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南京電子技術(shù)研究所，南京210013
摘 要：介紹了車(chē)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的原因，并結(jié)合振動(dòng)理論，著重分析了進(jìn)行車(chē)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動(dòng)設(shè)計(jì)的途徑與方法，有助于提高系統(tǒng)的抗振能力。
關(guān)鍵詞：固有頻率；結(jié)構(gòu)諧振；加固設(shè)計(jì)；振動(dòng)隔離；振動(dòng)試驗(yàn)
1前言
車(chē)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由三部分組成：一是前端天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備，包括天線(xiàn)、饋線(xiàn)、以及天線(xiàn)座與傳動(dòng)系統(tǒng)；二是電子設(shè)備部分，包括接收、發(fā)射和信道等；三是運(yùn)輸載體和系統(tǒng)保障設(shè)備，包括車(chē)輛、方艙、電源和空調(diào)等。這些設(shè)備在運(yùn)輸和使用過(guò)程中，由于內(nèi)外因素的影響，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。
產(chǎn)生振動(dòng)的原因主要有：
·運(yùn)輸狀態(tài)下，路面的不平整性引起各設(shè)備的上下、前后、左右多方向的振動(dòng)；
·工作狀態(tài)下，天線(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振；
·工作狀態(tài)下，風(fēng)載造成的天線(xiàn)激振；
·包括電源、空調(diào)、風(fēng)機(jī)在內(nèi)的各有源設(shè)備工作時(shí)的自主振動(dòng)。
其中前兩個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)的電訊性能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響最大，容易引起設(shè)備的破壞。其現(xiàn)象大致分兩類(lèi)：
·結(jié)構(gòu)與工藝性破壞，如結(jié)構(gòu)件的疲勞、斷裂、磨損、連接件的松動(dòng)、分離等；
·功能與性能性破壞，包括工作失靈、性能降低以及超出容差范圍等。
為此，對(duì)車(chē)載衛(wèi)通系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行控制和分析十分必要。由于保障設(shè)備一般由專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家提供，所以著重探討天線(xiàn)系統(tǒng)與電子設(shè)備的抗振設(shè)計(jì)，并從振源的控制、結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)、設(shè)備的減振隔振、試驗(yàn)的驗(yàn)證等四方面進(jìn)行分析。
2設(shè)計(jì)與分析
2.1改善運(yùn)輸環(huán)境，控制振源
在運(yùn)輸狀態(tài)下，公路運(yùn)輸環(huán)境最為惡劣，因此，以公路運(yùn)輸環(huán)境來(lái)作為系統(tǒng)的運(yùn)輸環(huán)境。公路運(yùn)輸環(huán)境是一種寬帶振動(dòng)，它是由于車(chē)體的支承、結(jié)構(gòu)與路面平度的綜合作用產(chǎn)生的。車(chē)體在上下、前后、左右方向上同時(shí)存在不同的振動(dòng)，而上下方向的振動(dòng)量又最為嚴(yán)重〔1〕〔2〕。所以，運(yùn)輸環(huán)境下著重分析設(shè)備上下方向的振動(dòng)。
在公路運(yùn)輸狀態(tài)下，振源的形成主要來(lái)自于路面，它是路面狀況與行駛速度的函數(shù)〔3〕〔4〕。在該狀態(tài)下，系統(tǒng)的振動(dòng)模型如圖1所示。
試驗(yàn)與分析表明，路面越不平整，車(chē)速越快，車(chē)輛及其設(shè)備的振動(dòng)越激烈，振動(dòng)的振幅以及加速度均很大。所以，合理選擇行車(chē)道路和行駛速度，有助于減小振動(dòng)振幅。在等級(jí)較差的路面上行駛時(shí)，降低車(chē)速可以減緩車(chē)輛及其設(shè)備的振動(dòng)，有助于保護(hù)設(shè)備。但由于行車(chē)道路和行駛速度不是設(shè)計(jì)人員所能控制的，因而，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要以最為惡劣的環(huán)境來(lái)考慮。
