yàn)，若能合理運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)比的方式完成試驗(yàn)，就能降低時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。據(jù)筆者了解，目前此領(lǐng)域的研究尚處空白，缺乏對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展的試驗(yàn)條件量化分析，更沒(méi)有形成系統(tǒng)的對(duì)比方法。本文提出了一種軍民兩用機(jī)載設(shè)備耐久振動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)比方法，并以直升機(jī)顯示器為應(yīng)用對(duì)象具體闡述了DO-160G和GJB 150A標(biāo)準(zhǔn)中耐久振動(dòng)試驗(yàn)的不同要求，對(duì)兩份標(biāo)準(zhǔn)下振動(dòng)試驗(yàn)的嚴(yán)苛程度進(jìn)行了分析。該方法能有效支撐型號(hào)項(xiàng)目試驗(yàn)的開(kāi)展，并具備一定的推廣意義。

1 對(duì)比方法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比前需要考慮以下幾方面因素：

1）設(shè)備的動(dòng)態(tài)相似性，如設(shè)備的重心位置、機(jī)箱的材料和結(jié)構(gòu)、PCB的尺寸質(zhì)量和安裝方式、緊固件的選擇和安裝等；

表1 DO-160G與GJB 150A振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比

2）振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境，如振動(dòng)的類型、頻率范圍、強(qiáng)度、疲勞損傷等；

3）試驗(yàn)的檢測(cè)項(xiàng)目。

本文假定軍民兩用設(shè)備在設(shè)備的動(dòng)態(tài)相似性和試驗(yàn)的檢測(cè)項(xiàng)目方面都相同，對(duì)比只考慮振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境方面的影響，主要也就是軍機(jī)和民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求的差異。目前，軍機(jī)機(jī)載設(shè)備主要依據(jù)的振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是GJB 150A，民機(jī)則依據(jù)DO-160G標(biāo)準(zhǔn)。兩份標(biāo)準(zhǔn)在振動(dòng)試驗(yàn)部分的規(guī)定有較大差別，表1是兩份標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)要求對(duì)比[2-4]。

設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境是由振動(dòng)譜定義的，振動(dòng)譜從頻域上描述振動(dòng)的強(qiáng)度和頻率的關(guān)系，其形態(tài)由試驗(yàn)的振動(dòng)方式與振動(dòng)參數(shù)決定。

根據(jù)施加的振動(dòng)載荷的不同，振動(dòng)方式可以分為正弦振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)兩種基本類型。兩份標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)振動(dòng)方式的要求都是依據(jù)產(chǎn)品的分類制定的。

振動(dòng)參數(shù)反映的是振動(dòng)的頻率和劇烈程度，兩份軍民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了少量的振動(dòng)參數(shù)，大部分參數(shù)由主機(jī)提供的數(shù)值或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公式計(jì)算得到。

本文提出的對(duì)比方法基本步驟如下：

1）根據(jù)分類原則初步確定設(shè)備的試驗(yàn)振動(dòng)譜形式（振動(dòng)方式與部分振動(dòng)參數(shù)）；

2）根據(jù)主機(jī)提供的參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公式計(jì)算所得振動(dòng)參數(shù)，補(bǔ)充完善振動(dòng)譜；

3）對(duì)振動(dòng)譜進(jìn)行嚴(yán)酷度評(píng)估并最終得到對(duì)比分析結(jié)論。

上述第三步是對(duì)比分析的關(guān)鍵，由于嚴(yán)酷度和振動(dòng)方式有關(guān)，下面將分別討論正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的嚴(yán)酷度評(píng)估方案。方案中評(píng)估參數(shù)選取的原則是基于振動(dòng)環(huán)境誘發(fā)設(shè)備破壞的機(jī)理。振動(dòng)環(huán)境對(duì)設(shè)備造成的不同破壞形式分為兩類：一是引發(fā)設(shè)備在外激振動(dòng)頻率下產(chǎn)生振動(dòng)，響應(yīng)幅值超過(guò)設(shè)備的耐受極限造成破壞的；二是造成設(shè)備疲勞損害的，即在長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)應(yīng)力作用下，設(shè)備及元器件、零部件因疲勞過(guò)度而導(dǎo)致?lián)p壞。

