(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088;2.國家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心(中電38所)，安徽 合肥 230088)

0 引言

頻綜器作為機(jī)載雷達(dá)的參考時(shí)鐘，其性能的好壞與整個(gè)雷達(dá)的性能相關(guān)[1]。為了提高雷達(dá)的探測(cè)精度，增強(qiáng)雷達(dá)在強(qiáng)干擾環(huán)境下檢測(cè)弱信號(hào)的能力，要求頻綜器具有較好的頻率穩(wěn)定度和疲勞耐久性。某機(jī)載雷達(dá)頻綜器，在其原有設(shè)計(jì)方案中，為了追求最佳的隔振效率，保證頻綜器低相噪、高穩(wěn)定性的要求，采用了2個(gè)鋼絲繩隔振器進(jìn)行隔振。在對(duì)頻綜器進(jìn)行摸底試驗(yàn)時(shí)，雖然該減振設(shè)計(jì)方案減振效果較好，電訊指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，但在試驗(yàn)過程中發(fā)生了隔振器鋼絲繩破斷故障，并且在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采取了2種替代的隔振方案均未能解決隔振器失效的問題。針對(duì)隔振器自身的結(jié)構(gòu)耐久性能不能滿足使用要求的問題，開展某機(jī)載雷達(dá)頻綜器隔振優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以獲取一種最佳的隔振設(shè)計(jì)方案，使其同時(shí)滿足電訊性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)疲勞耐久性要求。

1 頻綜器減振原理

通常在靜態(tài)環(huán)境下，頻綜器具有較好的性能，具有低相噪、低雜散和快捷變頻的特性，但是在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，這些指標(biāo)將會(huì)急劇惡化，這是一個(gè)典型的機(jī)電耦合問題。一方面，頻綜器中包含晶振、時(shí)鐘本振等電子元器件，其對(duì)振動(dòng)尤為敏感，微小的振動(dòng)將導(dǎo)致性能指標(biāo)的下降[2- 3]；另一方面，動(dòng)態(tài)環(huán)境下，過大的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)造成設(shè)備的強(qiáng)度破壞和疲勞破壞[4]。

然而對(duì)于機(jī)載雷達(dá)，在飛機(jī)起飛、降落及飛行過程中會(huì)受到從飛機(jī)平臺(tái)傳遞來的振動(dòng)和沖擊，過大的振動(dòng)或沖擊將直接影響頻綜器的性能，這將會(huì)極大地降低雷達(dá)的探測(cè)距離和精度，甚至導(dǎo)致其無法正常工作。為了確保機(jī)載雷達(dá)在飛行過程所經(jīng)歷的各類振動(dòng)環(huán)境中，最可靠、最充分地發(fā)揮其設(shè)計(jì)性能，需要對(duì)頻綜器等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行減振一般有如下幾個(gè)方法：從優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行減振設(shè)計(jì)；安裝阻尼器，增加系統(tǒng)阻尼來減小系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)；安裝吸振器，將電子設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)移到吸振器的振子上；安裝隔振器，將電子設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行隔離，以減小傳遞到電子設(shè)備的振動(dòng)等。優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)形式的方式，通常需要在設(shè)計(jì)前期就介入，采用數(shù)值模擬等方法基于最優(yōu)傳力路徑對(duì)電子結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化[5- 6]，盡量提高設(shè)備的固有頻率，并且使設(shè)備的固有頻率避開不利頻段，如振動(dòng)輸入譜線的窄帶頻段；增加阻尼降低系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，通?？梢圆捎靡恍┐笞枘岵牧线M(jìn)行設(shè)計(jì)、涂覆阻尼涂層、安裝阻尼器的方式來進(jìn)行[7- 8]；安裝吸振器的方法是在電子設(shè)備上附加一定的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，將電子設(shè)備的振動(dòng)轉(zhuǎn)移到吸振器的振子上，這種方式不需要對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行更改，但會(huì)增加附加重量[9]；安裝隔振器的方式進(jìn)行減振是在電子設(shè)備和安裝平臺(tái)之間串聯(lián)隔振器，將電子設(shè)備與安裝平臺(tái)進(jìn)行隔離，從而減小平臺(tái)與電子設(shè)備之間的振動(dòng)傳遞，對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備來說，通常是減小機(jī)載平臺(tái)傳遞到電子設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)。鑒于實(shí)施簡(jiǎn)單、減振效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，安裝隔振器的方式進(jìn)行減振受到了設(shè)計(jì)師的廣泛青睞，特別是在機(jī)載電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛[10- 12]。隔振器的種類繁多，但是在機(jī)載電子設(shè)備的減振設(shè)計(jì)中，為了適應(yīng)機(jī)載惡劣環(huán)境下對(duì)其耐久性、腐蝕性和無源等要求，通常采用金屬橡膠隔振器和鋼絲繩隔振器等被動(dòng)隔振器。

