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南京電子技術(shù)研究所，南京210013
摘 要：介紹了車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動產(chǎn)生的原因，并結(jié)合振動理論，著重分析了進行車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)振動設計的途徑與方法，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；加固設計；振動隔離；振動試驗
1前言
車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由三部分組成：一是前端天線系統(tǒng)設備，包括天線、饋線、以及天線座與傳動系統(tǒng)；二是電子設備部分，包括接收、發(fā)射和信道等；三是運輸載體和系統(tǒng)保障設備，包括車輛、方艙、電源和空調(diào)等。這些設備在運輸和使用過程中，由于內(nèi)外因素的影響，會產(chǎn)生振動。
產(chǎn)生振動的原因主要有：
·運輸狀態(tài)下，路面的不平整性引起各設備的上下、前后、左右多方向的振動；
·工作狀態(tài)下，天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振；
·工作狀態(tài)下，風載造成的天線激振；
·包括電源、空調(diào)、風機在內(nèi)的各有源設備工作時的自主振動。
其中前兩個因素對系統(tǒng)的電訊性能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響最大，容易引起設備的破壞。其現(xiàn)象大致分兩類：
·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、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，對車載衛(wèi)通系統(tǒng)的振動進行控制和分析十分必要。由于保障設備一般由專業(yè)廠家提供，所以著重探討天線系統(tǒng)與電子設備的抗振設計，并從振源的控制、結(jié)構(gòu)的加固設計、設備的減振隔振、試驗的驗證等四方面進行分析。
2設計與分析
2.1改善運輸環(huán)境，控制振源
在運輸狀態(tài)下，公路運輸環(huán)境最為惡劣，因此，以公路運輸環(huán)境來作為系統(tǒng)的運輸環(huán)境。公路運輸環(huán)境是一種寬帶振動，它是由于車體的支承、結(jié)構(gòu)與路面平度的綜合作用產(chǎn)生的。車體在上下、前后、左右方向上同時存在不同的振動，而上下方向的振動量又最為嚴重〔1〕〔2〕。所以，運輸環(huán)境下著重分析設備上下方向的振動。
在公路運輸狀態(tài)下，振源的形成主要來自于路面，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)的振動模型如圖1所示。
試驗與分析表明，路面越不平整，車速越快，車輛及其設備的振動越激烈，振動的振幅以及加速度均很大。所以，合理選擇行車道路和行駛速度，有助于減小振動振幅。在等級較差的路面上行駛時，降低車速可以減緩車輛及其設備的振動，有助于保護設備。但由于行車道路和行駛速度不是設計人員所能控制的，因而，設計者在進行系統(tǒng)設計時，要以最為惡劣的環(huán)境來考慮。
2.2加固設計
無論是天線系統(tǒng)，還是電子設備，均應遵循剛度設計為主、強度校核為輔的設計指導思想。加固設計就是針對結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)進行的。通過加固設計，能夠提高設備的剛度、強度，提高結(jié)構(gòu)固有頻率，進而提高設備抗振抗沖擊性能。
2.2.1天線系統(tǒng)的加固設計
工作狀態(tài)下，天線系統(tǒng)一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振，就會直接影響到天線電訊性能以及系統(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，是提高天線結(jié)構(gòu)的固有頻率。而天線座的傳動系統(tǒng)是天線反射體與基礎構(gòu)件連接的橋梁，又是運動受力載體，故傳動系統(tǒng)剛度對天線系統(tǒng)固有頻率的影響非常重大。結(jié)構(gòu)設計時，增大傳動系統(tǒng)剛度，降低天線負載的轉(zhuǎn)動慣量，可以有效地提高系統(tǒng)的固有頻率。
