機載懸掛裝置振動試驗安裝方式探討

王清海，周志衛

(1.海軍駐洛陽地區航空軍事代表室，河南 洛陽 471009;2.鄭州飛機裝備有限責任公司，鄭州 450005)

0 引 言

振動臺是進行試驗室振動試驗的關鍵設備之一，在對試件實施振動試驗之前，需要先把試件安裝到振動臺上，最簡單的安裝方式是使用夾具將試件與振動臺動圈連接起來。對于振動試驗來說，試驗夾具的作用遠不是連接試件那么簡單，它還要負責傳遞振動激勵并使試驗件保持或轉換到規定的試驗姿態。因而設計一個合格的振動試驗夾具也并非易事，需要使用專門的設計規范來討論。

機載懸掛裝置是在飛機上掛裝、運載和應用機載懸掛物的一種機載設備，常常掛裝于飛機機身或機翼的下部，這種安裝方式使得其在振動試驗時需要使用一種特殊的籠式試驗夾具(見圖1)。

圖1 傳統的懸掛發射系統振動試驗安裝方式

這種籠式振動試驗夾具可使用整體結構，也可采用分體式結構，但是按照夾具設計規范［1］和具體應用需求，設計這種大型振動試驗夾具有相當的難度，主要體現在以下幾個方面:

(1)大型夾具的模態復雜，難以滿足各個方向上的剛度要求;

(2)固有頻率較低，在掛載狀態下，固有頻率會隨著質量的增大而變小;

(3)夾具重量大，導致試驗臺的推力不足或裕度減小。

在常規的振動試驗臺上，解決上述問題是一個難以完成的任務，關于振動試驗夾具設計和應用的相關文獻也屢見不鮮，但無法從根本上解決問題。

1 現有試驗安裝方式存在的主要問題

按照國家軍用標準提出的“最大限度地模擬實際使用情況”要求，懸掛裝置的振動試驗不僅需要模擬飛行姿態安裝，而且需要在試驗過程中和結束后，立即進行功能投放試驗。事實上，在部隊實際使用中，也曾多次出現過在飛行過程中懸掛裝置投放功能異常的情況，這充分說明了上述要求的必要性。

但是，由于受到現有設備條件的限制，目前在懸掛裝置的振動試驗中，產品需要通過籠式夾具安裝在振動試驗臺上，且在試驗結束后，需要先將產品和懸掛物分別拆下，然后安裝在另外的投放試驗臺上進行投放試驗。這種方式存在以下缺點:

(1)試驗實施難度大。由于懸掛裝置外形和重量較大，安裝接口形態各異，攜帶懸掛物的重量和數量也各不相同，為了滿足各類懸掛裝置的安裝要求，籠式夾具外形尺寸和重量均較大，這種情況將帶來夾具設計難度大、設備推力不足和由于試驗難以實施而導致的試驗進度延誤等一系列問題;

(2)產品不能按實際狀態參加試驗考核。由于現有振動臺不具備投放條件，為了安全起見，懸掛裝置在振動試驗時不能安裝真實拋放彈或充入高壓氮氣，試驗狀態與掛飛狀態不一致，因而不能完全、正確地考核產品的振動適應性;

(3)試驗后投放時已改變了試驗件狀態。在振動試驗后進行產品功能投放時，需要將產品和懸掛物分別拆下，轉移至專用投放試驗臺上重新安裝，實施投放。這種做法造成在轉移過程中改變了振動試驗后的產品狀態。

2 倒置式振動試驗臺的提出

懸掛發射系統在飛機上的安裝方式是自上而下的，基于這個特征，如果將振動臺倒置為臺面向下，試驗安裝將得到大大簡化。

對機載懸掛裝置來說，采用振動臺倒置的方式來實施振動試驗是非常合理的選擇。采用這種方案，只需要將懸掛裝置通過專用夾具直接安裝在振動臺臺面之下，即可完成試件的安裝，這不僅大幅度簡化了試驗夾具，也使得試驗安裝方式變得更加簡單快捷。

這種將振動臺倒置的想法最早于1999年被提出，但限于當時的技術水平，沒有實施的可行性，且需求并不迫切。近幾年，考慮到懸掛裝置變得越來越大、掛載越來越重、結構越來越復雜，以現有安裝方式試驗實施難度越來越大，這種倒置式振動臺的想法又一次被提出來。與此同時，國內大型振動試驗臺的設計制造技術也日趨成熟，使得懸掛發射裝置倒置式振動試驗方案有了可實施性。

同時，按照國家軍用標準GJB1063 系列標準的要求，懸掛裝置在振動試驗過程中和試驗后，需要立即進行投放試驗［2］，且需要保持與振動試驗相一致的技術狀態，而目前的試驗安裝方式無法滿足這一要求。如果采用倒置式振動試驗系統，這一問題則迎刃而解。

3 懸掛裝置采用倒置式振動臺進行試驗的優勢分析

倒置式振動投放試驗系統是采用倒置式安裝的振動臺進行懸掛發射系統振動試驗，并在振動試驗結束后，在不改變試件狀態的條件下進行懸掛物投放分離試驗的專用試驗設備。這種試驗方式具有以下顯著優點:

(1)不再需要籠式振動試驗夾具，只需要簡單的轉接夾具，簡化了振動試驗的安裝方式;

(2)試驗夾具的簡化使得振動臺的推力能夠得到充分的利用，且傳遞特性也得到大幅改善;

(3)不再受籠式振動試驗夾具空間的限制，可以安裝任意形態的懸掛發射系統和懸掛物;

(4)可以使用全狀態的產品，完全模擬空中掛飛狀態進行試驗;

(5)可按國家軍用標準要求在不改變試件狀態的條件下進行投放試驗;

(6)不再需要對懸掛物實施防護，避免了懸掛物意外釋放對振動試驗臺可能造成的損害。

基于以上原因，在懸掛發射系統的振動試驗中，美國、法國等發達國家也普遍采用了振動臺倒置的安裝方式，解決了振動環境投放分離試驗的問題。

4 倒置式振動臺技術方案

如前所述，倒置式振動臺與普通振動臺的最大區別是在自然狀態下其臺面為垂直向下，但從結構和構成來說，倒置式振動臺和傳統振動臺并沒有本質的區別，因為目前幾乎所有的振動臺臺體都可以手動或電動轉動，倒置式只是將臺體轉動了180°而已。

但是，現有的振動臺并不能直接倒置使用，原因有以下兩點:一是倒置后原有的動圈懸掛和支撐方式不能適應載荷方向的變化，需要加以改進;二是在進行水平方向振動時，現有的水平滑臺的接口形式仍難以滿足懸掛裝置在振動中進行投放的要求。

為了解決上述問題，針對倒置式振動臺關鍵部件提出了下述技術方案:

(1)動圈(試件)支撐方式的改進

動圈是振動臺的關鍵部件之一，除了用于連接受試的產品(通過夾具)并將振動激勵載荷傳遞到受試產品之外，其另一個重要用途是將受試產品支撐到振動臺的平衡位置，否則裝有試件的動圈將不能保持其在磁場中的平衡位置而無法完成振動試驗。對于動圈(試件)支撐功能，通常采用內部氣室支撐和空氣彈簧支撐兩種方式［3］。

由于倒置式振動臺的動圈是向下的，因而動圈的支撐方式需要特殊設計，最簡單而有效的方式是采用獨立于振動臺的外支撐裝置，采用這樣的方式，現有振動臺不需要作任何改變。圖2 所示為這種獨立支撐裝置的結構和工作原理。

圖2 倒置式振動臺的動圈支撐方式

(2)水平滑臺結構的改進

水平滑臺是振動臺完成水平方向振動試驗的必備附件，圖3 所示為目前懸掛發射系統水平方向振動的典型實施方式，即振動臺旋轉到水平位置與水平滑臺對接，試件系統通過籠式夾具安裝到水平滑臺上。

圖3 目前水平方向振動試驗的實施方式

為了簡化試驗安裝方式，水平滑臺也可以采用倒置式安裝接口，即在水平滑臺中部設置安裝接口，滑臺基座下面預留試件安裝位置。這樣，水平方向振動可以與垂向振動一樣擺脫籠式夾具的煩擾，采用同一套夾具即可完成所有方向的振動試驗，如圖4 所示。

圖4 在水平方向上的倒置振動試驗實施方式

目前，國內的水平滑臺一般采用技術和制造難度較低的靜壓軸承滑臺，這種結構的水平滑臺在抗傾覆和偏轉力矩方面具有優勢，且易于實施上述倒置式改造。

5 倒置式振動臺的風險分析［4 －6］

倒置式振動試驗臺的提出，從根本上改變了懸掛發射裝置振動試驗的安裝方式，簡化了安裝環節，降低了夾具設計和加工難度。

但是，在應用之前，應對潛在的技術風險和安全風險進行充分分析和估計，并針對這些風險采取措施。

(1)倒置式振動方式的設計風險

由以上分析可以看出，采用倒置式振動臺，從試驗設備來說，其結構變化不大。在垂向振動時，只需要增加外置式動圈支撐裝置;而在水平方向振動時，則需要增加轉接夾具，且需要對水平滑臺進行特殊的結構承載設計。不過，這些變化所采用的均是成熟的結構設計技術，因而具有可行性。

同時，采用倒置式振動臺之后，安裝結構形式的變化與傳統的籠式夾具相比，不僅結構簡、質量輕、剛性好，且傳遞特性得到了大幅改善。

(2)系統隔振要求及其影響分析

由于懸掛裝置掛裝懸掛物質量大，振動試驗量值大，若不采取有效的隔振設計，振動試驗時會對試驗臺框架和地基產生不利影響，可能引起試驗臺框架共振、降低設備使用壽命，嚴重時可能通過地基傳遞振動，影響周圍其他設備的正常運行。

