民用飛機機載設備振動試驗要求和應用分析（一）　DO 160F/G民用固定翼飛機機載設備振動試驗要求

祝耀昌，李韻，徐俊，王星皓

（1.中航工業綜合所 北京 100028；2.西測環境試驗中心，西安 710119）

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環境試驗與評價

民用飛機機載設備振動試驗要求和應用分析（一）DO 160F/G民用固定翼飛機機載設備振動試驗要求

祝耀昌1，李韻2，徐俊1，王星皓1

（1.中航工業綜合所 北京 100028；2.西測環境試驗中心，西安 710119）

闡述了民用飛機機載設備振動環境的特點和振動試驗分類，歸納和匯總了DO 160F/G中的各類民用飛機機載設備的振動試驗要求，包括振動譜、振動量值和試驗持續時間等，并進行了分析和說明，以便于查閱和使用。最后對民用飛機機載設備振動試驗方法的應用進行了概括，介紹了民用固定翼飛機的機載設備振動試驗要求，按設備在機上的區域不同進行分類，詳細地對比說明各個位置上設備的振動試驗要求；介紹了民用直升機的機載設備振動試驗要求。

民用飛機；機載設備；振動試驗

近年來，我國民用飛機制造業發展迅速，支線客機ARJ21基本通過適航取證，大客機C919也于2015年年底線投入試飛。目前這些飛機所用的發動機和機載設備主要還是依靠國外供應商，這表明航空發動機和主要機載設備仍然是制約我國民用飛機制造業大規模發展的瓶頸。

按規定無論是飛機和發動機還是飛機和發動機上的機載設備在其投入使用前，都應通過適航取證，以確保能正常運行和飛行安全。適航取證過程的重要環節是經歷一系列的規定試驗。對于機載設備來說，則應通過一系列的環境試驗，以證明其在民用飛機運行中遇到的各種環境因素的作用下，其機載設備均能滿足最低性能標準的要求。

目前民用飛機機載設備適航取證使用的環境試驗標準主要是美國航空無線電技術委員會（RTCA）制定的RTCA DO 160系列的標準。該標準的編號最初為DO138，后來改為DO 160[1]，DO 160經歷7次修訂，目前已發展為DO 160G，其包含的試驗項目越來越完整，各試驗項目中的試驗程序越來越科學合理。必須指出DO 160系列標準主要適用于電子設備，不是民用飛機機載設備適航取證用的唯一環境試驗標準，大多數機械、液壓設備則使用其TSO（技術標準規定）指定或直接規定的環境試驗方法。

1　民用飛機機載設備振動環境的特點

民用飛機的飛行任務僅限于兩個機場之間的飛行，其任務剖面無非是地面起飛滑跑，升到巡航高度，在巡航高度飛行一段時間，下降著落到地面和地面滑跑到停止。這一過程中的各個階段都會經受到振動環境，主要包括飛機地面滑跑，飛行中氣動擾流和發動機噪聲引起的隨機振動環境、螺旋槳等旋轉部件運動引起的正弦振動環境。因此其振動譜主要類型為寬帶隨機譜，正弦譜和寬帶隨機譜上疊加寬帶隨機譜三種類型[3]。

軍用飛機使用過程往往要執行低—低—低，高—低—低—高，低—低—高，近距離支援和渡運（轉場）等各種任務，民用飛機的任務剖面只相當于其轉場。因而其遇到的振動量值較小且變化范圍不大。由于民用飛機飛行高度、飛行速度、機場跑道質量等都是已知且基本固定的，因而其振動環境也是基本不變的，振動試驗標準中直接給出各類飛機各個部位振動譜和振動量值，不必像GJB 150.16/16A中那樣根據飛機和發動機相關參數按公式進行計算，相對來說比較簡單[4]。民機振動量值是不可剪裁的，只能從各種圖表中去選取。由于民用飛機只執行單一載客運輸任務，沒有外掛、吊艙和機炮類的機外設備，當然也沒有這類設備的振動試驗要求。

下面對民用飛機機載設備適航取證用的主要環境試驗標準DO 160系列標準中的DO 160F版本中的振動試驗作詳細介紹。要說明的是，DO 160G版本的振動試驗與DO 160F是一致的［5—7］。

2　DO 160F/G中的振動分類和說明

DO 160F/G將振動試驗分為標準振動試驗（S）、強化振動試驗（R，U，U2）和短時高量級振動試驗（H，Z）三類，應根據設備性能驗證所需保證的級別選用適當的類別或幾個類別，具體選用哪個試驗類別和試驗曲線取決于機載設備載機的類型和其在機上的位置[8]。各試驗類別的目的、內容和應用對象見表1。

