摘"要：為了提高飛機線束在機上裝配的可靠性，確保用電設(shè)備之間正常的互聯(lián)作用，設(shè)計一種檢驗線束裝配牢固的拉力計算方法。通過3個正交方向上的隨機振動試驗獲取線束的響應(yīng)加速度特征，結(jié)合線束在振動過程中的受力模型提出一種基于加速度方均根值的拉力計算方法，并利用搭建的線束拉脫力試驗平臺，驗證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：線束裝配；拉力計算；卡箍；隨機振動；加速度方均根

中圖分類號：V24""文獻標志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0144-04

Calculation Method of Wire Harness Assembly Tension Based on Random Vibration

PEI Longtao， YAN Jing， LU Shanshan， ZHANG Yixin

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：In order to improve the reliability of aircraft harness assembly and ensure the normal interconnection between electrical equipment， a force calculation method for inspection harness assembly inspection is designed. The response acceleration characteristics of wire harness are obtained through random vibration tests in three orthogonal directions， and in combination with the force model of wire harness in the vibration process， a force calculation method based on the root mean square value of acceleration is proposed， and its feasibility is verified by the constructed wire harness pull off force test platform.

Keywords：cable harness assembly；pulling force calculation；clamp；random vibration；root mean square of acceleration

0"引言

隨著飛機電氣化程度的增強，用電設(shè)備之間各項功能的實現(xiàn)與互聯(lián)都要通過機上敷設(shè)的線束來實現(xiàn)。在經(jīng)歷過由飛機線束故障引發(fā)的航空災(zāi)害后，美國聯(lián)邦航空安全局于2007年首次將電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（electrical wiring interconnection system，EWIS）作為一個單獨的部分進行解釋說明。此后民航局在2011年CCAR-25-R4［1］部修訂版中引入了此概念的相關(guān)標準和要求，用于對飛機線路互聯(lián)系統(tǒng)的解釋和規(guī)定。線束作為EWIS的主要組成部分，在機上安裝的可靠性對日常的功能實現(xiàn)有著重要的作用［2］。線束的安裝和固定主要是通過帶墊金屬卡箍上的螺栓連接固定在飛機結(jié)構(gòu)上［3］。目前對于此類帶墊金屬卡箍的研究主要集中在分類和選型上。鄭敏等［4］介紹了常見航空卡箍的分類及使用情況，分析了固定類卡箍的選用原則。王丹等［5］針對航空帶墊金屬卡箍的選用問題，提出了基于構(gòu)型和材料兩方面的選用建議。

關(guān)于此類航空卡箍的分類和選型研究已逐漸成熟，但在線束與卡箍裝配方面的研究較少，特別是對于線束在卡箍內(nèi)裝配可靠性問題目前沒有一個較好的解決方法。美國國防部MIL-HDBK-522A［6］、MIL-W-50881G［7］以及SAE-AIR6808［8］標準文件中對線束與金屬帶墊卡箍的裝配檢驗要求中提出，線束在卡箍中的裝配可靠性需要通過在線束端施加軸向拉力的方式來檢驗，如線束在一定軸向力下不會從卡箍中滑出，則線束在卡箍內(nèi)固定合適。線束在卡箍內(nèi)軸向移動的原因來源于振動。該文件中并沒有給出此軸向力的計算表達式，對于實際線束的檢驗指導(dǎo)仍存在困難。為此，本研究在隨機振動試驗的基礎(chǔ)上，提出了檢驗線束在卡箍內(nèi)裝配可靠性的方法，給出了軸向力的計算表達式，可為機上線束的裝配檢驗提供參考。

1"線束與卡箍裝配的隨機振動試驗

線束裝配所用卡箍結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：橡膠襯墊（A）和金屬箍帶（B），襯墊上的楔形塊（C）使得卡箍內(nèi)緣呈現(xiàn)圓形，可以提高線束與卡箍的接觸面積，同時防止異物進入卡箍內(nèi)，如圖1（a）所示。將一定直徑的線束放置在卡箍內(nèi)，通過螺栓連接使帶有螺栓孔的箍帶耳片貼合，從而實現(xiàn)線束的安裝固定，如圖1（b）所示。