1）正弦振動(dòng)嚴(yán)酷度評(píng)估

正弦振動(dòng)是實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法，用于模擬旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、震蕩所產(chǎn)生的振動(dòng)。對(duì)于周期固定的正弦振動(dòng)，其在振動(dòng)譜上表現(xiàn)為一條垂直于橫軸的直線，振動(dòng)的強(qiáng)度用正弦加速度幅值衡量[5]。正弦振動(dòng)的主要參數(shù)有頻率值、加速度幅值和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。本文采用的正弦振動(dòng)嚴(yán)酷度評(píng)估參數(shù)包括頻率值、加速度幅值和疲勞損傷度。

設(shè)備的疲勞損傷與振動(dòng)量級(jí)和時(shí)間息息相關(guān)。一般在振動(dòng)量級(jí)相等的情況下可以直接通過(guò)振動(dòng)時(shí)間來(lái)衡量；當(dāng)振動(dòng)量級(jí)不等時(shí)，就不能簡(jiǎn)單地以時(shí)間長(zhǎng)短判定疲勞損傷度。查閱GJB 150A附錄后發(fā)現(xiàn)，可以用簡(jiǎn)化的疲勞關(guān)系來(lái)確定最大使用量級(jí)。式（1）可用于確定不同正弦振動(dòng)環(huán)境下的疲勞等價(jià)關(guān)系：

其中，g0表示規(guī)定的正弦振動(dòng)量值（峰值加速度），g1表示施加的正弦振動(dòng)量值（峰值加速度），T0表示規(guī)定的時(shí)間，T1表示施加的時(shí)間。

2）隨機(jī)振動(dòng)嚴(yán)酷度評(píng)估

隨機(jī)振動(dòng)用于模擬產(chǎn)品整體性結(jié)構(gòu)耐震強(qiáng)度評(píng)估以及在包裝狀態(tài)下的運(yùn)送環(huán)境。隨機(jī)振動(dòng)在振動(dòng)譜上表現(xiàn)為振動(dòng)強(qiáng)度隨頻率變化的曲線，即加速度譜密度曲線（ASD）/功率譜密度曲線（PSD），振動(dòng)的強(qiáng)度用加速度譜密度衡量[6]。隨機(jī)振動(dòng)的主要參數(shù)有頻率范圍、加速度譜密度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間和軸向。本文采用的隨機(jī)振動(dòng)嚴(yán)酷度評(píng)估參數(shù)包括頻率范圍、均方值加速度水平和疲勞損傷度。

對(duì)于相同標(biāo)準(zhǔn)下的隨機(jī)振動(dòng)譜，可以直觀地比較振動(dòng)量級(jí)，但是對(duì)于兩種譜線的振動(dòng)量級(jí)判定，則需要引入量化標(biāo)準(zhǔn)GRMS，即均方值加速度水平。該參數(shù)通過(guò)計(jì)算一定頻率范圍內(nèi)的功率譜密度，表征振動(dòng)能量的強(qiáng)弱。

均方值加速度水平可以通過(guò)計(jì)算譜密度曲線所圍的面積的方根得到，見(jiàn)式（2）[7]：

式中，A表示面積，fa，fb分別代表起始頻率和截止頻率，P( f )為譜密度函數(shù)。

均方值加速度水平可由式（3）得到[7]：

與正弦振動(dòng)疲勞等價(jià)關(guān)系相似，式（4）可用于確定不同隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的疲勞等價(jià)關(guān)系：

其中，W0表示規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)量值（加速度譜密度），W1表示施加的隨機(jī)振動(dòng)量值（加速度譜密度），T0表示規(guī)定的時(shí)間，T1表示施加的時(shí)間。

本文以衡量隨機(jī)振動(dòng)的疲勞損傷度。

2 應(yīng)用

下文將以實(shí)際的用例闡述振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比方法的應(yīng)用。

A型直升機(jī)和B型直升機(jī)分別是同一平臺(tái)的民用和軍貿(mào)直升機(jī)，B型直升機(jī)顯示器沿用自A型直升機(jī)顯示器。A型直升機(jī)顯示器已按照DO-160G標(biāo)準(zhǔn)做了耐久振動(dòng)試驗(yàn)，出于時(shí)間、成本和相關(guān)條件等因素考慮，需要確定B型直升機(jī)顯示器是否能用對(duì)比分析的方式完成GJB 150A要求的耐久振動(dòng)試驗(yàn)。由于兩種顯示器的硬件狀態(tài)和試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目都相同，只需考慮兩者的振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境。

