机载设备前置A型紧定器设计*

杨 刚，罗炳华

(四川九洲空管科技有限责任公司， 四川 绵阳 621000)

机载设备前置A型紧定器设计*

杨 刚，罗炳华

(四川九洲空管科技有限责任公司， 四川 绵阳 621000)

为实现机载电子设备的可靠锁紧及方便拆卸，文中介绍了一种符合国军标通用性要求的机载前置A型紧定器，对其原理及结构进行了论证和设计，采用Matlab编程软件对紧定簧的参数进行了人工优化及增强设计，最后采用有限元法对紧定器的动力学特性进行了分析验证。理论分析及实际使用效果表明：该紧定器能经受严酷的机载环境考验，且符合人机工程学原理，易装易拆。

紧定器;机载电子设备;随机振动

引 言

现代作战飞机的机动性能越来越高，在飞机的起落和巡航过程中，机载电子设备需承受较大量级的复杂的振动、冲击载荷, 因此要求每一种机载电子设备具有良好的紧固措施。为此，GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》规定了多种严格的环境试验方法( 如振动、冲击、加速度等)以考验机载设备的防松脱能力，而机载设备防松脱能力的强弱与其紧定装置息息相关，因此，必须研制能快速可靠锁紧的机载电子设备紧定器。同时，为简化设计程序，加快设备的改型换代及重新投入作战的过程，提高设备的可靠性和可维修性, 缩短维修时间, 简化后勤保障，要求机载电子设备紧定器实现“三化”(通用化、 系列化、 模块化)。GJB 441—1988《机载电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸》以及GJB 780—1989《机载电子设备的安装架及其附件的基本尺寸》对机载电子设备的紧定器作了较详尽的说明[1]。在GJB 441—1988 中, 紧定装置被分为前紧定装置和后紧定装置2大类。后紧定一般通过矩形电连接器或后紧定销实现，所以前紧定装置的设计在紧定装置的整体设计中往往起着关键作用[2]。本文介绍了一种符合GJB 441—1988标准规定的通用A型前紧定器的设计。

1 前置A型紧定器结构设计

1.1 设计依据

GJB 441—1988以图纸的形式, 规定了机载电子设备用安装架及其附件结构的基本尺寸，适用于装在飞机电子设备舱内的机载电子设备。该标准规定的前紧定装置主要有A、B、C 3种类型。A 型紧定装置是由滚花螺母和安装在设备上的前紧定钩构成的螺旋紧定机构, 其典型装置如图1 所示。

为使机载紧定器符合“三化”要求，该设计遵循GJB 441—1988规定的前置式A型紧定器样式和基本尺寸，以紧定器的锁紧装置为重点，进行了结构细部设计。

图1 A型前紧定装置典型结构

1.2 结构组成

如图2所示，该紧定器包括螺栓、环扣、螺母、棘轮、锁紧弹簧和圆环。螺栓呈柱体六方结构，加工有螺纹，底端带有销孔。

图2 A型前紧定装置的结构组成

螺母包括依次相连的大直径部、小直径部和卡接配合部，卡接配合部的一端铆接圆环，如图3所示。

图3 螺母的结构形式

棘轮呈环形，套在螺母上，其一端内凹形成卡接部，卡接部卡接在螺母的卡接配合部上，棘轮上有4个铅丝孔，如图4所示。

图4 棘轮结构形式

圆环的一端均匀分布着棘齿，可以和棘轮上的棘齿相互咬合，另一端内凹，工作时嵌入紧定钩。圆环中心为六边形通孔，其尺寸比螺栓的六边形柱稍大。因此圆环可在螺栓上上下滑动。圆环的结构示意图如图5所示。

图5 圆环结构形式

2 结构原理

如图2～图5所示，紧定器包括螺栓、环扣、螺母、棘轮、锁紧弹簧和圆环。其相互配合关系为：环扣内部为六方孔形，套在六方形螺栓上，六方孔配合限制环扣，使之只能沿螺拴轴向滑动而不能转动；螺母旋合在螺栓上；棘轮呈环形，套在螺母上，其一端内凹形成卡接部，棘轮的卡接部卡接在螺母的卡接配合部上，且设有卡接部的一端抵接环扣，棘轮与螺母之间无转动自由度；螺母卡接配合部的一端铆接环(见图2)后，与棘轮组成组合体，限制棘轮沿螺母的中心轴线方向做有限移动；锁紧弹簧套在棘轮内部的螺母上，其一端抵接大直径部，另一端抵接棘轮，锁紧弹簧装配后有一定的预紧力，使锁紧弹簧始终保持压缩状态，提供持续的紧定力。

棘轮与环扣抵接的端面上均匀分布着棘齿，它们相互咬合，且棘轮的齿向与螺母的旋合方向相反。工作时螺母与环扣相互锁死，因而不能在螺栓上旋动。紧定机载电子设备时，滑动紧定器上的环扣，使之扣在紧定钩上。旋转棘轮与螺母组合体，使之与环扣相对拧紧，压迫环扣，使之与紧定钩扣紧，限制环扣沿螺栓轴线方向的运动。此时棘轮上的棘齿与环扣上的棘齿相互咬合，使螺母与环扣相互锁死而不能在螺栓上转动。棘轮和螺母之间有锁紧弹簧预压力，因此棘轮和环扣上的棘齿在工作工程中总是咬合在一起，另外配合铅丝防松，即可实现对机箱的可靠锁紧。

