机载电子设备减振设计

马帅旗

（陕西理工学院电气工程学院，陕西汉中 723003）

在飞行试验中，飞行器的主旋翼周期性变距以及在旋翼旋转过程中与周围空气产生噪声，引起机体强烈的高频振动，这对机载设备产生很大影响，导致惯性导航系统输出数据错误，加速设备疲劳破坏，降低设备的工作寿命。由于机载系统振动异常复杂，且许多故障都直接或间接由振动引起。因此，机载系统的振动机理和控制研究是航空领域一个重要的课题。

国内外学者对机载系统振动进行了深入研究，主要是从模态分析和统计能量分析两个方面进行研究[1]。文献[2]通过模态试验分析，研究了双层海绵结构减振系统，获得系统的固有频率、阻尼比等特性参数；文献[3]利用有限元分析方法对结构进行模态分析，根据仿真结果对机载系统结构进一步优化；文献[4]通过统计能量分析方法对散货船噪声分析，获得的振动响应特性与海试现场数据基本相符。虽然这些减振措施能在一定程度上减缓系统振动，但它们的分析、设计方法和求解过程非常复杂。

本文依据相关强迫振动理论，建立等效减振器模型，设计两组金属丝网三向等刚度的减振器，并通过试验进行测试，研究机载系统减振规律。

1 机载系统振动分析

对飞行试验过程和试验数据进行分析，机载系统的振动实质是由汽油机引起的机体受迫振动[5]。汽油机旋转时产生振动并激励系统其它结构产生振动，从而使机体和机载设备产生振动。汽油机产生的振动可以分为空气动力性振动、机械结构振动两大类。空气动力性振动是指进、排气系统和风扇等产生的振动；机械结构振动是指由运动部件与固定件间机械作用力周期性变化产生的振动。机载电子设备的振动主要由机械机构振动引起。

要有效地降低振动对设备的影响，必须对振动源、振动传播途径和振动接受体三个不可分割的环节进行分析，找出振动传播规律、传播途径，制定相应减振措施[6]。归纳起来，有如下几种减振方式：

（1）控制振源：振源控制是一种最根本的振动控制方法。其主要方法是改善不平衡的力或力矩引起的设备的振动，如汽油机周期性移动、气缸往复运动的惯性力和旋转运动的离心力等引起的振动。首先通过模态分析或有限元分析方法，计算机体的固有频率和振型；然后调整结构参数，改善系统发动机平衡性能、动力学性能和零件的加工与装配精度；

（2）降低振动的传递率：在振源与受迫振动体之间增加减振或隔振装置，通过弹性结构减弱振动传递，通过阻尼结构增加材料阻尼，降低振动能量；

（3）增强受振体的抗振能力。

2 机载设备减振平台设计

机载系统振动情况异常复杂，在三维空间均产生振动。机载系统中GPS、航向参考系统AHRS(包含三轴加速度计、三轴陀螺仪和磁航向计)、电子盘和飞行控制系统等固定在飞行控制箱内，飞行控制箱通过四个减振器与支撑板相连，支撑板固定于机舱内。设计时，四个减振器呈对称分布与机载系统底部固定，机载系统的重心正好位于四个减振器的中心位置，从而使减振器受力均匀，提高系统减振性能，减振平台结构如图1所示。

图1 减振平台结构

x、y、z轴向的振动机理基本一致，因而仅以垂直方向振动为例进行分析。机载系统的z轴方向隔振模型简化为单自由度弹簧阻尼系统，其内部机构等效为弹簧、阻尼器结构。假设弹簧的刚度为k，阻尼器的线性阻尼为c，机载系统重量为m，机体激励振动符合正弦规律：ze=Asinωt，则机载系统运动微分方程[7―9]如下

机载系统振动受周期性汽油机气缸运动影响，求解上述运动方程可知，其受到的振动分为两部分，瞬态振动和稳态振动。稳态振动为

3 减振器参数设计

机载系统与机体之间通过减振器连接，机体的振动无法直接传递给机载系统。机载系统总重量为3.8 kg，拟采用四个金属丝网三向等刚度减振器进行减振，则每个减振器承受的重量为0.95 kg。减振器设计时主要考虑ROTEX 913型汽油机产生的振动，ROTEX 913型汽油机是四缸四冲程发动机，飞行器正常飞行时汽油机转速为4 000～6 000 r/min。

（1）减振器阻尼比的估计

（2）减振器刚度的估计[9]。

（3）减振器隔振效率计算

两组减振器性能如下

第一组减振器的放大倍数B1=2.47、阻尼比ξ1=0.221 4、频率比λ1=3.5。

则振动传递率[10]

隔振效率：η1=1-T=0.837 6=83.76%

第二组减振器的放大倍数B2=3.27、阻尼比ξ2=0.160 6、频率比λ2=3.5，

则振动传递率

隔振效率：η1=1-T=0.866 9=86.69%

4 减振试验与结果分析

综上所述，设计了两组金属丝网三向等刚度减振器，每组减振器包含四只减振器。第一组减振器在3.8 kg载荷下，固有频率为53.598 Hz，放大倍数为3.27倍；第二组减振器在3.8 kg载荷下，固有频率为58.865 Hz，放大倍数为2.47倍。分别对两组减振器进行减振性能测试实验。首先将四只减振器固定机舱内的支撑板上，四只减振器分别与机载系统的四个角相连；然后将飞机后支架用系留索固定在地桩上，最后进行开车试验。在同等实验条件下分别测试未加减振器、加第一组和第二组减振器后加速度计、陀螺仪输出数据。

通过减振实验可以看出，未加减振器时，汽油机激励振动使机载系统的加速度计和陀螺产生共振，导致AHRS输出的机体姿态数据错误，这种情形下不能完成导航控制。由于z向数据在-g上下波动，为分析方便，首先对加速度计输出的数据进行零均值变换x(n)=x(n)-xˉ(n)，然后求取均方根值和方差数据。未加减振器时x、y和z轴向加速度的范围、总振级和方差如表一所示，此时AHRS解算姿态数据错误；

由表1可知，未加减振器时，机体沿y向振动幅值较大，方差也较大。由表2、表3可知，加入两组减振器后，机载设备x、y和z向的振动明显减弱，解算的姿态数据正确，满足导航控制要求。加入第一组减振器后，x、y和z轴向加速度的范围、总振级和方差如表2所示；加入第二组减振器后，x、y和z轴向加速度的范围、总振级和方差如下表3所示。

两组减振器加入后，x、y和z轴向的振动得到有效抑制，减振器设计均能满足设备减振要求，AHRS解算的姿态数据正确，并且第二组减振器的减振性能明显优于加入第一组减振器。

表1 未加减振器时加速度试验数据

表2 加第一组减振器时加速度试验数据

表3 加第二组减振器时加速度试验数据

5 结语

本文对机载系统振动特性进行分析，建立了减振平台，并设计了两组减振器。通过实验测试，所设计的减振器可以减弱系统振动，降低机载设备的疲劳损坏，提高机载设备的使用寿命，满足机载减振要求。

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