军用飞机机载设备振动试验要求和有关问题的讨论(一)GJB 150.16∕16A军用喷气式飞机和螺旋桨

第33卷第2期航天器环境工程Vol.33,No.22016年4月[e-mail]:[phone],68116408,68116544军用飞机机载设备振动试验要求和有关问题的讨论（一）：GJB150.16/16A军用喷气式飞机和螺旋桨式飞机机载设备和外挂的振动试验要求及对比分析祝耀昌1，石鹏颉2，程丛高1，张建军1，徐俊1（1.中国航空综合技术研究所北京100028；2.西安西测电子技术服务有限公司西安710119）摘要：文章分为3部分：第1部分简单介绍振动类型、振动引起的失效模式和应用，特别是列表详细介绍了GJB150.16和GJB150.16A中规定或推荐的军用喷气式飞机和螺旋桨飞机设备及其外挂与外挂上的设备的振动试验要求、特点和两标准相关内容的对比分析；第2部分则详细介绍了两标准中规定或推荐的军用直升机和各类飞机发动机设备的振动试验要求、特点以及相关内容的对比分析；第3部分介绍和分析了航空装备研制生产中这2个标准的应用情况和遇到的问题，并就一些重大问题进行了分析概括并提出了一些看法和建议。此为第1部分。关键词：振动试验；振动功能试验；振动耐久试验；标准中图分类号：V216.2+1文献标志码：A文章编号：1673-1379(2016)02-0127-09DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.003Thevibrationtestingrequirementsandrelatedproblemsformilitaryaircraftequipment(I):VibrationtestingrequirementsandcomparisonofairborneequipmentandexternalhangingofmilitaryjetandpropelleraircraftinGJB150.16/16AZhuYaochang1,ShiPengjie2,ChengConggao1,ZhangJianjun1,XuJun1(1.ChinaAero-polytechnologyEstablishment,Beijing100028,China;2.Xi’anXiCeElectronicTechnologyServiceCo.Ltd.,Xi’an710119,China)Abstract:Thepaperisdividedintothreeparts:thefirstpartintroducesthevibrationtypes,thefailuremodescausedbythevibrationandtheirapplications,withemphasisonthevibrationtestingrequirementsandthecharacteristicsofequipmentandstoresinmilitaryjetandpropelleraircraftindetail,recommendedinGJB150.16andGJB150.16A,andtherelatedcontentsinGJB150.16/16Aarecomparedandanalyzed.Thesecondpartintroducesthevibrationtestingrequirementsandcharacteristicsofmilitaryhelicopterandkindsofengineequipmentindetail,recommendedinGJB150.16andGJB150.16A,andtherelatedcontentsinGJB150.16/16Aarecomparedandanalyzed.Atlast,theapplicationsofandproblemswiththetwostandardsintheaviationequipmentdevelopmentandproductionareintroducedandanalyzedinthethirdpart,andsomesuggestionsaremade.Thisisthefirstpart.Keywords:vibrationtesting;vibrationfunctiontesting;vibrationdurabletesting;standard————————————————————————收稿日期：2016-01-06；修回日期：2016-03-10128航天器环境工程第33卷0引言不管是一次使用还是重复使用的产品，在其寿命周期内往往会多次反复、并以不同的次序先后处于贮存、运输和使用3种状态。不同的状态往往又暴露于不同的环境中，经受不同环境的作用。温度、振动和湿度是最常遇见、且造成产品的故障最多的环境因素。有统计数据表明：在产品故障中有52%是由环境作用引起的，而在这52%的故障中，由温度因素引起的故障占40%，振动占27%，湿度占19%。可见这3种环境因素对产品寿命产生重要的影响。振动是一种产品处于运输状态和使用（工作）状态时的诱发环境，由运输工具运动或产品本身工作和运动造成，如平台运动，发动机、发电机工作，气动扰流和噪声，武器发射，甚至强电流噪声等。振源的不同造成不同类型的振动，如表1所示。表1典型振动类型及其振源Table1Thetypicaltypesofvibrationsandtheirsources振动类型产生源正弦振动（定频、扫频）由产品的旋转运动、脉动和各种平台（飞机、飞行器、车辆、船舶）的振荡产生宽带和窄带随机振动由喷气发动机和火箭发动机工作，车辆在不平的路面上行驶，飞行器附面层紊流等产生混合型宽带随机加正弦同时具备上述2种振源的产品，如直升机和装有炮的平台（如装有机炮的飞机和车辆）宽带随机加窄带随机同时具备上述2种振源的产品，如涡轮螺桨飞机和履带式车辆1振动试验应用及相关试验参数1.1振动试验的用途任何产品的研制生产中都离不开振动试验，如在可靠性试验、环境应力筛选（ESS）和环境试验中，振动试验都是不可或缺的项目。