振动试验夹具设计

振动试验夹具设计 【摘要】 本文主要记述了某直升机机载雷达整机振动试验夹具的设计,以及对夹具固 有频率的计算和试验验证等。 关键词 振动 夹具 固有频率

The Design Of Clamp For Vibration Test 【Abstract】 This paper presents the design of clamp for which used on helicopter radar’s vibration test. How to compute NATrual FREQuency of clamp and evaluation evaluation by test is discussed.

Key words Vibration Clamp NATrual FREQuency

一、 任务由来和技术要求 根据“直升机电子部三项电子设备可靠性增长与鉴定试验规定”、GJB150－86以及GJB899－90所提的要求：作为三项电子设备之一的雷达进行整机试验必须要设计一个振动试验夹具。根据任务书的要求夹具设计要满足以下几点： 1. 满足直升机电子设备可靠性试验条件； 2. 要求夹具及雷达整机组成的系统重心应在以夹具安装中心轴线直径为100mm圆柱内，并满足夹具与V890LS型振动台的安装和固定的要求。 3. 夹具的工作频率范围在0—500Hz内，设计中应尽量避免与F1、F2、F3、F4频率点重合(F1为直升机旋翼频率,具体数值为23.3Hz，F2、F3、F4、分别为F1的2倍频、3倍频、4倍频)，并尽量提高其自身的固有频率。 4. 要求夹具结构合理，便于加工。

二、 振动夹具的设计

1. 确定设计方案 夹具加工采用铸造，这是因为铸造可以获得任意的夹具截面形状，而且铸造可以使夹具自身的阻尼增加从而降低振动的激振频率达到抑制共振的目的。为了限制夹具的自身重量和便于机械加工以及降低成本，材料选用铸铝ZL102，为了满足雷达工作时天线能够以360旋转，同时试验箱空间尺寸为2300 mm×1850 mm×1600mm受其限制，所以现夹具最大外形尺寸设计为1070 mm×900 mm×590mm。雷达各单元位置如图1所示。

图1

2. 夹具重心的计算 雷达各单元的重量及在夹具上X、Y坐标如下表：

单元序号 单 元 名 称 X坐标(mm) Y坐标(mm) 重量（kg） 01 天 馈 单 元 535 450 8.6 02 发 射 单 元 485 333．5 17 03 接 收 单 元 918.5 705.5 13.4 04 信号/数据处理单元 129.5 669 14.3 05 伺 服 单 元 125 210 10.1* 07 分 线 盒 单 元 930 201.5 4.0 * 包括安装板的重量

除此以外还有波导、电缆等。由于夹具现为对称形式，其夹具重心的位置主要由各单元的分布位置决定。而且由于该夹具用于Z向振动试验，因此只需计算重心的X、Y轴坐标。根据公式：

iiicPPyy „„„„„„„„„„（1）

iiicPPxx „„„„„„„„„„（2） 式中： xc、yc —夹具重心坐标 pi —各单元的质量 xi、yi —各单元的重心坐标

各单元的数据分别代入（1）、（2）计算可得：

mm...y.......ycc7469858927616858533317570541352014669314210110＝

mm..x......xcc465858252738785848517591841393045129314125110 而夹具的安装中心为x =535mm，y =450mm。因此发现整个系统的重心在y向偏心为469.7－450＝19.7mm，满足任务书的要求；x轴向偏心为535－465＝70mm，超出任务书的要求，需要加配重块。配重块的质量和体积计算如下： 配重块质量P

mmP..Pxc53085825273871070 kg.P07 配重块体积V（配重块材料为钢，密度ρ＝7.8g/cm3） 36109807mm.Vkg.VP＝＝ 考虑到配重块的固定以及电缆的布置和夹具的整体外观等问题，将配重块作成长度与夹具的底座宽度相同，高度为夹具底座的二分之一高度即如下形式：900×50×20（mm）装配位置见图1。将此尺寸代入公式验算：

mmxc5310.78.5825.273870.71080 符合试验的要求。 3. 夹具固有频率的计算 夹具固有频率的分析和计算在夹具设计中占有很重要的地位，一个好的夹具应该将振动试验台面的运动不失真的传递给试件，即要求振动夹具在整个试验频率范围内的传递系数Q等于1，在实际情况中是很难达到这一点。故根据强迫振动的振幅频率特性当振动台的振动频率f与振动夹具的固有频率fN之比接近1的时候将发生共振。因此要使振动夹具的最低固有频率尽量远离振动试验频带。 根据雷达整机可靠性鉴定试验夹具结构设计的规定夹具应在0～500Hz范围内工作。设计中应尽量远离F1、F2、F3、F4频率点，并尽量提高其自身的固有频率。 因为此振动夹具的体积较大、结构较复杂计算固有频率有一定困难。同时考虑到只做Z向振动试验，夹具设计主要以Z向振动为主，所以可以将夹具分解成若干组成部分，如板、梁等，再分析各部分在振动方向上的响应情况，计算各自的固有频率，最后用邓柯莱方法估算振动夹具固有频率fN：