振動臺隔振就是在動圈(試件)與臺體基礎之間設置隔振裝置，目的是降低或消除振動對基礎結構的影響。在振動臺行業，一般采用空氣彈簧隔振，隔振頻率一般選擇低于試驗頻率范圍的底限，通常選擇為2.5 Hz 以下。通過合理選用空氣彈簧的承載能力和額定工作壓力，可以很好地滿足上述隔振要求。

(3)振動中投放對試驗系統的影響

使用倒置式振動試驗臺可以給懸掛發射系統的振動試驗考核帶來諸多便利，也更加符合相關軍標的要求，但也給試驗設備和試驗實施過程帶來不利影響。

a. 投放載荷對振動試驗臺的影響

在振動試驗中投放時，存在兩個問題:一是彈射過程會對振動臺動圈及其懸掛組件和水平滑臺施加沖擊載荷，這一載荷可能損壞相關組件，或使懸掛組件改變懸掛特性;二是彈射載荷可能導致動圈行程過大，從而使試驗系統過位移而停機，導致試驗中斷。

對于上述問題，需要在振動試驗系統的設計上加強動圈及其懸掛組件和水平滑臺的抗沖擊載荷能力，同時，調節懸掛系統阻尼，使其在沖擊載荷作用下不致出現過位移而停機。上述措施可能涉及到機械系統和功率放大器的綜合設計。

當上述措施難以實施或奏效時，建議采取停機后投放的方式，即在振動試驗結束后，將臺面鎖定在中間位置(鎖緊動圈支撐件)，再實施投放。此時，沖擊載荷直接作用在鎖定裝置上，并通過鎖定裝置將沖擊載荷傳遞到設備基礎。在此過程中，不需要對試件進行任何操作，且動圈不受載。因而，可以解決上述一系列問題，又保證試件在投放時的狀態與振動時的狀態保持一致。

b. 懸掛物的緩沖問題

當振動中或結束后投放時，懸掛物在彈射載荷和重力作用下下落，據估算，其下落到地面的速度可達至少10 m/s。重達1 000 kg 的懸掛物以10 m/s 的速度下落將對地面產生巨大的沖擊能量，這對地面和設備都將產生不良影響。

為了消除上述影響，可采用高密度低回彈海綿(又稱記憶海綿)作為緩沖材料。這種新型海綿采用高密度發泡材料制成，具有較高的剛度、強度和質量密度。當重物下落對海綿產生壓縮時，材料中的空腔會以一定速度排出空氣，從而吸收沖擊能量;當重物能量被完全吸收后，該材料不會像傳統海綿那樣迅速恢復，因為其吸收空氣的速度較慢，回彈量很小，也就不會出現懸掛物回彈碰壞產品和設備的問題。

(4)倒置式振動方式的安全風險

采用倒置式振動方式，在產品安裝、設備維護和維修方面將會帶來一些變化，例如:在產品試驗安裝方式上，傳統的吊車起吊方式將變為托架舉升方式。而在設備日常維護方面幾乎沒有不同。

在設備維修時，需要先將動圈支撐件拆掉，再將振動臺轉為動圈朝上狀態，隨后可以像維修普通振動臺一樣進行檢查和修理。

在試驗操作過程中，需要注意重物從高處掉落的風險，這種風險與在高處運行的其他類型的設備是類似的。避免高處掉物需要從設備設計和使用管理兩個角度去解決。

由以上分析可以看出，與其他設備相比，倒置式振動試驗臺的安全風險并不高，甚至還要低于大部分現有試驗設備，只要加強管理，規范操作，并使試驗人員養成良好的工作習慣，這些風險都可以規避。

6 結 束 語

倒置式振動臺雖然在國內未見應用，但在國外的懸掛發射系統的振動試驗領域已經成功應用多年。倒置式振動試驗臺在懸掛發射系統的振動試驗中具有無可比擬的巨大優勢，且技術成熟度高，設計制造的技術風險和使用操作的安全風險較小，應積極開展研究、設計和應用。此外，在動圈支撐結構和水平滑臺的設計方面，還需要在實施過程中針對具體應用進行工程化設計，以增強設備的抗載荷能力。

可以預見，倒置式振動試驗臺的應用，將徹底解決困擾多年的懸掛發射裝置在振動試驗過程中不能進行投放檢測的問題，產品對振動環境適應性可以得到更加真實和嚴格的考核，這將有利于提高試驗水平和產品實物質量，有效降低主機試飛風險。

［1］Klee B J，Kimball D V，Tustin W. Vibration and Shock Test Fixture Design［M］. Tustin Institute of Technology，1971.

［2］GJB1063A－2008，機載懸掛裝置試驗方法［S］.

［3］張巧壽.振動試驗系統的現狀與發展［J］. 航天技術與民品，2000 (8).

［4］王清海，劉仲敏，陳小兵，等. 基于Partran/Nastran 的發射裝置振動特性設計［J］.航空兵器，2011(2):52－56.

［5］劉相秋，閆勝彥，史明麗，等.輔助支撐系統對細長體結構振動響應分布影響的研究［J］. 航空兵器，2012(4):42－44.

［6］張鵬，張金鵬. 變結構控制的抖振問題研究［J］. 航空兵器，2013(2):9－13 .