1.1"振動試驗的條件設(shè)置

圖2為試驗參考譜，頻帶范圍為15～2 000Hz，加速度方均根值為1.91g。在給定參考譜下，通過三軸向振動臺分別對線束與卡箍的裝配體進行x、y和z 3個方向上的單獨激勵，激勵時長0.5h。圖3為試驗過程圖。

1.2"隨機振動試驗數(shù)據(jù)的檢驗

隨機信號分為穩(wěn)態(tài)隨機信號和非穩(wěn)態(tài)隨機信號。對穩(wěn)態(tài)隨機信號，統(tǒng)計特性不隨時間發(fā)生變化，可以用有限時間長度的樣本來描述整個隨機振動過程；非穩(wěn)態(tài)隨機信號的統(tǒng)計量隨時間發(fā)生變化，不能用統(tǒng)計量來量化描述隨機行為。所以在分析振動數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性前，需要對振動測試中的數(shù)據(jù)進行檢驗［9］。

1）正態(tài)性檢驗

選取振動數(shù)據(jù)中的一段作為該隨機振動下的樣本，利用直方圖法進行正態(tài)分布檢驗，圖4、圖5和圖6分別為x方向、y方向和z方向線束加速度時域曲線圖和正態(tài)分布擬合圖。從正態(tài)擬合曲線圖中可以看出線束加速度數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2）穩(wěn)態(tài)性檢驗

隨機振動的穩(wěn)態(tài)性檢驗方法有目視檢查法、方均根值檢驗法等。

目視檢查法是通過目視的方法觀察振動信號波形的時間歷程，若信號波形波動很小，振動波形的峰谷變化比較均勻，就可近似認為該信號是平穩(wěn)的。方均根值檢驗法是將振動信號不同時間樣本的方均根值輸至一方均根表，判斷不同時間樣本方均根值隨時間的變化情況，若變化很小，可認為該信號平穩(wěn)。

這里選用方均根值檢驗法來檢測隨機信號的穩(wěn)態(tài)性，將3個方向上的樣本時域振動數(shù)據(jù)分為10段，各段在時間上保持連續(xù)，分別對10段數(shù)據(jù)計算加速度方均根值并作圖，如圖7所示。

根據(jù)圖7中各方向上的加速度方均根值變化曲線，可以看出加速度方均根數(shù)據(jù)變化比較平穩(wěn)，因此可認為該隨機信號屬于穩(wěn)態(tài)隨機振動信號。

2"振動數(shù)據(jù)分析

2.1"時域分析

對于一個穩(wěn)態(tài)隨機振動信號，其時域統(tǒng)計特征量可分別由均值、方差、方均值來描述。分別計算3個方向上加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的時域統(tǒng)計量，計算結(jié)果如表1所示。

由表1中可以看出線束加速度響應(yīng)屬于均值為0的穩(wěn)態(tài)隨機振動，振動數(shù)據(jù)的方差值等于方均值。其中x方向方均根值最大， y方向上的方均根值最小。x激勵方向與線束軸向方向相同，線束最容易在卡箍內(nèi)失效滑動的振動來自于線束軸向方向。

2.2"頻域分析

隨機振動的頻域分析是功率譜密度函數(shù)，功率譜密度函數(shù)是自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變化，分別對3個方向上的時域數(shù)據(jù)進行頻域轉(zhuǎn)換，得到各自的功率譜密度曲線圖，如圖8所示。

從圖8中可以看出，功率譜密度在0～500Hz范圍內(nèi)的低頻部分分布比例高，高頻部分比例低，線束振動能量主要集中分布在低頻部分。

3"軸向拉力表達式的確定

3.1"前提假設(shè)

為了減小問題分析的復(fù)雜程度，現(xiàn)對其模型做出如下假設(shè)：

1）線束沿卡箍軸向振動過程中不考慮線束松弛度，即不考慮線束下垂量帶來的影響；

2）線束內(nèi)各導(dǎo)線具有相同的運動規(guī)律，各導(dǎo)線之間不存在相對運動；

3）與同一線束段裝配固定的兩個相鄰卡箍內(nèi)產(chǎn)生的摩擦力相同。

3.2"數(shù)學計算模型

由時域加速度方均根振動數(shù)據(jù)可知，線束在卡箍軸線方向上的響應(yīng)加速度方均根值最大，實際振動過程中引起的線束慣性力也最大，所以實際工作狀態(tài)下線束最易沿著卡箍軸向方向發(fā)生滑動松脫，引發(fā)卡箍固定失效。圖9為線束軸向振動受力模型圖，卡箍1和卡箍2分別作為線束的固定點安裝在飛機結(jié)構(gòu)上。