表 1　各試驗類別的目的、內容和應用對象Table 1　Objective，content and application object of various tests

3　振動譜和振動量值

3.1振動譜

飛機的振動譜的譜型主要取決其主要振源即發動機的類型。因此，DO 160F/G中的振動譜按飛機上裝載的發動機類型分別給出其機載設備的振動譜型。由于機載設備經受的振動強度還取決于離振源的距離和所在位置。因此，每一振動譜中還給出了機上各位置對應的多條振動曲線，如圖1—4所示。

圖1　固定翼渦輪噴氣發動機和渦扇發動機飛機上的設備Fig.1　Equipment on fixed wing turbojet engine and turbofan engine

3.2振動量值

3.2.1裝有渦輪噴氣發動機和渦扇發動機的固定翼飛機上的設備

這類飛機的振動是由飛機蒙皮經受的氣動擾流和發動機、齒輪箱工作引起的。位于機身，儀表板、控制臺與設備機架，發動機艙和吊艙，機翼及起落架艙，尾翼及翼尖整流罩五個區的設備經受隨機振動；位于發動機及齒輪箱和起落架兩個區的設備主要經受正弦振動；發動機葉片損壞導致機載設備經受短時高量值瞬態正弦振動。

圖2　固定翼無涵道渦輪風扇（槳扇）發動機飛機上的設備標準和強化正弦振動曲線Fig.2　Standard and strengthened sine vibration curves of equipment on fixed wing turbofan engine plane without bypass

圖3　固定翼渦輪噴氣發動機和渦扇發動機、無涵道渦輪風扇(槳扇)發動機上的部分設備短時高量級正弦振動試驗曲線Fig.3　Short-term and high magnitude sine vibration curve of some equipment on fixed wing turbojet engine,turbofan engine and turbofan(prop-fan)with bypass

圖4　安裝在固定翼活塞式發動機或渦輪螺槳發動機飛機上設備的標準正弦振動試驗曲線Fig.4　Standard sine vibration curve of equipment on fixed wing piston engine or turboprop plane

1）位于機身，儀表板、控制臺與設備機架，發動機機艙和吊艙，機翼及起落架艙和尾翼及翼尖整流罩五個區的設備。這五個區域的機載設備遇到均是隨機振動環境，由于機載設備在機上的位置不同，其隨機振動譜的曲線各不一樣，如圖1a和b所示。圖1a是標準振動曲線，圖1b是強化振動曲線，兩者譜型相同，只是強化振動量值相對于標準正弦振動量值作了放大［9—10］，每根曲線上均標明了量值，但表2中的頻率量值表更清楚。該表給出了性能和耐久試驗的量值計算公式或具體數據，表2中概括了飛機上各個區使用的振動類型和曲線。從表2中可以看出，對于裝在儀表板、控制臺與設備機架上的區域設備，大多數使用（B2）這一預期量級，其振動強化試驗量值(B12)相對于標準振動試驗（B2）放大了4倍［11—12］；如果使用能反映所有預計環境的更高量級（B），則振動強化試驗的量級（B1）相對于標準振動試驗量級（B）放大了2倍。裝在大型飛機上這一區域的設備，其標準振動量值使用最高的振動量級（B3），其強化振動試驗量級（B4）也為其標準振動量級的2倍。裝在其他三個區的設備，強化振動試驗量值（C1，D1和E1曲線）均為其標準振動量值（C，D和E）的2倍。從表2中還可以看出，裝在機翼及起落架艙的設備的標準振動和強化振動試驗曲線與裝在尾翼及翼尖整流罩區的設備的曲線是完全一樣的［13］。

2）位于發動機及齒輪箱和起落架區的設備。安裝在發動機及齒輪箱和起落架兩個區域的設備主要經受正弦振動環境，其正弦振動曲線如圖2所示，僅適用于（機身、發動機及齒輪箱、起落架和尾翼及翼尖整流罩四個區的設備。與上述隨機振動不同，這兩個區域設備的標準和強化正弦振動曲線是一樣的，都是使用W曲線，可見對兩個區域內設備要求的振動譜和量值是一樣的。

3）所有區的設備。飛機發動機風扇葉片在使用中可能發生損壞，從而導致固定翼飛機發生異常振動情況，這時機載設備將遇到短時高量級的瞬態正弦振動。這一試驗適用于飛機上所有區域內，其功能性能喪失將危及到飛機性能的設備。其振動譜型和振動量值的曲線如圖3所示，不包括活塞式和渦輪螺旋槳發動機飛機上的設備。顯然安裝在機身，儀表板、控制臺與設備機架兩個區的設備經受這種振動的強度較小，使用圖3中量值較低的R曲線，其他區域使用P曲線。

