儀表板振動問題淺析

王春輝

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

飛行器執行飛行任務時，在特定工況下氣動力影響機體導致儀表板振動過大，影響駕駛員行駛安全及使用舒適性，本文通過對儀表板振動問題進行分析發現僅在特定工況下、低頻環境下出現過度振動，原有減振設備無法抵消隔振。在不改變機上現有設備情況下，以結構加強的形式兼顧人機功效及減振效果，從重量最輕化并兼顧維護性角度設計一種便捷的儀表板減振加強方案。實現儀表板振動問題的控制，保證儀表板上安裝設備的正常使用，為駕駛員提供正常的機上數據，保證全工況下的飛行安全。

1.概述

1.1 視界要求

儀表板是指位于駕駛員視野內，用于安裝儀表、電子顯示器以及控制裝置、燈光信號裝置的板件，儀表板面一般應垂直于駕駛員的正常視線，與正常視線的夾角不應小于45°，為駕駛員提供良好閱讀數據體驗，視界示意如圖1所示。儀表板振動過大，導致設備儀表晃動，影響駕駛員讀取設備儀表，也會影響設備的使用壽命。

圖1 視界示意

1.2 其他要求

根據文獻[1-2]中要求：儀表板板件應有足夠的剛度。薄板式儀表板板件四周應有連續的加強邊或框架，必要時，在開孔薄弱部位應給以加強。儀表板允許的最大過載應小于儀表允許的過載值。

根據文獻[2-3]中規定：在垂直于空勤組成員視線的任何方向上，空勤組位置處的顯示器、儀表和武器瞄準設備的振動水平應符合下述規定：

Ⅰ區：振動水平不應超過0.38mm的位移峰峰值。

根據文獻[1]中要求：有減震的儀表板諧振頻率不應小于12Hz。安裝在飛機結構上的減震器支架應具有足夠的剛度，安裝減震器支架的飛機結構部位應具有足夠的剛度。

中國民用航空規章關于文獻[4]中布局和可見度（f）條款規定：

儀表板的振動不得破壞或降低任何儀表的判讀性和精度。

根據以上航標及國軍標的要求，航空儀表不僅需滿足強度要求，還需控制儀表板振動水平以達到一種適航穩定狀態。

1.3 結構形式

儀表板作為設備承載結構件，在外界或機內激振力作用下會造成儀表板過渡振動，影響駕駛員形式舒適性及安全性，圖2為一種典型儀表板結構形式。本文提出一種兼顧人機功效及使用維護性的加強方案，使儀表板振動水平達到可接受范圍。

圖2 儀表板結構示意

儀表板為整體金屬面板，根據使用需要對設備安裝進行更改。儀表板通過支撐架安裝在地板上，正常情況下會根據振動情況配置減振措施，包括減振墊、配置質量塊、阻尼器等。本文主要討論的是設計后期，對特定工況下出現的振動問題的臨時處理方案。

2.振動處理

2.1 結構加強

降低儀表板振動，從設計之初就應考慮，首先分析可能面臨的工況載荷，結合整體的振動環境，即會對振動影響較大的激振力采取合理布置質量塊，改變結構的固有頻率，避開整體的激振頻率。另外，在儀表板與支撐結構之間布置減振器、阻尼器等設備來隔離振動。對于后期由于使用工況改變、改裝等問題引起的振動過大，通過結構改裝加強的形式實現振動控制，具體如圖3所示，通過在儀表板與機體之間增加加強件，實現橫向連接，增加橫向剛度以控制其振動。

圖3 結構加強形式

儀表板通過加強件與機體結構相連接，加強件一端通過緊固件與儀表板連接，另一端通過加強件與機體連接，兩側均有布置。

加強件均為鋁制機加件，結構形式簡單，傳力通路順暢，在生產與安裝上均無問題。

加強件之間連接為通用連接，無特制件，使用方便，維護便捷，滿足設備的使用維護需求。

2.2 人機功效

根據中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規定關于文獻[4]第773條要求，結合外視野評估參數模型，以設計眼位為基準，對駕駛艙加裝加強件對外視野的影響進行分析，如圖4所示。

圖4 視野分析

灰色部分為外視野被遮擋部分，白色部分為風擋區域，紅色框線為中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規定關于文獻[4]第773條要求所規定的外視野標準范圍，黃色區域為加強件遮擋區域，遮擋駕駛艙下風擋玻璃視野0.036m2，遮擋區域較小，對正駕駛正前方風擋右側下邊緣視野造成0.004m2的遮擋，遮擋區域較小，也能從其他位置獲得補償視野。從視野上看該方案會對駕駛員的飛行視野造成一定的影響。

在CATIA模塊中，對駕駛艙腿部活動空間進行虛擬仿真分析，虛擬假人采用中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規定關于文獻[4]第777條要求的高大身材尺寸，參考文獻[5]所繪制的正常坐姿下小腿、膝蓋活動空間，加強件與儀表板連接的一小部分在小腿、膝蓋活動空間前極限邊緣，可能對身材較大的飛行員膝蓋向前極限位時造成阻礙，其他部位對腿部活動空間無影響，按照正常人身形來說，該種方案是一種可接受的應急處理方案。

綜上可知，該種加強形式對駕駛員的視野及腿部空間影響較小，視野也可通過駕駛員調整位置獲得一定補充視野，不會影響飛行安全，該種形式的加強件布置是在現有結構下進行的布置，屬于后期故障處理臨時措施，在空間布置上受到的限制較多，因此在處理上存在一定的取舍，在較好地滿足總體使用要求下，該方案為一種可接受的最簡便的處理方式。

2.3 動力學分析

儀表板本身的安裝形式，保證了其X、Z向的剛度，但側向穩定差，在外界激振力作用下，側向擺動過大，故本文結構加強主要是提高側向剛度。

為提高儀表板側向一階安裝頻率，增加加強件，一端與儀表板連接，另一端與機體連接，通過加強結構來提高儀表板側向約束剛度。具體動力學分析如圖5所示。

圖5 儀表板加強一階頻率

針對加強方案，利用有限元模型進行動力學計算，結果表明儀表板側向一階安裝頻率為8.39Hz，避開機體頻率超過22%，能夠滿足動力學設計要求，對降低儀表板振動能夠產生較好的效果，機體兩側均布置該種加強結構能夠有效地解決特定工況下的過度振動問題。

2.4 強度分析

未進行結構加強前儀表板組件結構，本身符合靜強度，強度設計主要考慮慣性載荷，根據中國民用航空局運輸類旋翼航空器適航規定關于文獻[4]第561條（b）3規定：

當經受下列相對周圍結構的極限慣性載荷系數時，應約束住每個乘員和座艙內可能傷害乘員的每個質量項目：

（1）向上4g；

（2）向上16g；

（3）側向8g；

（4）向下20g，在預期的座椅裝置位移之后；

（5）向后1.5g。

儀表板加強結構如圖6所示，通過常用的剛性連接加強結構與儀表板通過鉚釘連接，整體靜強度滿足使用要求。

圖6 剛性連接示意

3.總結

儀表板作為設備儀表的承載機構，在發生過度振動時會造成儀表晃動，駕駛員無法順利讀取設備儀表數據，影響其判斷與操作，過度振動還會影響設備儀表的安裝使用壽命，對駕駛員使用安全造成不利影響。因此批產后發生過度振動時，通過對儀表板進行簡單的加強件改裝，在兼顧人機功效及重量情況下能較好地解決這一問題，改善振動。