2 某機(jī)載雷達(dá)頻綜器及原減振設(shè)計(jì)方案

2.1 頻綜器結(jié)構(gòu)與減振方案

如圖1a所示，某機(jī)載頻綜器為立方體結(jié)構(gòu)，由時(shí)鐘本振和晶體振蕩器構(gòu)成，其尺寸為200 mm×125 mm×58 mm，總重量為1.3 kg。受天線內(nèi)部安裝空間的限制，頻綜器采用壁掛式安裝方式。在前期方案中，為了對(duì)頻綜器進(jìn)行減振，采用某廠家生產(chǎn)的2個(gè)GG- 18A型鋼絲繩隔振器(如圖1b所示)，并且隔振器的安裝方式為上下平行且水平布置。GG- 18A型隔振器的樣本參數(shù)如表1所示。

圖1 某機(jī)載頻綜器及其原始減振設(shè)計(jì)方案

表1 某廠家生產(chǎn)的鋼絲繩隔振器樣本參數(shù)

2.2 原減振方案試驗(yàn)驗(yàn)證情況

為了驗(yàn)證該機(jī)載頻綜器減振設(shè)計(jì)方案的可行性，對(duì)其進(jìn)行了摸底性試驗(yàn)。摸底試驗(yàn)振動(dòng)量級(jí)為功能振動(dòng)試驗(yàn)量值，具體的振動(dòng)輸入功率譜曲線如圖2所示。

圖2 某機(jī)載頻綜器功能振動(dòng)輸入功率譜曲線

試驗(yàn)過程中頻綜器的相噪指標(biāo)表現(xiàn)良好。由于Z方向(垂直方向)振動(dòng)時(shí)頻綜器相噪特性相比其他2個(gè)方向較差，為不失一般性，這里給出Z方向振動(dòng)下某特定接口上相噪指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，具體見表2中原方案測(cè)試值所示。由相噪指標(biāo)測(cè)試顯示，原方案的動(dòng)態(tài)相噪均滿足指標(biāo)要求。

表2 幾種減振方案下頻綜器動(dòng)態(tài)相噪指標(biāo)值和耐久性能

雖然在試驗(yàn)過程中，頻綜器相噪指標(biāo)表現(xiàn)良好，但是在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)如下問題：振動(dòng)過程中，頻綜器低頻位移響應(yīng)很大，頻綜器晃動(dòng)非常明顯；隔振器上下安裝板之間偶爾會(huì)發(fā)生間歇性碰撞；振動(dòng)方向?yàn)閆向時(shí)，頻綜器振動(dòng)最為劇烈，并且在該方向振動(dòng)的第24 min，上端隔振器的鋼絲繩發(fā)生了疲勞破斷故障，如圖3所示?？梢娖浣Y(jié)構(gòu)的疲勞耐久性不能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 頻綜器隔振器的鋼絲繩發(fā)生疲勞破壞

2.3 現(xiàn)場(chǎng)處置情況和結(jié)果

隔振器斷裂故障發(fā)生之后，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)先后采用了2種替代方案進(jìn)行頻綜器的隔振。如圖4所示：現(xiàn)場(chǎng)替代方案Ⅰ為采用同尺寸的GG- 18C鋼絲繩隔振器替換GG- 18A鋼絲繩隔振器，GG18C隔振器相比GG18A隔振器具有較高的剛性，如表1所示；現(xiàn)場(chǎng)替代方案Ⅱ?yàn)椴捎门c原隔振器高度相同的4個(gè)GGZ- A型干摩擦金屬橡膠隔振器替代GG- 18鋼絲繩隔振器。