在天線傳動系統(tǒng)剛度滿足要求的前提下，天線反射體和天線座架的剛度決定著系統(tǒng)的固有結(jié)構(gòu)諧振頻率。運用有限元分析，運用大型結(jié)構(gòu)分析軟件NASTRAN、SAP或ANSYS，對天線反射體和天線座架進行動靜力分析和優(yōu)化設計，在重量符合要求的條件下，將自重和風載作為載荷，以固有頻率為目標函數(shù)，尋求最大結(jié)構(gòu)剛度，獲取最佳設計方案。通過優(yōu)化設計、分析，改善結(jié)構(gòu)的整體剛度，使薄弱環(huán)節(jié)得到加強，使結(jié)構(gòu)的固有頻率得到提高，使結(jié)構(gòu)的應力分布趨于均勻合理。
汽車運輸狀態(tài)下，天線系統(tǒng)或者直接剛性安裝在車輛或方艙上，或者通過包裝架剛性安裝在車輛上。因而在對天線、天線座加固設計的同時，要對安裝基座、車頂、車架或包裝架進行加固，從而提高剛性，確保其共振頻率比汽車正常遇到的強迫頻率高得多。
2.2.2電子設備的加固設計
電子設備在結(jié)構(gòu)上一般包含機柜、機箱和組件（或印制板、電源板）三個層次結(jié)構(gòu)。層次設備的剛度設計必須遵守倍頻程規(guī)則。機架的固有頻率應大于掃頻激勵頻率。裝于機架內(nèi)的模塊、插箱的固有頻率應大于2倍的機架固有頻率；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大于2倍的模塊、插箱固有頻率〔5〕。
對電子設備進行加固設計，目的就是增大剛度，提高固有頻率。機柜機架的剛度主要取決于組成機架機柜各結(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設備自身剛度設計
機箱、機柜在載荷作用下會產(chǎn)生彎曲和轉(zhuǎn)動，即沿垂直軸振動時將產(chǎn)生彎扭耦合振動。機箱、機柜等結(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，在計算時假設機箱、機柜相當于單自由度系統(tǒng)，則機箱、機柜彎扭耦合振動固有頻率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；
·縮短長度；
·提高抗彎、抗扭剛度。
在設備的質(zhì)量、尺寸一定的條件下，提高機柜、機箱的抗彎、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、可靠性等多方面進行結(jié)構(gòu)設計。
·對薄弱環(huán)節(jié)以及承載零部件進行重點分析。機柜骨架是決定機柜剛度的關(guān)鍵；插箱底板是電子模塊、組件的安裝基礎。因而結(jié)構(gòu)設計時，盡可能提高機柜骨架、插箱底板的剛度。
·合理布置受力點，合理分布載荷，防止耦聯(lián)振動，減小集中應力。機箱內(nèi)電子組件應盡量靠近兩邊側(cè)板，不能集中在中間；三級導軌的安裝位置應盡量與機箱重心高度一致。
2.2.2.2連接剛度設計
·機箱與機柜、機箱內(nèi)組件與機箱、各過渡件與機柜機箱聯(lián)接應可靠。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。
·通常機箱與機柜的聯(lián)接除前面板螺釘、兩側(cè)導軌支撐外，應在后面板上設置定位銷進行鎖定，從而承受上下、左右方向的振動與沖擊載荷。
·機柜上安裝側(cè)門與后門，有助于增加機柜的整體剛度，同時門板與骨架的聯(lián)接應牢固。
2.3振動隔離
2.3.1隔振系統(tǒng)模型
在對電子設備進行加固設計的同時，應采取隔振緩沖措施。設備采取隔振緩沖是抗振抗沖擊的重要措施，一個好的隔振緩沖系統(tǒng)可有效地降低振動傳遞率、碰撞傳遞率和沖擊傳遞率。
電子設備一般安放在機柜內(nèi)，對電子設備的隔振緩沖，主要依靠機柜隔振器的隔振緩沖作用。目前對高1.2米以上機柜，隔振器的安裝方式已標準化〔5〕，即在設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，有助于減小設備的搖晃。其力學模型如圖2所示。
對機柜的背架式隔振系統(tǒng)而言，根據(jù)振動理論分析，得知其存在著耦聯(lián)自由度，會引起局部共振和系統(tǒng)耦聯(lián)共振。因而，抗共振設計和解耦設計是背架式隔振系統(tǒng)要解決的兩大問題〔6〕。
2.3.2抗共振設計
抗共振設計的目的是避免或抑制共振。對于機械振動系統(tǒng)，共振現(xiàn)象總是難以避免的。為了防止隔振系統(tǒng)過大的共振傳遞率對設備的損壞，所選隔振器的傳遞率應在標準規(guī)定的范圍之內(nèi)，即最大共振傳遞率（ηv）max≤5。對于不產(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盡可能低，同時隔振器應具有變阻尼特性〔4〕。
在實際應用中，我們應優(yōu)先選用隔振傳遞率小、固有頻率低的隔振器來抑制電子設備的共振。
2.3.3解耦設計