2.2加固設(shè)計(jì)
無(wú)論是天線(xiàn)系統(tǒng)，還是電子設(shè)備，均應(yīng)遵循剛度設(shè)計(jì)為主、強(qiáng)度校核為輔的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想。加固設(shè)計(jì)就是針對(duì)結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行的。通過(guò)加固設(shè)計(jì)，能夠提高設(shè)備的剛度、強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)固有頻率，進(jìn)而提高設(shè)備抗振抗沖擊性能。
2.2.1天線(xiàn)系統(tǒng)的加固設(shè)計(jì)
工作狀態(tài)下，天線(xiàn)系統(tǒng)一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振，就會(huì)直接影響到天線(xiàn)電訊性能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至造成系統(tǒng)毀壞。避免結(jié)構(gòu)諧振的最直接的方法，是提高天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的固有頻率。而天線(xiàn)座的傳動(dòng)系統(tǒng)是天線(xiàn)反射體與基礎(chǔ)構(gòu)件連接的橋梁，又是運(yùn)動(dòng)受力載體，故傳動(dòng)系統(tǒng)剛度對(duì)天線(xiàn)系統(tǒng)固有頻率的影響非常重大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，增大傳動(dòng)系統(tǒng)剛度，降低天線(xiàn)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以有效地提高系統(tǒng)的固有頻率。
在天線(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度滿(mǎn)足要求的前提下，天線(xiàn)反射體和天線(xiàn)座架的剛度決定著系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)諧振頻率。運(yùn)用有限元分析，運(yùn)用大型結(jié)構(gòu)分析軟件NASTRAN、SAP或ANSYS，對(duì)天線(xiàn)反射體和天線(xiàn)座架進(jìn)行動(dòng)靜力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在重量符合要求的條件下，將自重和風(fēng)載作為載荷，以固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，尋求最大結(jié)構(gòu)剛度，獲取最佳設(shè)計(jì)方案。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析，改善結(jié)構(gòu)的整體剛度，使薄弱環(huán)節(jié)得到加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)的固有頻率得到提高，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布趨于均勻合理。
汽車(chē)運(yùn)輸狀態(tài)下，天線(xiàn)系統(tǒng)或者直接剛性安裝在車(chē)輛或方艙上，或者通過(guò)包裝架剛性安裝在車(chē)輛上。因而在對(duì)天線(xiàn)、天線(xiàn)座加固設(shè)計(jì)的同時(shí)，要對(duì)安裝基座、車(chē)頂、車(chē)架或包裝架進(jìn)行加固，從而提高剛性，確保其共振頻率比汽車(chē)正常遇到的強(qiáng)迫頻率高得多。
2.2.2電子設(shè)備的加固設(shè)計(jì)
電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)上一般包含機(jī)柜、機(jī)箱和組件（或印制板、電源板）三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。層次設(shè)備的剛度設(shè)計(jì)必須遵守倍頻程規(guī)則。機(jī)架的固有頻率應(yīng)大于掃頻激勵(lì)頻率。裝于機(jī)架內(nèi)的模塊、插箱的固有頻率應(yīng)大于2倍的機(jī)架固有頻率；而裝于模塊插箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)件、器件、印制版等的固有頻率應(yīng)大于2倍的模塊、插箱固有頻率〔5〕。