圖4 2種現(xiàn)場(chǎng)替代方案

2種替代方案下頻綜器的動(dòng)態(tài)相噪如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：采用替代方案Ⅰ，頻綜器的相噪指標(biāo)相比原方案略有惡化，但均在動(dòng)態(tài)指標(biāo)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并且能夠順利通過3個(gè)方向上的各1 h的功能振動(dòng)試驗(yàn)，但是沒有通過耐久性振動(dòng)試驗(yàn)的考核(耐久性振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)為功能振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)的1.6倍，試驗(yàn)時(shí)間為每個(gè)方向3 h)；采用替代方案Ⅱ，隔振器雖然通過了3個(gè)方向各3 h的耐久性振動(dòng)試驗(yàn)，但是頻綜器的動(dòng)態(tài)相噪指標(biāo)惡化明顯，不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

頻綜器的2種替代隔振方案的試驗(yàn)結(jié)果表明，隔振性能好，滿足頻綜器電訊指標(biāo)的隔振方案，其疲勞耐久性能不滿足使用要求；疲勞耐久性能滿足使用要求的隔振方案，其頻綜器指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求。

3 原減振方案缺陷分析

為了解決頻綜器隔振器破斷問題，需要對(duì)原減振設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，找出其薄弱和不合理的地方，并且在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出既能滿足疲勞耐久性要求，又能滿足頻綜器電性能設(shè)計(jì)要求的改進(jìn)型減振方案。

分析原設(shè)計(jì)方案中隔振器鋼絲繩破斷故障有以下幾種原因：

a.系統(tǒng)共振導(dǎo)致的低頻大位移振動(dòng)。隔振系統(tǒng)固有頻率與振動(dòng)試驗(yàn)輸入功率譜曲線的第1個(gè)窄帶峰值頻段相近。根據(jù)表1所示的隔振器樣本參數(shù)，并結(jié)合頻綜器的重量近似估算[13]，頻綜器與隔振器組成的隔振系統(tǒng)，其一階固有頻率約為18～29 Hz的范圍內(nèi)，這正好靠近振動(dòng)試驗(yàn)輸入功率譜曲線的第1個(gè)窄帶峰頻段(25～32 Hz)，這將引起系統(tǒng)明顯的振動(dòng)放大或者產(chǎn)生共振。這對(duì)鋼絲繩隔振器極為不利，因?yàn)榇笪灰茣?huì)導(dǎo)致隔振器結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生大的應(yīng)變，根據(jù)Miner累積疲勞理論的一般特性，這種大應(yīng)變帶來的疲勞損傷會(huì)消耗更多的疲勞壽命，可見這種低頻大位移振動(dòng)是導(dǎo)致疲勞破壞的主要原因。

b.無限位功能。鋼絲繩隔振器本身不具有限位功能，并且由于天線內(nèi)部安裝空間的限制，頻綜器結(jié)構(gòu)上也無限位設(shè)計(jì)。頻綜器在隨機(jī)振動(dòng)過程中，當(dāng)某時(shí)刻振動(dòng)位移超過隔振器上下安裝板之間的間距時(shí)，就會(huì)發(fā)生碰撞。

c.隔振器安裝方式不恰當(dāng)。鋼絲繩隔振器是由鋼絲繩螺旋繞制而成，并且最終靠平行于軸向的上下2個(gè)壓板固定成型。在壓板中間預(yù)留有圓孔，使鋼絲繩穿過。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于鋼絲繩的這種構(gòu)型，其在3個(gè)方向上的剛度和阻尼均不相同，另外由于鋼絲繩是穿過壓板中間的圓孔的，因此能夠釋放繞著圓孔軸向的自由度。這樣對(duì)于整個(gè)隔振器來說，沿著隔振器軸向上的力會(huì)被一定程度的釋放，并且軸向力主要帶來鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)；而另外2個(gè)方向上的力從結(jié)構(gòu)形式上是不能得到釋放的，是需要靠鋼絲繩根部(隔振器破斷的斷點(diǎn))直接承受。

如圖5所示，給出了隔振器軸向沿水平方向和軸向沿豎直方向2種不同安裝方式下，分別在3個(gè)方向上振動(dòng)時(shí)，鋼絲繩的受力情況簡(jiǎn)圖。

