艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)方法分析

鄧建國(guó)，湯俊，宋巖

（1.南京電子技術(shù)研究所，南京 210039； 2.南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，南京 210000；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

艦船是一個(gè)浮動(dòng)在海上的全自由強(qiáng)性體，部署在艦船上的設(shè)備在其壽命期內(nèi)，會(huì)受到多方振動(dòng)應(yīng)力的影響。安裝在艦船上后，會(huì)在航行及作戰(zhàn)時(shí)會(huì)受到來(lái)源于動(dòng)力機(jī)械和海洋的振動(dòng)應(yīng)力的影響。振動(dòng)以損傷累積的形式作用于設(shè)備上，使設(shè)備發(fā)生工藝性能破壞、工作性能失靈或疲勞損傷，降低艦船戰(zhàn)斗力，尤其對(duì)電子、光學(xué)設(shè)備的影響更為明顯。此外，艦船振動(dòng)會(huì)影響艦船的隱身性能，長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)和噪聲會(huì)引起乘員人體不舒適、降低其工作能力。

GJB 150.16A-2009[1]是我國(guó)軍用裝備進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的主要參照和引用標(biāo)準(zhǔn)，其中A.2.3.11“第21類—船—艦船”中，羅列了艦船設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)暴露量級(jí)和試驗(yàn)時(shí)間要求。由于對(duì)艦船設(shè)備壽命期內(nèi)遭遇的環(huán)境因素考慮不充分、對(duì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)解讀不深入，導(dǎo)致型號(hào)試驗(yàn)中出現(xiàn)了試驗(yàn)項(xiàng)目缺項(xiàng)或試驗(yàn)條件剪裁不合理、試驗(yàn)方法不科學(xué)等情況。本文主要針對(duì)在艦船上安裝使用的設(shè)備，分析其在任務(wù)期間經(jīng)受的振動(dòng)應(yīng)力，對(duì)環(huán)境試驗(yàn)中的振動(dòng)試驗(yàn)和在可靠性試驗(yàn)中施加的振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行探討。

1 影響振動(dòng)的因素

1.1 艦船振動(dòng)分析

艦船設(shè)備的振動(dòng)主要來(lái)源于船體的振動(dòng)，船體的振動(dòng)是在航行中自然環(huán)境，例如風(fēng)、海浪等激勵(lì)，以及螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復(fù)機(jī)械和其它裝備運(yùn)行帶來(lái)的強(qiáng)迫激勵(lì)引起的，而且與艦船結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝方式和位置、設(shè)備本身的響應(yīng)情況等有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)[1]。振動(dòng)影響因素包括振源、傳遞件、響應(yīng)件[2]。艦船振動(dòng)的振源較多，且以各自的方式和途徑影響振動(dòng)環(huán)境，引起艦船環(huán)境振動(dòng)的主要振源因素見(jiàn)表1。

表1 艦船環(huán)境振動(dòng)主要振源因素

艦船平臺(tái)的振動(dòng)譜含有由于航速、海況、機(jī)動(dòng)等變化誘發(fā)的隨機(jī)分量，還有螺旋槳旋轉(zhuǎn)、往復(fù)機(jī)械及船體共振引起的周期分量。振源與設(shè)備之間的距離以及振動(dòng)傳遞體也直接影響設(shè)備受到的振動(dòng)應(yīng)力。艦船主體經(jīng)受的振動(dòng)應(yīng)力隨船底距離基本呈二次關(guān)系遞減，艦船底部的振動(dòng)響應(yīng)最為劇烈，主船體上各層甲板的振動(dòng)響應(yīng)次之，主甲板的振動(dòng)響應(yīng)最小[3]。桅桿上的裝備（如天線）會(huì)經(jīng)受比安裝在船體和甲板上裝備高的振動(dòng)量級(jí)。小型艦艇，如魚雷快艇，其振動(dòng)振幅可以因其高性能而相對(duì)較大，且受限于其尺寸，從機(jī)械傳動(dòng)到所部署設(shè)備的傳播路徑比較短，振動(dòng)衰減有限。與小型艦艇相比，大型艦船會(huì)形成比較緩和的振動(dòng)環(huán)境，但對(duì)于性能高且推進(jìn)系統(tǒng)功率很大的艦船，其振動(dòng)振幅也會(huì)較大。