對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，目的就是增大剛度，提高固有頻率。機(jī)柜機(jī)架的剛度主要取決于組成機(jī)架機(jī)柜各結(jié)構(gòu)件的自身剛度和各結(jié)構(gòu)件聯(lián)接處的剛度。
2.2.2.1設(shè)備自身剛度設(shè)計(jì)
機(jī)箱、機(jī)柜在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，即沿垂直軸振動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生彎扭耦合振動(dòng)。機(jī)箱、機(jī)柜等結(jié)構(gòu)件的剛度，取決于各自的結(jié)構(gòu)形式、材料、固定方式。通常，在計(jì)算時(shí)假設(shè)機(jī)箱、機(jī)柜相當(dāng)于單自由度系統(tǒng)，則機(jī)箱、機(jī)柜彎扭耦合振動(dòng)固有頻率fn估算如下〔4〕〔5〕：
由上式可以推斷，提高箱柜固有頻率fn的主要方法是：
·減小質(zhì)量；
·縮短長(zhǎng)度；
·提高抗彎、抗扭剛度。
在設(shè)備的質(zhì)量、尺寸一定的條件下，提高機(jī)柜、機(jī)箱的抗彎、抗扭剛度是提高固有頻率的重要手段。這些手段主要有：
·合理選擇構(gòu)件的截面形狀和尺寸，可有效提高抗彎抗扭剛度。
·多采用框架結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、整體性、可靠性等多方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
·對(duì)薄弱環(huán)節(jié)以及承載零部件進(jìn)行重點(diǎn)分析。機(jī)柜骨架是決定機(jī)柜剛度的關(guān)鍵；插箱底板是電子模塊、組件的安裝基礎(chǔ)。因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能提高機(jī)柜骨架、插箱底板的剛度。
·合理布置受力點(diǎn)，合理分布載荷，防止耦聯(lián)振動(dòng)，減小集中應(yīng)力。機(jī)箱內(nèi)電子組件應(yīng)盡量靠近兩邊側(cè)板，不能集中在中間；三級(jí)導(dǎo)軌的安裝位置應(yīng)盡量與機(jī)箱重心高度一致。
2.2.2.2連接剛度設(shè)計(jì)
·機(jī)箱與機(jī)柜、機(jī)箱內(nèi)組件與機(jī)箱、各過(guò)渡件與機(jī)柜機(jī)箱聯(lián)接應(yīng)可靠。采用螺紋緊固劑、防松墊圈、防松螺母等措施可有效防止螺栓聯(lián)接松脫。
·聯(lián)接用的螺釘，根據(jù)具體情況確定其規(guī)格、數(shù)量、分布，以起到加固作用。
·通常機(jī)箱與機(jī)柜的聯(lián)接除前面板螺釘、兩側(cè)導(dǎo)軌支撐外，應(yīng)在后面板上設(shè)置定位銷(xiāo)進(jìn)行鎖定，從而承受上下、左右方向的振動(dòng)與沖擊載荷。
·機(jī)柜上安裝側(cè)門(mén)與后門(mén)，有助于增加機(jī)柜的整體剛度，同時(shí)門(mén)板與骨架的聯(lián)接應(yīng)牢固。
2.3振動(dòng)隔離
2.3.1隔振系統(tǒng)模型
在對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)采取隔振緩沖措施。設(shè)備采取隔振緩沖是抗振抗沖擊的重要措施，一個(gè)好的隔振緩沖系統(tǒng)可有效地降低振動(dòng)傳遞率、碰撞傳遞率和沖擊傳遞率。
電子設(shè)備一般安放在機(jī)柜內(nèi)，對(duì)電子設(shè)備的隔振緩沖，主要依靠機(jī)柜隔振器的隔振緩沖作用。目前對(duì)高1.2米以上機(jī)柜，隔振器的安裝方式已標(biāo)準(zhǔn)化〔5〕，即在設(shè)備底部安裝四只相同特性的隔振器，后背上部安裝兩只相同特性的隔振器。這樣，有助于減小設(shè)備的搖晃。其力學(xué)模型如圖2所示。
對(duì)機(jī)柜的背架式隔振系統(tǒng)而言，根據(jù)振動(dòng)理論分析，得知其存在著耦聯(lián)自由度，會(huì)引起局部共振和系統(tǒng)耦聯(lián)共振。因而，抗共振設(shè)計(jì)和解耦設(shè)計(jì)是背架式隔振系統(tǒng)要解決的兩大問(wèn)題〔6〕。
2.3.2抗共振設(shè)計(jì)