圖5 2種不同安裝方式下隔振器受力簡(jiǎn)圖

鋼絲繩隔振器軸向沿豎直方向安裝時(shí)，3個(gè)方向上的重力G和Z方向上的振動(dòng)力FZ均沿著隔振器軸向，這幾種力產(chǎn)生的位移，能夠在結(jié)構(gòu)形式上得到一定的釋放，不會(huì)給斷點(diǎn)位置帶來太大的負(fù)擔(dān)。斷點(diǎn)位置僅需要承擔(dān)FX和FY2個(gè)方向振動(dòng)力。

鋼絲繩隔振器軸向沿水平方向安裝時(shí)，僅有X方向上的振動(dòng)力FX是沿著隔振器軸向的，也就是僅有FX在結(jié)構(gòu)形式上得到釋放。然而3個(gè)方向上的重力G，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z均垂直于隔振器軸向，不能從結(jié)構(gòu)形式上得到釋放，需要靠斷點(diǎn)位置直接承擔(dān)。

基于以上分析，對(duì)于該頻綜器的這種壁掛式安裝方式，將鋼絲繩隔振器的軸向沿著豎直方向進(jìn)行安裝要明顯優(yōu)于沿著水平方向進(jìn)行安裝，而在原減振方案中，選擇了后者，這顯然不利于隔振器的抗疲勞和耐久。

4 減振設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)

在原方案缺陷分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行頻綜器隔振方案的優(yōu)化，在優(yōu)化過程中需要盡量減少對(duì)原有接口和安裝所需空間尺寸改動(dòng)。具體的優(yōu)化改進(jìn)方案如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后減振設(shè)計(jì)方案

在隔振器的型號(hào)選擇上，由于安裝空間的限制繼續(xù)采用鋼絲繩隔振，將隔振器的型號(hào)調(diào)整為GG- 18B。如表1所示，GG- 18B隔振器外形尺寸與GG- 18A相同，剛度介于GG- 18A和GG- 18C之間。結(jié)合頻綜器自重量，根據(jù)樣本參數(shù)近似估算系統(tǒng)固有頻率近似于40～65 Hz之間，能夠有效地避開振動(dòng)試驗(yàn)輸入功率譜曲線。

在隔振器布置方式上，將原方案中2個(gè)鋼絲繩隔振器上下平行并且水平安裝的方式，更改為2個(gè)鋼絲繩隔振器左右平行并且豎直安裝。這樣就使得隔振器軸向沿著水平方向改為軸向沿著豎直方向，有利于隔振器的疲勞耐久性。

在鋼絲繩隔振器內(nèi)部，在鋼絲繩上下底板上安裝3組防撞對(duì)，防撞對(duì)為小拱形彈簧片狀，上下防撞對(duì)之間保留了一定的空間。在正常振動(dòng)情況下，上下防撞對(duì)之間不會(huì)發(fā)生碰撞；當(dāng)發(fā)生沖擊或者異常振動(dòng)時(shí)，上下彈簧片之間才發(fā)生接觸和變形，以吸收沖擊和碰撞的能量，進(jìn)而避免頻綜器發(fā)生過大的撞擊。

5 試驗(yàn)評(píng)估

為了評(píng)估優(yōu)化后的隔振方案能否既滿足隔振器疲勞耐久性使用要求，又符合頻綜器動(dòng)態(tài)相噪指標(biāo)要求，對(duì)改進(jìn)后的頻綜器隔振方案進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。在試驗(yàn)中，為了引入比較，同時(shí)測(cè)試改進(jìn)方案和原方案2種隔振方案下，頻綜器的動(dòng)態(tài)相噪指標(biāo)、振動(dòng)響應(yīng)，及耐久性振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間。

5.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

如圖7所示，試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括2個(gè)部分：相噪測(cè)試系統(tǒng)和振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。相噪測(cè)試系統(tǒng)由頻綜器、電源和相噪測(cè)試儀組成；振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析儀、計(jì)算機(jī)、振動(dòng)臺(tái)及其功率放大器等組成。

圖7 振動(dòng)相噪試驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)