對于機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。但在實際工作中，這種安裝方式難以實現(xiàn)，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，因而多采用標準安裝方式。
但對于背架式安裝隔振系統(tǒng)而言，耦合振動不可避免。解耦設計的目的，是避免或減小耦合振動， 盡可能減小或避免耦合振動帶來的有害影響。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〕。試驗證明，GWF和GBJ匹配使用時可獲得三向無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、無諧峰減震器和鋼絲繩減震器。
三種減震器各有優(yōu)缺點：
·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。
·無諧峰減震器：減振及隔沖效果好，無共振放大，壽命長，但載荷必須在減震器的額定載荷的20%以內(nèi)，否則效果會差些。
·鋼絲繩減震器：剛度具有漸軟的非線性特性，傳遞率低，能適應多種受力狀態(tài)，主要適合于壁式安裝。
三種減震器常用型號的組合使用情況及各自性能，分別見表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。根據(jù)使用情況來看，三者各有優(yōu)缺點。相比而言，組合I方便、簡單、經(jīng)濟，但減振效果一般；組合Ⅲ性能最佳、效果最好，但價格上相對要貴一些；而組合Ⅱ各方面居于兩者中間。因而在設備振動環(huán)境較好時，可優(yōu)先選用組合Ⅰ；在有較高要求或設備振動環(huán)境較惡劣時，則應優(yōu)先選用組合Ⅲ，以取得良好的減振隔振效果。
2.4振動試驗
由于振動環(huán)境錯綜復雜，振動分析的結(jié)果不可避免存在一定的誤差和不確定性，因而還需通過振動試驗來進行分析與驗證。
振動試驗，用于評定設備在其預期的運輸和使用環(huán)境中的抗振能力。通過振動試驗，可以分析設備的振動特性和動態(tài)參數(shù)，為新設計的電子設備的振動分析與設計計算提供可靠數(shù)據(jù)，極大提高振動計算分析的準確度；暴露現(xiàn)有電子設備結(jié)構(gòu)工藝中的缺陷、薄弱環(huán)節(jié)，為進行設備的結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)。
通過進行計算分析、結(jié)構(gòu)設計與振動試驗，再到計算分析和結(jié)構(gòu)設計的循環(huán)，大大提高了設備抗振能力。
對于已經(jīng)定型生產(chǎn)的保障設備和天線設備以及個別不能做振動試驗的特殊設備，一般是通過跑車試驗代替振動試驗，以達到驗證的目的。
3工程應用實例
某6米移動站設備，由天線系統(tǒng)、電子設備、保障設備三部分組成。天線系統(tǒng)主要包括天饋伺有關(guān)設備，電子設備包括數(shù)臺機柜、機箱，保障設備包括車輛、方艙以及空調(diào)等。
考慮到車載特性，結(jié)構(gòu)設計時開展了以下幾方面的工作：
�。�1）運用ANSYS5.5對天線反射體、天線座架、副車架進行計算分析，以重量和固有頻率為目標函數(shù)，以精度或變形為約束，實現(xiàn)重量與剛度的雙重優(yōu)化。
（2）針對原車載機柜、機箱的薄弱環(huán)節(jié)進行分析改進、加固設計；同時，艙內(nèi)機柜采用6只減震器的標準方式進行安裝。
�。�3）空調(diào)采購軍用空調(diào)，并進行隔振安裝。
（4）電子設備按GJB150.16-86進行振動試驗；天線車、電子設備車總裝后進行500km跑車試驗。
在振動試驗、跑車試驗以及實際使用過程中，系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)異常情況，運行正常。同時，得到以下結(jié)論：
·機柜機箱的剛強度大大提高；
·系統(tǒng)抗振、減震性能良好；
·天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)諧振頻率大于5Hz，具有很好的剛性。
4結(jié)束語
就衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，尤其是車載衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對天線系統(tǒng)、電子設備和保障設備進行必要的抗振設計、分析和試驗，有助于系統(tǒng)增強環(huán)境條件的適應能力，增強系統(tǒng)的可靠性。
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摘自《電子機械工程》