抗共振設(shè)計(jì)的目的是避免或抑制共振。對(duì)于機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，共振現(xiàn)象總是難以避免的。為了防止隔振系統(tǒng)過(guò)大的共振傳遞率對(duì)設(shè)備的損壞，所選隔振器的傳遞率應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)，即最大共振傳遞率（ηv）max≤5。對(duì)于不產(chǎn)生共振的理想隔振系統(tǒng)，ηv≤1，隔振器的剛度和固有頻率應(yīng)盡可能低，同時(shí)隔振器應(yīng)具有變阻尼特性〔4〕。
在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)優(yōu)先選用隔振傳遞率小、固有頻率低的隔振器來(lái)抑制電子設(shè)備的共振。
2.3.3解耦設(shè)計(jì)
對(duì)于機(jī)柜隔振器采用重心安裝方式，質(zhì)量中心與剛度中心重合，能避免耦合振動(dòng)。但在實(shí)際工作中，這種安裝方式難以實(shí)現(xiàn)，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，因而多采用標(biāo)準(zhǔn)安裝方式。
但對(duì)于背架式安裝隔振系統(tǒng)而言，耦合振動(dòng)不可避免。解耦設(shè)計(jì)的目的，是避免或減小耦合振動(dòng)， 盡可能減小或避免耦合振動(dòng)帶來(lái)的有害影響。為使背架式安裝的隔振緩沖系統(tǒng)具有較好的隔振效果，必須使背架式安裝隔振系統(tǒng)的重向剛度為零，且其水平剛度與底部隔振器的水平剛度匹配〔5〕。試驗(yàn)證明，GWF和GBJ匹配使用時(shí)可獲得三向無(wú)共振放大的隔振系統(tǒng)。
2.3.4減震器的選型
在隔振系統(tǒng)安裝方式固定后，減振器的選型及其組合形式?jīng)Q定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。目前，常用的減振器有三種：E型減震器、無(wú)諧峰減震器和鋼絲繩減震器。
三種減震器各有優(yōu)缺點(diǎn)：
·E型減震器：靜變形較小，安裝方便，比較適合方艙和廂體內(nèi)部安裝，但固有頻率高。
·無(wú)諧峰減震器：減振及隔沖效果好，無(wú)共振放大，壽命長(zhǎng)，但載荷必須在減震器的額定載荷的20%以?xún)?nèi)，否則效果會(huì)差些。
·鋼絲繩減震器：剛度具有漸軟的非線(xiàn)性特性，傳遞率低，能適應(yīng)多種受力狀態(tài)，主要適合于壁式安裝。
三種減震器常用型號(hào)的組合使用情況及各自性能，分別見(jiàn)表1、表2。
以上三種減震器及其組合在不同的產(chǎn)品中均使用過(guò)。根據(jù)使用情況來(lái)看，三者各有優(yōu)缺點(diǎn)。相比而言，組合I方便、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但減振效果一般；組合Ⅲ性能最佳、效果最好，但價(jià)格上相對(duì)要貴一些；而組合Ⅱ各方面居于兩者中間。因而在設(shè)備振動(dòng)環(huán)境較好時(shí)，可優(yōu)先選用組合Ⅰ；在有較高要求或設(shè)備振動(dòng)環(huán)境較惡劣時(shí)，則應(yīng)優(yōu)先選用組合Ⅲ，以取得良好的減振隔振效果。
2.4振動(dòng)試驗(yàn)
由于振動(dòng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，振動(dòng)分析的結(jié)果不可避免存在一定的誤差和不確定性，因而還需通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析與驗(yàn)證。
振動(dòng)試驗(yàn)，用于評(píng)定設(shè)備在其預(yù)期的運(yùn)輸和使用環(huán)境中的抗振能力。通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)，可以分析設(shè)備的振動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)參數(shù)，為新設(shè)計(jì)的電子設(shè)備的振動(dòng)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)，極大提高振動(dòng)計(jì)算分析的準(zhǔn)確度；暴露現(xiàn)有電子設(shè)備結(jié)構(gòu)工藝中的缺陷、薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)。
通過(guò)進(jìn)行計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與振動(dòng)試驗(yàn)，再到計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的循環(huán)，大大提高了設(shè)備抗振能力。