艦船的振動(dòng)應(yīng)力與飛機(jī)和坦克等平臺(tái)比較是相對(duì)和緩的，但作用時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)盡可能降低振動(dòng)對(duì)艦船設(shè)備的影響。首先減小艦船平臺(tái)的振動(dòng)，在艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品規(guī)范等文件中對(duì)螺旋槳、柴油機(jī)、推進(jìn)軸系、旋轉(zhuǎn)機(jī)械等主要激振源的質(zhì)量、零件、工藝、設(shè)計(jì)容差、底座、安裝位置等進(jìn)行明確規(guī)定；一般艦船設(shè)備均配裝隔振、減振裝置，或是穩(wěn)定平臺(tái)，一定程度上可以降低振動(dòng)影響；艦船設(shè)備本身會(huì)開(kāi)展耐震設(shè)計(jì)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是光學(xué)儀器或陀螺等對(duì)振動(dòng)敏感的產(chǎn)品，將固有頻率移至船體振動(dòng)頻率范圍之外。

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)疲勞等效關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)推薦優(yōu)先選用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定環(huán)境試驗(yàn)條件。對(duì)被試設(shè)備開(kāi)展振動(dòng)實(shí)測(cè)時(shí)，可在設(shè)備與船體連接部位布置傳感器，測(cè)量輸入應(yīng)力；同時(shí)在設(shè)備的關(guān)鍵部位或者薄弱部位布置傳感器，測(cè)量其振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。振動(dòng)實(shí)測(cè)時(shí)還要充分考慮艦船的各種典型工況、運(yùn)行姿態(tài)、海情等因素。目前沒(méi)有通用的振動(dòng)環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所以按照GJB 150.16A的要求，推薦根據(jù)被試設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。

艦船振動(dòng)的隨機(jī)分量在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)中通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)來(lái)模擬，其主要參數(shù)為頻率范圍、功率譜密度、施加時(shí)長(zhǎng)。艦船振動(dòng)的周期分量在實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)中通過(guò)正弦振動(dòng)來(lái)模擬，其主要參數(shù)為頻率范圍、振動(dòng)量級(jí)（振幅或加速度）、掃頻速率，正弦振動(dòng)試驗(yàn)分為掃頻試驗(yàn)和定頻試驗(yàn)。隨機(jī)振動(dòng)與正弦振動(dòng)相比，在大多數(shù)情況下更代表實(shí)際環(huán)境，連續(xù)寬頻域的隨機(jī)振動(dòng)可在所有的頻率上同時(shí)激勵(lì)被試品，隨機(jī)振動(dòng)各頻率之間的相互作用可以更真實(shí)且更有效地模擬實(shí)際的振動(dòng)環(huán)境影響[4]。在分析被試產(chǎn)品共振頻率和阻尼特性方面正弦振動(dòng)具有優(yōu)勢(shì)且具有良好的經(jīng)濟(jì)性。但在20世紀(jì)60至70年代，我國(guó)不具備在實(shí)驗(yàn)室實(shí)施隨機(jī)振動(dòng)的條件，大部分是通過(guò)正弦振動(dòng)的方式進(jìn)行試驗(yàn)。隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)沒(méi)有一般的等效關(guān)系。只有在按疲勞損傷原理計(jì)算振動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)與正弦振動(dòng)存在某種等效[4]：

