摘"要：為了提高飛機(jī)線束在機(jī)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(jì)一種檢驗(yàn)線束裝配牢固的拉力計(jì)算方法。通過(guò)3個(gè)正交方向上的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)獲取線束的響應(yīng)加速度特征，結(jié)合線束在振動(dòng)過(guò)程中的受力模型提出一種基于加速度方均根值的拉力計(jì)算方法，并利用搭建的線束拉脫力試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：線束裝配；拉力計(jì)算；卡箍；隨機(jī)振動(dòng)；加速度方均根

中圖分類號(hào)：V24""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""文章編號(hào)：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(jī)電氣化程度的增強(qiáng)，用電設(shè)備之間各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)都要通過(guò)機(jī)上敷設(shè)的線束來(lái)實(shí)現(xiàn)。在經(jīng)歷過(guò)由飛機(jī)線束故障引發(fā)的航空災(zāi)害后，美國(guó)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(gè)單獨(dú)的部分進(jìn)行解釋說(shuō)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(biāo)準(zhǔn)和要求，用于對(duì)飛機(jī)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(jī)上安裝的可靠性對(duì)日常的功能實(shí)現(xiàn)有著重要的作用［2］。線束的安裝和固定主要是通過(guò)帶墊金屬卡箍上的螺栓連接固定在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上［3］。目前對(duì)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(duì)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(duì)于線束在卡箍?jī)?nèi)裝配可靠性問題目前沒有一個(gè)較好的解決方法。美國(guó)國(guó)防部MIL-HDBK-522A［6］、MIL-W-50881G［7］以及SAE-AIR6808［8］標(biāo)準(zhǔn)文件中對(duì)線束與金屬帶墊卡箍的裝配檢驗(yàn)要求中提出，線束在卡箍中的裝配可靠性需要通過(guò)在線束端施加軸向拉力的方式來(lái)檢驗(yàn)，如線束在一定軸向力下不會(huì)從卡箍中滑出，則線束在卡箍?jī)?nèi)固定合適。線束在卡箍?jī)?nèi)軸向移動(dòng)的原因來(lái)源于振動(dòng)。該文件中并沒有給出此軸向力的計(jì)算表達(dá)式，對(duì)于實(shí)際線束的檢驗(yàn)指導(dǎo)仍存在困難。為此，本研究在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了檢驗(yàn)線束在卡箍?jī)?nèi)裝配可靠性的方法，給出了軸向力的計(jì)算表達(dá)式，可為機(jī)上線束的裝配檢驗(yàn)提供參考。

1"線束與卡箍裝配的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

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?jī)?nèi)緣呈現(xiàn)圓形，可以提高線束與卡箍的接觸面積，同時(shí)防止異物進(jìn)入卡箍?jī)?nèi)，如圖1（a）所示。將一定直徑的線束放置在卡箍?jī)?nèi)，通過(guò)螺栓連接使帶有螺栓孔的箍帶耳片貼合，從而實(shí)現(xiàn)線束的安裝固定，如圖1（b）所示。

1.1"振動(dòng)試驗(yàn)的條件設(shè)置

圖2為試驗(yàn)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(guò)三軸向振動(dòng)臺(tái)分別對(duì)線束與卡箍的裝配體進(jìn)行x、y和z 3個(gè)方向上的單獨(dú)激勵(lì)，激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)0.5h。圖3為試驗(yàn)過(guò)程圖。

1.2"隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

隨機(jī)信號(hào)分為穩(wěn)態(tài)隨機(jī)信號(hào)和非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)信號(hào)。對(duì)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)信號(hào)，統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間發(fā)生變化，可以用有限時(shí)間長(zhǎng)度的樣本來(lái)描述整個(gè)隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程；非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)量隨時(shí)間發(fā)生變化，不能用統(tǒng)計(jì)量來(lái)量化描述隨機(jī)行為。所以在分析振動(dòng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性前，需要對(duì)振動(dòng)測(cè)試中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)［9］。

1）正態(tài)性檢驗(yàn)

選取振動(dòng)數(shù)據(jù)中的一段作為該隨機(jī)振動(dòng)下的樣本，利用直方圖法進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，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(shí)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(yàn)

隨機(jī)振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)性檢驗(yàn)方法有目視檢查法、方均根值檢驗(yàn)法等。

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

這里選用方均根值檢驗(yàn)法來(lái)檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)的穩(wěn)態(tài)性，將3個(gè)方向上的樣本時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)分為10段，各段在時(shí)間上保持連續(xù)，分別對(duì)10段數(shù)據(jù)計(jì)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(rèn)為該隨機(jī)信號(hào)屬于穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)。

2"振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2.1"時(shí)域分析

對(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，其時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征量可分別由均值、方差、方均值來(lái)描述。分別計(jì)算3個(gè)方向上加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)量，計(jì)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(jī)振動(dòng)，振動(dòng)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(lì)方向與線束軸向方向相同，線束最容易在卡箍?jī)?nèi)失效滑動(dòng)的振動(dòng)來(lái)自于線束軸向方向。

2.2"頻域分析

隨機(jī)振動(dòng)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(duì)3個(gè)方向上的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)能量主要集中分布在低頻部分。