1）根據(jù)對(duì)比方法的第一步，由設(shè)備的安裝機(jī)型和位置確定試驗(yàn)的振動(dòng)譜形式。

A型直升機(jī)顯示器所用的試驗(yàn)參考譜形屬于DO-160G中描述的R類直升機(jī)2/G類設(shè)備（安裝于儀表盤，控制臺(tái)和設(shè)備架）的加速度譜密度曲線，B型直升機(jī)顯示器所用的試驗(yàn)參考譜形屬于GJB 150A中描述第14類-旋翼飛機(jī)-直升機(jī)的加速度譜密度曲線。

2）根據(jù)對(duì)比方法的第二步，得到完整的振動(dòng)譜。

由主機(jī)下發(fā)的全機(jī)環(huán)境技術(shù)要求中所提供的參數(shù)值并參考標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)換算公式，可以得出參考譜形中的各項(xiàng)參數(shù)取值，如表2所列。圖1是最終得到的兩種標(biāo)準(zhǔn)下規(guī)定的耐久振動(dòng)頻譜圖，圖中曲線1代表依據(jù)GJB 150A得到的振動(dòng)譜，曲線2代表依據(jù)DO-160G得到的振動(dòng)譜。

3）根據(jù)對(duì)比方法第三步，對(duì)振動(dòng)譜進(jìn)行嚴(yán)酷度評(píng)估。

由圖1和表2可以初步推斷：

①曲線2的隨機(jī)振動(dòng)譜頻率范圍比曲線1的大。

②曲線2的部分正弦振動(dòng)譜f1、f2的頻率與曲線1一致，且其加速度幅值大于曲線1的相應(yīng)振動(dòng)譜f1、f2。

現(xiàn)進(jìn)一步對(duì)寬帶隨機(jī)條件（隨機(jī)振動(dòng)）和疊加條件（正弦振動(dòng)）的嚴(yán)酷度展開(kāi)分析。

隨機(jī)振動(dòng)均方值加速度水平：由于譜密度曲線采用的是雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，對(duì)于正斜率或負(fù)斜率段，式（2）可轉(zhuǎn)化為式（5）或（6）：

表2 顯示器振動(dòng)條件對(duì)照表（GJB 150A & DO-160G）

圖1 顯示器振動(dòng)譜對(duì)比（GJB 150A & DO-160G）

式中，Pa，Pb分別代表起始頻率和截止頻率對(duì)應(yīng)的譜密度，S表示曲線斜率（dB/oct）。

對(duì)于平頂線段（S=0）下的面積，有：

結(jié)合振動(dòng)譜參數(shù)與式（3）、（5）～（7）式可得，GRMS1=1.79 G，GRMS2=3.89 G。 即曲線2比曲線1的隨機(jī)振動(dòng)總能量大。

隨機(jī)振動(dòng)疲勞損傷度：由于曲線1和曲線2形態(tài)不同，無(wú)法直接套用式（4）計(jì)算。本文采用一種頻率分段的方法進(jìn)行計(jì)算，可以證明JS1≤JS2，也就是：

式中，P1，T1分別代表曲線1的譜密度和振動(dòng)時(shí)間，P2，T2分別代表曲線2的譜密度和振動(dòng)時(shí)間。

當(dāng)10≤f≤100時(shí)，

當(dāng)300≤f≤500時(shí)，首先根據(jù)解析幾何關(guān)系可知：

繼而得出：

符合式（8），

綜合可得：曲線2的隨機(jī)振動(dòng)嚴(yán)酷度比曲線1的隨機(jī)振動(dòng)嚴(yán)酷度高。

考核正弦振動(dòng)，曲線2的f3和f4振幅強(qiáng)度為零（A3=A4=0）。探究原因發(fā)現(xiàn)DO-160G中對(duì)安裝在直升機(jī)儀表盤，控制臺(tái)和設(shè)備架的產(chǎn)品，只要求考慮主轉(zhuǎn)子頻率與葉片數(shù)乘積的一次和二次諧波，即f1和f2；GJB 150A中對(duì)安裝在主旋翼影響區(qū)域的產(chǎn)品，要求考慮主槳的一至四階通過(guò)頻率，即f1～f4。為探尋原因，筆者曾聯(lián)系有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究人員，得到的答復(fù)是民機(jī)考慮到儀表板的減震作用，忽略了f3和f4的影響，而軍機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行方面遠(yuǎn)比民機(jī)復(fù)雜，對(duì)振動(dòng)環(huán)境條件有著更多的約束。因而曲線2與曲線1的正弦振動(dòng)嚴(yán)酷度不能直接比較。