拆卸下机箱时，先卸下铅丝，拉起并逆时针旋转棘轮，带动螺母旋转，即可解除棘轮与环扣的咬合，进而松开环扣，卸下机箱。

2.1 弹簧锁紧力设计

锁紧弹簧是整个紧定器可靠紧定的重要因素，从可靠性的角度出发，紧定力越大越可靠。而另一方面，松开紧定器时需克服紧定弹簧拉出棘轮，根据人机工程学原理，成年人拇指与食指成环的最大拉力约为50 N。紧定弹簧为圆柱螺旋弹簧，因受紧定器尺寸的限制，弹簧线径d的大小范围为0.5 mm ≤d≤ 2 mm。根据GB/T1239.6—1992[3]，上述线径的弹簧旋绕比C为5 ≤C≤ 14。根据结构设计，弹簧的中径D约为10 mm。因此，弹簧的线径可进一步缩小到0.6 mm ≤d≤ 1.6 mm。弹簧的刚度系数K为

式中：G为弹簧的材料切变模量；n为弹簧的有效圈数。采用Matlab编程软件进行计算，以弹簧线径d为变量，0.6 mm ≤d≤ 1.6 mm，步长为0.1 mm，计算结果为多维数组，每行分别为弹簧的线径、刚度系数及旋绕比。数据量较小，因而可轻易地进行人工优化，选择合适的线径1.4 mm，此时刚度系数为4.14 N/mm，中径为10 mm，有效圈数为8，旋绕比为8，符合国标GB/T 1239.6—1992的相关要求。

紧定时弹簧的设计压缩长度为7 mm，算出的紧定力约为29 N。松开紧定器时，需进一步压缩紧定簧4 mm，此时拇指与食指成环的拉力为45.5 N，符合人机工程学原理。

2.2 紧定器动力学特性分析

机载紧定器承受的主要载荷为飞机的振动与冲击载荷。在较大振动激励作用下，紧定器可能的失效方式主要有以下2种：

1) 紧定簧发生较大变形，使紧定器松动失效;

2) 振动应力较大，紧定器产生疲劳破坏。

以上2个问题分别属于动刚度与动强度问题。

2.2.1 紧定器动刚度设计

紧定器的动刚度问题，可以通过合理选材、采用增强刚度的结构形式、提高紧定力等措施得到改善。然而因受结构尺寸、人机工程学等的限制，以上措施无法达到较高的可靠性。因此，在采用以上措施的同时，还设计了铅丝保险绳装置，在相邻安装的2个紧定器的棘轮之间通过铅丝保险绳互锁，有效弥补了动刚度不足的问题，大大提高了可靠性，并经过了多平台的实际检验。

2.2.2 紧定器动强度分析

采取措施提高动刚度的同时，也显著提高了紧定器的动强度。本文采用某螺旋桨飞机耐久振动PSD谱线，对增强设计的紧定器进行了设备主振方向上的随机振动分析。随机振动分析以模态分析为基础，由于非线性模态的相关理论尚不完善，在进行模态分析时对模型中的非线性问题都进行了线性化，如用绑定约束代替接触、忽略阻尼等，该简化方式对模态分析的影响较小。模态分析中考虑了紧定簧的紧定力，即进行了含预应力的模态分析，相关分析结果图6和图7所示。

图6 紧定器均方根应力云图

图7 紧定器均方根位移云图

从随机振动分析可以看出：紧定器的最大均方根加速度响应为21.5g，最大均方根应力为11.87 MPa，远小于不锈钢材质的强度极限520 MPa，具有较高的安全裕度；紧定器的最大均方根位移较小，为0.016 5 mm。因此，该机载紧定器满足特定环境下的动强度要求。

3 结束语

这种前置A型紧定器的结构尺寸符合GJB 441—1988的规定，符合军用机载电子设备及其附件的“三化”要求。目前，该紧定器已经成功用于多种电子设备，安装在不同的机载平台上。理论分析及实际环境使用证明：该前置紧定器装配、拆卸方便，锁紧牢靠，具有较高的可靠性和安全系数。

[1] 顾世敏. GJB 441—1988 机载电子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸[S]. 北京：国防科工委军标出版发行部, 1988.

[2] 邹鹏文. 一种机载电子设备前紧定装置的研制[J]. 电子机械工程, 2003, 19(2): 21-22.

[3] 机械设计手册编委会. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

杨 刚 (1978-),男，工程师，主要从事结构设计工作。

罗炳华(1985-),男，工程师，主要从事结构设计工作。

Design of A Type Airborne Front Tighter

YANG Gang，LUO Bing-hua

(SichuanJiuzhouATCTechnologyCo.,Ltd.，Mianyang621000,China)

To achieve reliable locking and easy removal of the airborne electronic equipment, the A type airborne front tighter is introduced in this paper. The principle and structure of the tighter are discussed under the military standard. The Matlab software is used to optimize parameters of the tight spring and to enhance the tighter. Finally, the tighter is verified by finite element method. The theoretical analysis and practice indicate that the tighter can withstand the harsh environment and is easy to assemble and disassemble.

tighter; airborne electronic equipment; random vibration

2014-01-17

TN957.8

A

1008-5300(2014)03-0027-03