3"軸向拉力表達(dá)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(duì)其模型做出如下假設(shè)：

1）線束沿卡箍軸向振動(dòng)過(guò)程中不考慮線束松弛度，即不考慮線束下垂量帶來(lái)的影響；

2）線束內(nèi)各導(dǎo)線具有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，各導(dǎo)線之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；

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

3.2"數(shù)學(xué)計(jì)算模型

由時(shí)域加速度方均根振動(dòng)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(shí)際振動(dòng)過(guò)程中引起的線束慣性力也最大，所以實(shí)際工作狀態(tài)下線束最易沿著卡箍軸向方向發(fā)生滑動(dòng)松脫，引發(fā)卡箍固定失效。圖9為線束軸向振動(dòng)受力模型圖，卡箍1和卡箍2分別作為線束的固定點(diǎn)安裝在飛機(jī)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(lì)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(dòng)能量由卡箍傳遞到線束的過(guò)程中，一部分能量通過(guò)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(dòng)激勵(lì)值。

通常情況下，振動(dòng)試驗(yàn)的參考譜是已知的，即激勵(lì)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(lì)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(dòng)測(cè)試條件下獲取線束響應(yīng)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)量，減少試驗(yàn)的次數(shù)，節(jié)約時(shí)間成本；同時(shí)加速度方均根值可以用來(lái)表示振動(dòng)量級(jí)的大小，因此可以將隨機(jī)振動(dòng)下的方均根值作為線束振動(dòng)慣性力下的等效加速度來(lái)計(jì)算線束在振動(dòng)過(guò)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(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生軸向滑動(dòng)，相鄰卡箍?jī)?nèi)產(chǎn)生的摩擦力f：

2f=marms（2）

固定一段線束上的單個(gè)卡箍?jī)?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(dòng)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(yàn)線束在卡箍?jī)?nèi)裝配可靠性的軸向拉力，計(jì)算式如下：

F=fmin/2=marms/4（4）

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

3.3"試驗(yàn)驗(yàn)證

線束隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)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(cè)力計(jì)的峰值模式測(cè)量線束剛好從卡箍?jī)?nèi)拉脫時(shí)的拉力值，測(cè)力計(jì)量程為100N，最小分度值為0.5N。試驗(yàn)過(guò)程中將測(cè)力計(jì)拉力端與用單個(gè)卡箍固定的線束一端相連，沿卡箍軸線方向水平緩慢拉動(dòng)線束直到線束在卡箍?jī)?nèi)產(chǎn)生滑動(dòng)，記錄此時(shí)測(cè)力計(jì)的數(shù)值，如圖10所示。為減小試驗(yàn)誤差，重復(fù)操作5次，得到表2所示數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)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(gè)卡箍實(shí)際接觸面內(nèi)產(chǎn)生的最大靜摩擦力：

fs=3.06 N（7）

理論計(jì)算情況下，線束在單個(gè)卡箍?jī)?nèi)產(chǎn)生的最大摩擦力：

ft=2F=2×1.43=2.86 N（8）

兩者的相對(duì)誤差：

ft-fsfs×100%=6.54%（9）

理論與實(shí)際計(jì)算誤差在10%以內(nèi)，可認(rèn)為通過(guò)模型建立的拉力理論計(jì)算表達(dá)式是正確的。之后通過(guò)線束軸向拉力試驗(yàn)驗(yàn)證，在拉力F作用下線束在卡箍?jī)?nèi)不會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，即線束在卡箍?jī)?nèi)固定牢靠，證明了該方法的可行性。

4"結(jié)語(yǔ)

線束在機(jī)上裝配質(zhì)量的可靠性對(duì)于飛機(jī)的安全適航有著非常重要的作用，本文基于對(duì)線束在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的響應(yīng)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中拉力的檢驗(yàn)方法，提出了一種用于計(jì)算線束裝配條件下的中等力計(jì)算檢驗(yàn)方法，為實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中線束在卡箍?jī)?nèi)的裝配可靠性提供一種檢驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］ CCAR-25-R4中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［2］ 池梁，閆靜，高科，等. 基于層次模型的線束裝配定位方法研究［J］. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2019，48（3）：25-28，36.

［3］ 閆靜，顧嘉煒. 基于系統(tǒng)分離規(guī)則的線束通道研究［J］. 航空計(jì)算技術(shù)，2021，51（6）：112-116.

［4］ 鄭敏，王宗武，張艷，等. 航空卡箍選用裝配研究［J］. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2015（2）：23-26，42.

［5］ 王丹，金鑫. 民用航空帶墊金屬卡箍的選用研究［J］. 中國(guó)科技信息，2016（12）：69-70.

［6］ SAE International， MIL-HDBK-522A， Guidelines for inspection of aircraft electrical wiring interconnect systems［S］.

［7］ SAE International，MIL-W-50881G，Wiring aerospace vehicle ［S］.

［8］ SAE International， SAE-AIR6808， Aerospace vehicle wiring， lessons Learned［S］.

［9］ 喬新愚，肖建紅，鄭術(shù)力. 隨機(jī)振動(dòng)的描述方法及穩(wěn)態(tài)檢驗(yàn)［J］. 電子質(zhì)量，2006（6）：33-35.

收稿日期：20221011