3.2.2裝有無涵道渦輪風扇發動機上的設備

這類飛機的振動主要是由發動機和齒輪箱工作引起的，飛機蒙皮經受氣動擾流也是引起振動的原因之一。位于機身，發動機及齒輪箱，起落架和尾翼及翼尖整流罩四個區域的設備主要經受正弦振動；位于儀表板、控制臺與設備機架，發動機艙和吊艙，機翼及起落架三個區域的設備主要經受隨機振動；發動機葉片損壞導致機載設備經受短時高量值的正弦振動。

1）安裝在機身、發動機及齒輪箱、起落架和尾翼及翼尖整流罩四個區域的設備。這類設備主要經受正弦振動環境，尾翼及翼尖整流罩區的設備也經受隨機振動環境的作用［14—19］。正弦振動曲線如圖3所示。從表2可以看出，機身區設備使用Y曲線，發動機及齒輪箱區和起落架區使用W曲線，尾翼及翼尖整流罩區的設備可使用圖2中的Z曲線，也可使用圖1a中的E曲線和圖1b中的E1曲線。正弦振動與隨機振動不同，其標準振動和強化振動使用的是同一條曲線，沒有放大倍數問題［20］。有關耐受振動疲勞累積損傷的能力通過共振點駐留試驗來解決，一般在每個頻率上駐留30 min［21］。

2）安裝在儀表板、控制臺與設備機架，發動機艙和吊艙，機翼及起落架艙三個區域的設備。這三個區域設備主要經受隨機振動環境［22］，其振動曲線與安裝在渦輪噴氣發動機和渦扇發動機飛機上的設備是一樣的（見表3），分為標準振動曲線和強化振動曲線（如圖1a和b所示）。

3）所有區域設備。飛機上所有區域的設備，如要考慮渦輪葉片損壞造成的瞬態異常的正弦振動影響［23—24］，均需進行短時高量值正弦振動，如圖3所示。

3.2.3裝有活塞式或渦輪螺槳發動機的飛機上的設備

安裝在這種飛機上的機載設備主要經受正弦振動環境：其振動曲線如圖4所示，曲線上直接標明量值。標準中根據發動機是多發還是單發，推力是否大于5700 kg，將其分為3種類型，分別按機上位置給出振動曲線，如表4所示［25—26］。標準中只規定標準正弦振動曲線，未規定起落架，尾翼及翼尖整流罩兩個區域設備的振動曲線。沒有強化振動曲線，有關耐振動疲勞的能力的考核，通過共振駐留試驗來解決［27］，每個共振點駐留時間一般最多為30 min，共振點不能多于4個。這種飛機的發動機沒有渦輪葉片，不會產生因其損壞導致的短時高量值正弦振動［28—29］。

表2　試驗量值及振動曲線（固定翼渦輪噴氣發動機和渦扇發動機飛機上的設備）Table 2　Test magnitude and vibration curve（equipment on fixed wing turbojet engine and turbofan engine）　g2/Hz

表3　各區域的設備使用的振動曲線（固定翼無涵道渦輪風扇（槳扇）發動機飛機上的設備）Table 3　Vibration curve of each section（equipment on fixed wing turbofan（prop-fan）engine plane without bypass）

表4　各區設備的標準振動曲線（固定翼活塞式或渦輪螺槳發動機飛機）Table 4　Standard vibration curve of each section（equipment on fixed wing piston engine or turboprop plane）

4　振動試驗的持續時間

固定翼民用飛機機載設備振動試驗時間取決于其載機的類型、在機上的位置，是正弦振動還是隨機振動［30—32］，是標準振動試驗還是強化振動試驗。活塞式或渦輪螺槳發動機的設備不進行強化振動試驗。

5　結語

1）民用飛機機載設備的振動環境比軍用飛機機載設備的振動環境溫和。由于民用飛機的飛行任務剖面比較單一和固定，因而其振動試驗振動譜的譜型和振動量值可以事先確定。DO 160F標準中給各種固定翼飛機和直升機規定了振動譜、振動量值或振動量值的計算方法。可以根據機載設備載機的類型、機載設備在機上的位置，確定其性能試驗和功能試驗所用的振動譜和振動曲線（振動量值）。