對(duì)于已經(jīng)定型生產(chǎn)的保障設(shè)備和天線(xiàn)設(shè)備以及個(gè)別不能做振動(dòng)試驗(yàn)的特殊設(shè)備，一般是通過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)代替振動(dòng)試驗(yàn)，以達(dá)到驗(yàn)證的目的。
3工程應(yīng)用實(shí)例
某6米移動(dòng)站設(shè)備，由天線(xiàn)系統(tǒng)、電子設(shè)備、保障設(shè)備三部分組成。天線(xiàn)系統(tǒng)主要包括天饋伺有關(guān)設(shè)備，電子設(shè)備包括數(shù)臺(tái)機(jī)柜、機(jī)箱，保障設(shè)備包括車(chē)輛、方艙以及空調(diào)等。
考慮到車(chē)載特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)開(kāi)展了以下幾方面的工作：
�。�1）運(yùn)用ANSYS5.5對(duì)天線(xiàn)反射體、天線(xiàn)座架、副車(chē)架進(jìn)行計(jì)算分析，以重量和固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，以精度或變形為約束，實(shí)現(xiàn)重量與剛度的雙重優(yōu)化。
�。�2）針對(duì)原車(chē)載機(jī)柜、機(jī)箱的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析改進(jìn)、加固設(shè)計(jì)；同時(shí)，艙內(nèi)機(jī)柜采用6只減震器的標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行安裝。
（3）空調(diào)采購(gòu)軍用空調(diào)，并進(jìn)行隔振安裝。
（4）電子設(shè)備按GJB150.16-86進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)；天線(xiàn)車(chē)、電子設(shè)備車(chē)總裝后進(jìn)行500km跑車(chē)試驗(yàn)。
在振動(dòng)試驗(yàn)、跑車(chē)試驗(yàn)以及實(shí)際使用過(guò)程中，系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)異常情況，運(yùn)行正常。同時(shí)，得到以下結(jié)論：
·機(jī)柜機(jī)箱的剛強(qiáng)度大大提高；
·系統(tǒng)抗振、減震性能良好；
·天線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)諧振頻率大于5Hz，具有很好的剛性。
4結(jié)束語(yǔ)
就衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，尤其是車(chē)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)天線(xiàn)系統(tǒng)、電子設(shè)備和保障設(shè)備進(jìn)行必要的抗振設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)，有助于系統(tǒng)增強(qiáng)環(huán)境條件的適應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
〔1〕GJB150-86 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法.
〔2〕于治會(huì). 機(jī)電產(chǎn)品在車(chē)載運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)情況〔J〕. 電子機(jī)械工程，2000.12.
〔3〕申仲翰，黃清華，等. 運(yùn)輸車(chē)輛振動(dòng)環(huán)境與人體響應(yīng)的監(jiān)測(cè)研究〔J〕. 振動(dòng)與沖擊，2001.1.
〔4〕汪鳳泉，季馨,等. 電子設(shè)備振動(dòng)與沖擊手冊(cè)〔M〕. 北京：科學(xué)出版社，1998.
〔5〕艦艇電子裝備抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)要求〔C〕. 海軍裝備部電子部（內(nèi)部資料），1998.
〔6〕季馨. 電子設(shè)備振動(dòng)分析與試驗(yàn)〔M〕. 南京：東南大學(xué)出版社，1992.10.
摘自《電子機(jī)械工程》