环境试验在产品研制和生产的不同阶段有不同的目的和用途：在研制阶段，用于激发和揭示产品的设计工艺缺陷，为产品设计人员改进设计、提高产品环境适应性和可靠性提供信息；在飞行器首飞和定型阶段，用于初步验证或验证产品的环境适应性和可靠性是否满足规定的要求，为产品定型提供决策依据；在批生产阶段，开展ESS和例行试验，剔除早期故障，或验证批生产的产品是否还保持应有的环境适应性和可靠性，为批生产产品的验收提供决策依据。在这些试验中，振动试验均是必须进行的试验项目。因此产品的研制合同或成品协议书中均规定了相应的振动试验要求。目前，对航空军工产品来说，振动试验要求一般都是根据GJB150.16[1]和GJB150.16A[2]中的规定确定。1.2振动试验条件表征参数振动试验的环境条件一般包括频率、振动量值和振动持续时间。对于正弦振动来说，振动量值用振幅（低频段）和加速度（高频段）分别表示；对于随机振动来说，振动量值一般用功率谱密度和加速度均方根值表示。根据振动试验的具体目的，将考核或验证受试产品功能和性能在振动应力作用下和作用后是否满足规定要求的振动试验称为振动功能试验；将考核或验证受试产品的结构在振动应力作用下和作用后是否仍保持完整而不被破坏的试验称为振动耐久试验。振动功能试验在应力施加同时受试产品应处于工作状态，并检测其功能和性能，看其是否满足规定的要求。振动耐久试验则在施加振动应力时，受试产品不工作，不检测其功能和性能，振动结束以后才对其结构进行检查，并检测其功能和性能是否满足要求。两标准对这2种试验的谱型、应力量值及振动持续时间都有明确规定或推荐了相关的计算和确定方法。2军用喷气式飞机机载设备和战术导弹上设备的振动2.1振动谱表2（附于文后）将固定翼喷气式飞机分为战斗机，以及运输机、轰炸机2个类别，并将战术导弹单独列出。对于使用航空喷气式发动机作为动力装置的战术导弹，其设备的振动振源与喷气式飞机机载设备的相同，而且都是仅考虑发动机噪声以及飞行器结构外部的气动扰流，它们的振动谱型是一样的。表2中的图A是GJB150.16中提供的振动谱，图B是GJB150.16A中提供的振动谱，可以看出这2个谱型的形式完全一样。其共同特点是低第2期祝耀昌等：军用飞机机载设备振动试验要求和有关问题的讨论（一）129频段振动量值w1为确定值（0.04g2/Hz），而高频段振动量值w0需要根据飞机和发动机参数进行计算确定，不能给出具体值。GJB150.16A（图B）中还对飞机座舱内仪表板上的设备单独给出了振动谱，该振动谱的基本形状与其他设备的一样，只是低频段振动量值为0.01g2/Hz（比其他设备振动量值0.04g2/Hz下降了6dB）；其高频段振动量值也应通过计算确定，是其他设备高频段振动量值计算值的1/4（即下降6dB）。振动功能试验和振动耐久试验的谱型是一样的。2.2振动量值和持续时间2.2.1振动功能试验2.2.1.1功能试验量值1）一般设备的振动量值喷气式飞机和战术导弹上设备的振动源包括：发动机噪声，气动湍流，敞开的武器舱内的气动湍流和声学共振，机动飞行、气动抖振、着陆和滑行等引起的机体结构运动。振动的特点是宽带随机振动[3]。机载设备本身也会产生振动，但这些振动通常只对振源区或振源附近局部有影响，甚至可能在这些局部区域内也无明显影响。振动试验标准只考虑发动机噪声和气动扰流引起的振动。发动机噪声引起的振动通常是低动压飞行（即局限在低空亚声速或高空跨声速飞行）的飞机上的主要振动；气动扰流诱发的振动通常是低空跨声速飞行或任何高度上超声速飞行的飞机上的主要振动。前者与设备离发动机声源的距离和方位，发动机喷流速度和尾喷口的直径，以及发动机是否加力等因素有关；后者则和飞行速压直接有关。两标准均给出这2种振源引起的振动量值的计算公式，要注意的是2个标准中的计算公式实质上是一样的，但形式上略有差别。例如GJB150.16A中将产品质量和加力燃烧室的影响因子直接纳入振动量值计算公式，而GJB150.16中则是按公式计算出振动值后再乘以一个系数。振动试验时，先根据标准中的相应公式计算出2种振源的振动量值，再取其包络作为试验取值。虽然这2种振源同时作用在飞机上，但应按2种振源的定义进行量值处理。2个标准中，对于一般设备的振动量值，低频段w1均规定为0.04g2/Hz，高频段w0都是根据标准中提供的公式计算，因此基本是一样的。2）仪表板上设备的振动量值对于仪表板上设备的振动量值，GJB150.16规定，将表2图A中低频段的0.04g2/Hz降低3dB，即0.02g2/Hz；高频段则为公式计算值的1/4（即降低6dB）。GJB150.16A则直接将低频段的振动量值规定为0.01g2/Hz；高频段在标准中没有说明，但由于仪表板具有减振的作用，其高频段至少应和GJB150.16中规定的一样，即为公式计算值的1/4。3）利用重量衰减因子修正振动量值的方法受试产品质量与平台质量相比较大时，会使整个系统的频率降低并改变振型；受试产品质量与平台质量相比较小但与平台上支撑结构的质量相比较大时，会使受试产品局部振动量级发生变化。安装在喷气式飞机上的装备基本上属于后者。因此对于质量较大的装备，两标准均提出了重量衰减因子，将振动量级适当降低。GJB150.16中给出了衰减量与设备质量关系的曲线，如表2中图C所示。从图C中可以看出：设备质量在36kg及以下时，不必进行衰减，因为此时设备质量对于振动量值的影响不大；72kg及以上时，振动量值应降低6dB；在36～72kg之间时，则按图C中的曲线确定要降低的分贝数，显然，当设备质量处于该范围区间时，确定振动量值的方法的可操作性较差。GJB150.16A中，36kg以下和72kg以上设备的振动量值衰减量与GJB150.16的相同