試驗(yàn)中，頻綜器通過隔振器安裝在試驗(yàn)夾具上，試驗(yàn)夾具再安裝在振動(dòng)臺(tái)上。2個(gè)加速度傳感器，一個(gè)作為控制傳感器C01安裝在隔振器與試驗(yàn)夾具連接位置附近的夾具上；另一個(gè)作為監(jiān)測(cè)傳感器M01安裝在頻綜器上。

5.2 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示，試驗(yàn)分為2個(gè)階段。第1階段，在功能試驗(yàn)量級(jí)下，分別對(duì)原隔振方案和改進(jìn)后的隔振方案的頻綜器動(dòng)態(tài)相噪值及振動(dòng)響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)試。考慮原方案中隔振器的疲勞耐久性問題，對(duì)原方案進(jìn)行相噪和振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試時(shí)，每個(gè)振動(dòng)方向均采用1組新的隔振器。第2個(gè)階段，為耐久性振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)下，測(cè)試2種隔振方案的耐久性時(shí)長(zhǎng)。具體的測(cè)試結(jié)果如表3和圖9所示，不失一般性，這里同樣給出Z方向上，頻綜器相噪值和振動(dòng)曲線的測(cè)試值。其中，表3為2種隔振方案下，頻綜器動(dòng)態(tài)相噪值；圖9為2種隔振方案下，頻綜器上監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線。

表3 改進(jìn)前后頻綜器動(dòng)態(tài)相噪值對(duì)比

圖8 試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖9 改進(jìn)前后頻綜器振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

由圖9所示頻綜器振動(dòng)響應(yīng)曲線可見，相比輸入曲線，2種方案下頻綜器振動(dòng)響應(yīng)曲線大體相當(dāng)，在低頻段對(duì)振動(dòng)均有一定的放大作用，在高頻段對(duì)振動(dòng)均有明顯的衰減作用。改進(jìn)方案相比原方案，起始隔振頻率由51 Hz升高到82 Hz，這是因?yàn)楦倪M(jìn)方案中采用了GG- 18Y隔振器，其剛度要大于原方案中GG- 18的緣故。雖然起始隔振頻率有所增加，但是改進(jìn)方案在低頻段對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的放大作用要明顯小于原方案。這一點(diǎn)對(duì)隔振器的疲勞耐久性具有明顯的作用，因?yàn)槠谄茐牡闹饕獡p傷來自于低頻大位移振動(dòng)。改進(jìn)方案的整體振動(dòng)均方根值為3.56g，相比原方案的3.24g，增加了0.32g，增加不明顯，但是改進(jìn)方案的振動(dòng)響應(yīng)曲線較原方案更加平滑，這說明新方案振動(dòng)響應(yīng)更加趨于一種較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并且振動(dòng)過程中突發(fā)的沖擊較小。

從2種隔振方案下頻綜器相噪值比較可見，2種隔振方案下，頻綜器的動(dòng)態(tài)相噪指標(biāo)值均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并且改進(jìn)方案下相噪值要略優(yōu)于原方案，這應(yīng)該得益于改進(jìn)方案中頻綜器具有更加穩(wěn)定的振動(dòng)響應(yīng)。

通過試驗(yàn)結(jié)果可見，改進(jìn)隔振方案相比原方案最大的改進(jìn)在于其隔振系統(tǒng)的疲勞耐久性能上。原方案在3個(gè)方向上進(jìn)行耐久性振動(dòng)試驗(yàn)均采用全新的隔振器，其振動(dòng)耐久性試驗(yàn)分別為33 min，29 min和14 min；改進(jìn)方案僅僅1組隔振器就通過了3個(gè)方向各3 h的耐久性振動(dòng)試驗(yàn)，可見其耐久性能得到了顯著提高，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

針對(duì)某機(jī)載雷達(dá)的頻綜器隔振系統(tǒng)在摸底性功能振動(dòng)下發(fā)生疲勞破壞的問題，開展優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證。綜合動(dòng)態(tài)相噪和耐久性測(cè)試結(jié)果，改進(jìn)方案既滿足電訊指標(biāo)要求，又滿足疲勞耐久性要求。改進(jìn)方案的動(dòng)態(tài)相噪指標(biāo)和耐久性要求均滿足設(shè)計(jì)要求。