2232221211111nNfffff „„„„„„„„„„（3） 式中： fN  夹具固有频率 f1„„ fN  夹具若干组成部分的频率

按照上面的分解原则，可将振动模型将夹具沿板与板的交线划分成几个可独立计算的板的模型。分析可得，在Z向振动上，夹具底板四个角以及顶板相对其它构件最弱，而夹具的固有频率取决于比较弱的构件，因此可以只计算各相对独立的构件中较弱部分的固有频率。 A . 顶板的固有频率 根据顶板的位置和外部限制条件可将顶板等效为下面的模型。 顶板振型系数λ的计算公式为：

4225225LbLb..＋

„„„„„„„„„„（4）

将顶板数值代入公式（4）计算可得： 6891.9)300330()300330(5.22.5422 1.3

用瑞利法解平板固有频率：

HzEgbhfz2122)1(148－ „„„„„„„„„„（5） 式中： h—板高（cm） b—板宽（cm） g—重力加速度，g＝980（cm/s2） E—弹性模数（Kg/cm2） ρ—材料密度（Kg/cm3） σ—材料泊松比 λ—振型系数

将顶板数值代入公式（5）计算可得顶板的固有频率：

21236213201110562106804898033313).(...fz Hz2423 B . 底板的固有频率 根据底板的位置和外部限制条件可将底板等效为下面的模型。

底板振型系数λ的计算公式为： 422Lb12.0Lb32.013.0 „„„„„„„„„„（6）

将底板数值代入计算可得： 95.0)3443(12.0)3443(32.013.0422 970. 用瑞利法解平板固有频率，将底板数值代入公式（5）计算可得顶板的固有频率：

212362232011105621068048980438970).(...fz Hz1361

由于夹具的其它组成构件的固有频率远大于四个角及顶板的固有频率，因此可在计算时忽略。

C . 刚体平移的固有频率 试验时夹具用螺栓固定在试验台上，螺栓的规格是M8×55mm,一共有32个。根据刚体平移固有频率的计算公式：

)(3ZBZHFKf „„„„„„„„„„（7） 式中： F—夹具的重量（Kg） KB—螺栓刚度：KB=nAE/L（Kg/cm） A —螺栓的横截面积（cm2） E —弹性模数（Kg /cm2） L —螺栓受力长度（cm） n —螺栓数

将数据代入公式（7）计算得：

ZZH/LFEAnf84010452001020610273216223 将夹具的Z向板的固有频率1Zf、2Zf与刚体平移固有频率3Zf代入公式（3）计算得： 222223111141ZZZNffff

ZNHf516 夹具的固有频率为516Hz，远离了F1直升机旋翼频率点，可满足夹具的0～500Hz工作频率要求。

三、验证与结论

1. 试验验证 用V890LS振动试验台对该夹具进行频率—幅相振动测试，测得夹具的固有频率为400Hz。同时发现振动试验控制点的选取对试验的影响很大：如果采用单点控制将控制点放在夹具的中部，尽量靠近振动台的中轴线（图1的0点处），测振动时夹具各点的响应（图1的1～11点）发现响应很大而导致过载（如8点的响应见图2）使得试验无法控制；如果采用多点控制将控制点选在夹具刚性不同的部位（图1的8、9、11点处）进行均衡控制，无论是三点最大值控制或者是三点平均控制，都可以大大降低夹具各点的响应（如8点的响应见图3、图4），使其达到允许的误差范围内，使试验能顺利进行。 2. 设计结论 固有频率的计算值与实测值存在一定的差距，首先是由于振动夹具固有频率的计算使用邓柯莱方法就是一个估算，存在一定的误差，其次在计算过程中采用选择较弱的构件而忽略相对较强的构件进行固有频率计算，虽然大大简化了计算但也存在一定的误差，另外在测试中控制点和响应点的设置位置对测试结果有直接的影响，因此导致夹具的固有频率与计算值有差异，如果设计误差能控制在10%—20%之间通常是允许的。而且在振动试验时，采用多点控制，可以弥补夹具设计的不足，使夹具产生的响应能满足试验要求，所以该夹具符合设计要求，可以用于雷达的可靠性鉴定试验。在实际使用中，使用该夹具圆满的完成了某雷达344小时的整机可靠性鉴定试验内容。

参考文献 1 B·J·Klee等著 《振动、冲击试验夹具设计》“强度与环境”编辑组出版 1979。 2 鲁守来等著 《电子设备结构设计原理》苏科学技术出版社 1986。 3 汪凤泉、郑万泔著 《试验振动分析》苏科学技术出版社 。