線束在軸向方向的響應(yīng)加速度方均根值為1.615 8g，要稍小于激勵加速度方均根值1.91g，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于卡箍上的橡膠襯墊造成的。根據(jù)橡膠材料的減震特性，振動能量由卡箍傳遞到線束的過程中，一部分能量通過橡膠襯墊的減震性消耗掉了，所以線束上的加速度響應(yīng)值要小于振動激勵值。

通常情況下，振動試驗的參考譜是已知的，即激勵的加速度方均根值是已知的。如果忽略掉襯墊的減震效果，將激勵的加速度方均根值作為線束軸向響應(yīng)的方均根值，即可以在非振動測試條件下獲取線束響應(yīng)的時域統(tǒng)計量，減少試驗的次數(shù)，節(jié)約時間成本；同時加速度方均根值可以用來表示振動量級的大小，因此可以將隨機振動下的方均根值作為線束振動慣性力下的等效加速度來計算線束在振動過程中產(chǎn)生的慣性力。由圖9可知線束慣性力大小 ：

Farms=marms（1）

要使線束在振動過程中不會產(chǎn)生軸向滑動，相鄰卡箍內(nèi)產(chǎn)生的摩擦力f：

2f=marms（2）

固定一段線束上的單個卡箍內(nèi)所要產(chǎn)生的最小摩擦力fmin：

fmin=marms/2（3）

該摩擦力在數(shù)值上等于靜載荷條件下使線束從卡箍中滑動的軸向拉脫力。因此可以將該拉脫力的一半，即中等程度大小的拉脫力作為檢驗線束在卡箍內(nèi)裝配可靠性的軸向拉力，計算式如下：

F=fmin/2=marms/4（4）

式中：arms為振動激勵的加速度方均根值；m為兩個相鄰卡箍之間的線束質(zhì)量。

3.3"試驗驗證

線束隨機振動試驗譜加速度方均根值為1.91g，線束重量3N，代入式（4）中得軸向拉力：

F=marms4=1.43 N（5）

使用指針式推拉測力計的峰值模式測量線束剛好從卡箍內(nèi)拉脫時的拉力值，測力計量程為100N，最小分度值為0.5N。試驗過程中將測力計拉力端與用單個卡箍固定的線束一端相連，沿卡箍軸線方向水平緩慢拉動線束直到線束在卡箍內(nèi)產(chǎn)生滑動，記錄此時測力計的數(shù)值，如圖10所示。為減小試驗誤差，重復(fù)操作5次，得到表2所示數(shù)據(jù)。

試驗5次的平均值：

3.0+3.0+3.2+3.1+3.05=3.06 N（6）

根據(jù)線束拉脫力等于最大靜摩擦力的原理，單個卡箍實際接觸面內(nèi)產(chǎn)生的最大靜摩擦力：

fs=3.06 N（7）

理論計算情況下，線束在單個卡箍內(nèi)產(chǎn)生的最大摩擦力：

ft=2F=2×1.43=2.86 N（8）

兩者的相對誤差：

ft-fsfs×100%=6.54%（9）

理論與實際計算誤差在10%以內(nèi)，可認為通過模型建立的拉力理論計算表達式是正確的。之后通過線束軸向拉力試驗驗證，在拉力F作用下線束在卡箍內(nèi)不會產(chǎn)生軸向移動，即線束在卡箍內(nèi)固定牢靠，證明了該方法的可行性。

4"結(jié)語

線束在機上裝配質(zhì)量的可靠性對于飛機的安全適航有著非常重要的作用，本文基于對線束在隨機振動載荷下的響應(yīng)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合國外標準中拉力的檢驗方法，提出了一種用于計算線束裝配條件下的中等力計算檢驗方法，為實際生產(chǎn)實踐中線束在卡箍內(nèi)的裝配可靠性提供一種檢驗方法。

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收稿日期：20221011