接下來(lái)對(duì)正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的等效可能性進(jìn)行分析。GJB 150A指出，“正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的特征是基于兩種數(shù)學(xué)理論。為比較給定的隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)對(duì)裝備產(chǎn)生的環(huán)境效果，應(yīng)詳細(xì)了解裝備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通用的等效關(guān)系是不可行的”。任錦勝等人在文獻(xiàn)中指出正弦和隨機(jī)不存在嚴(yán)格等效關(guān)系但在積累疲勞損傷領(lǐng)域正弦和隨機(jī)具有明確的等效性，并針對(duì)列車空調(diào)耐久性提出了隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)嚴(yán)酷度可通過(guò)等效性計(jì)算比較的觀點(diǎn)[8]。筆者認(rèn)為，任錦勝等人提出的方法有一定的適用性，但依賴于產(chǎn)品材料S-N曲線，其數(shù)學(xué)模型參數(shù)需由疲勞試驗(yàn)決定，所以不適合作為本文中等效分析的依據(jù)。至于機(jī)載設(shè)備領(lǐng)域，尚未發(fā)現(xiàn)有對(duì)正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的等效轉(zhuǎn)化的論述。因此無(wú)法證明曲線2的正弦振動(dòng)嚴(yán)酷度強(qiáng)于曲線1的正弦振動(dòng)嚴(yán)酷度。

綜上所述，結(jié)合隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)條件對(duì)比，A型直升機(jī)顯示器的振動(dòng)環(huán)境不能完全覆蓋B型直升機(jī)顯示器的振動(dòng)環(huán)境（嚴(yán)酷度不同），所以無(wú)法通過(guò)對(duì)比分析的方式完成耐久振動(dòng)試驗(yàn)。

3 總結(jié)

本文針對(duì)軍民機(jī)機(jī)載設(shè)備試驗(yàn)要求不同的背景，提出了一種軍民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)下耐久振動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)比方法，并詳細(xì)論述了不同振動(dòng)方式的嚴(yán)酷度評(píng)估方案。文中以B型直升機(jī)顯示器和A型直升機(jī)顯示器為例，應(yīng)用對(duì)比方法分析了兩者耐久振動(dòng)試驗(yàn)的可比性，著重評(píng)估了兩者的試驗(yàn)嚴(yán)酷度。在考核隨機(jī) 振動(dòng)疲勞損傷度時(shí)，采用了一種分段計(jì)算等效轉(zhuǎn)換的方法，可以用于不同譜型（可以是量級(jí)、頻率范圍都不同）間的比較。結(jié)果表明，A型直升機(jī)顯示器的隨機(jī)振動(dòng)要求能夠覆蓋B型直升機(jī)顯示器的隨機(jī)振動(dòng)要求，但由于兩者的正弦振動(dòng)要求存在差別，所以總的振動(dòng)環(huán)境不同，無(wú)法使用對(duì)比分析完成耐久振動(dòng)試驗(yàn)。

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林舒（1988.11-），男，浙江湖州人，工程師，碩士研究生畢業(yè)，研究方向：直升機(jī)航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

A Comparison Method for Endurance Vibration Test Applicable to Military and Civil Airborne Equipment

LIN Shu, YANG Jun, JIAO Yu-liang, WU Di
(China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200241)

A comparison method applicable to military and civil airborne equipment’s endurance vibration is proposed.Using quantitative indicators, the method can be used to evaluate the severities of different vibration environments compliant to military and civil aircraft standards.A vibration test for a helicopter display is provided as an example to illustrate the method.The result shows that the test via comparison is not feasible.

test comparison; endurance vibration; military and civil aircraft standards; display

V216.2

A

1004-7204（2016）05-0028-05