2）固定翼渦輪噴氣發動機或渦扇發動機飛機和無涵道渦輪風扇發動機機載設備的振動試驗分為標準振動試驗、強化振動試驗和短時高量值振動試驗三種類型。其標準振動試驗實際上就是功能（性能）試驗，其強化振動試驗實際上是性能試驗和耐久試驗的組合，即在耐久試驗前后要進行不少于10 min的性能試驗。標準振動試驗和強化振動試驗可以用正弦振動也可用隨機振動，具體取決于載機的類型或其在載機上的位置。短時高量值振動試驗是由發動機風扇葉片損壞造成的瞬態振動，因而是正弦振動。固定翼活塞式或渦輪螺槳發動機飛機振動試驗只有標準振動試驗，沒有強化振動和短時高量值振動試驗。標準振動試驗只進行正弦振動試驗。

3）固定翼飛機的強化振動使用正弦振動時，正弦振動曲線與標準振動試驗曲線一致，其強化主要體現在進行最多四個關鍵頻率上30 min的共振駐留試驗。因此其正弦試驗程序中包括了每個軸向進行對數掃描速率不超過1.00 ct/min正弦掃頻循環，以確定關鍵頻率，并從中選出最嚴酷的四個關鍵頻率用以進行振動駐留試驗，振動駐留試驗結束后，繼續進行正弦掃頻循環。正弦循環的時間為3 h減去在關鍵頻率上駐留振動所用的時間。如果關鍵頻率少于四個甚至沒有，則可減少駐留振動所用時間甚至無需振動駐留，從而使正弦循環時間從1 h增加至3 h。

4）固定翼飛機的強化振動使用隨機振動時，其振動曲線形狀與標準振動試驗一樣，但量值要放大2倍或4倍（見表2），因而標準中分別提供了標準隨機振動曲線（圖1a）和強化振動曲線（圖1a）。如前所述強化振動試驗為每軸向只進行最低10 min的性能試驗加上3 h的耐久試驗。耐久試驗時產品應處于工作狀態，并在振動開始和即將結束時進行檢測，確定是否滿足設備性能標準，如果耐久試驗期間產品不工作，則耐久試驗結束后，則應在性能試驗振動量級下檢測其性能是否滿足要求。

5）從圖表中可以看出固定翼活塞式或渦輪螺槳發動機飛機的設備只安排標準振動試驗（正弦振動），未安排強化試驗程序，即不進行耐久試驗，而且其起落架區和尾翼及翼尖整流罩兩個區域未安排任何振動試驗，尚未見到標準中對此的相關說明。此外標準中對未知直升機頻率的機載設備的振動試驗，僅規定了機身和儀表板、控制臺和設備機架兩個區域的振動要求，其他五個區域的加載設備的振動要求未作規定，也無相應說明。

6）DO 160F/G中不管是正弦振動還是隨機振動，振動開始前和結束后均安排正弦掃頻，以確定受試設備共振頻率和振動后此共振頻率是否變化，這是很有必要的，因軍標中對此沒有作任何規定。

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Vibration Test Requirements and Application Analysis of Civil Aircraft Equipment(I) Vibration Test Requirements of Civil Fixed-wing Aircraft Equipment in DO 160F/G

ZHU Yao-chang1,LI Yun2,XU Jun1,WANG Xing-hao1
(1.AVIC ChinaAero-polytechnology Establishment,Beijing 100028,China; 2.Environmental Testing Center of XCET,Xi'an 710119,China)

The paper set forth the characteristics of the vibration environment of civil aircraft equipment and the classification of vibration tests.The vibration test requirements of various civil aircraft equipment in DO 160F/G were concluded and summarized,including vibration spectrum,magnitude and duration,and then were analyzed and explained accordingly,so as to facilitate the reference and application thereof.At last,the application of vibration test method for civil aircraft equipment was generalized.Vibration test requirements of civil fixed-wing aircraft equipment was described and classified according to the different sections of the equipment in the aircraft.The vibration test requirements of the equipment at each position were described in details by contrast;and the vibration test requirements of the airborne equipment of civil helicopters was presented.

civil aircraft;airborne equipment;vibration test

2016-03-28；Revised：2016-04-21

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.009

TJ01；TB114

A

1672-9242(2016)04-0054-08

2016-03-28；

2016-04-21

祝耀昌（1942—），男，研究員，主要從事產品環境工程，實驗室環境試驗和可靠性試驗技術研究及其相關標準的制訂工作。

Biography：ZHU Yao-chang(1942—),Male,Researcher,Research focus:product environmental engineering,laboratory environmental testing, reliability testing technology and formulation of relevant standards.