式中：

Ae—等效正弦振幅；

f —頻率；

r —正態(tài)化系數(shù)；

W—頻率f上的譜密度值；

Q—放大系數(shù)（響應(yīng)/輸入）。

這種等效只局限于疲勞強(qiáng)度的等效，對(duì)于考核產(chǎn)品性能的試驗(yàn)不適用[4]。在振動(dòng)疲勞損傷測(cè)試中，由于量級(jí)的不同，具有加速作用，但為了保證試驗(yàn)件原有的特性（如應(yīng)力分布等）不致發(fā)生顯著變化，對(duì)正弦振動(dòng)來(lái)說(shuō)，振動(dòng)量值的提高一般不應(yīng)超過(guò)2.5倍，時(shí)間壓縮不應(yīng)超過(guò)1/100[4]。在GJB 150.16A中給出了隨機(jī)振動(dòng)及正弦振動(dòng)不同量級(jí)之間的疲勞等價(jià)關(guān)系，在工程實(shí)踐中可用于確定振動(dòng)耐久試驗(yàn)的加速試驗(yàn)條件和時(shí)間[1]：

（W0/W1）=（T1/T0）1/4（隨機(jī)振動(dòng)）

（g0/g1）=（T1/T0）1/6（正弦振動(dòng)）

式中：

W0—規(guī)定的加速度譜密度，g2/Hz；

W1—施加的加速度譜密度，g2/Hz；

g0—規(guī)定的峰值加速度，g；

g1—施加的峰值加速度，g；

T0—規(guī)定的時(shí)間，h；

T1—施加的時(shí)間，h。

標(biāo)準(zhǔn)中提出上述表達(dá)式適用于航空電子產(chǎn)品。產(chǎn)品上不同部件用材料的S/N曲線可得到不同的等價(jià)關(guān)系，艦船設(shè)備種類較多，電子產(chǎn)品可參考上述公式，但其它設(shè)備應(yīng)根據(jù)主要材料確定具體疲勞等價(jià)關(guān)系。

2 振動(dòng)試驗(yàn)條件剪裁

當(dāng)無(wú)法獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可參照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)給出的試驗(yàn)條件開(kāi)展艦船設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)常用的艦船設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)除GJB 150.16A外，還有GJB 150.16-86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 振動(dòng)試驗(yàn)》[5]、GJB 4.7-83《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn) 振動(dòng)試驗(yàn)》[6]。

2.1 常用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件對(duì)比分析

GJB 150A是對(duì)GJB 150系列標(biāo)準(zhǔn)的更新，是美國(guó)國(guó)防部MIL-STD-810F《環(huán)境工程考慮和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》[7]（2000年1月1日）的等效標(biāo)準(zhǔn)。在GJB 150.16的“2.3.11第9類——艦船振動(dòng)”中，列出了艦船振動(dòng)以周期振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)的形式存在，但并未考慮隨機(jī)振動(dòng)，只根據(jù)設(shè)備所安裝的艦船類型和部位給出了推薦的正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件，見(jiàn)表2。

表2 GJB 150.16-86規(guī)定的艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)量值

GJB 150.16-86將艦船振動(dòng)試驗(yàn)分為兩個(gè)過(guò)程，即功能試驗(yàn)和耐振試驗(yàn)。功能試驗(yàn)是以1 oct/min的速率進(jìn)行10次掃頻循環(huán)；耐振試驗(yàn)是在被試產(chǎn)品每個(gè)軸向的危險(xiǎn)頻率上至少振動(dòng)2 h。危險(xiǎn)頻率是指在掃頻過(guò)程中，由于振動(dòng)被試產(chǎn)品出現(xiàn)工作失靈、性能超差或損傷，機(jī)械共振或顫振等不正常響應(yīng)現(xiàn)象。試驗(yàn)方向?yàn)槿齻€(gè)相互垂直的軸向。在正弦振動(dòng)試驗(yàn)的掃頻過(guò)程中，需要在被試產(chǎn)品布置傳感器，進(jìn)行響應(yīng)調(diào)查，獲得振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。MIL-STD-810G[8]中規(guī)定，響應(yīng)極值點(diǎn)處的傳遞函數(shù)值大于1.5時(shí)可基本認(rèn)為該頻率點(diǎn)為共振頻率點(diǎn)，該頻率作為產(chǎn)品耐久振動(dòng)時(shí)的危險(xiǎn)頻率。

要說(shuō)明的是，當(dāng)被試產(chǎn)品在掃頻過(guò)程中出現(xiàn)多個(gè)危險(xiǎn)頻率時(shí)，會(huì)存在是否每個(gè)都要進(jìn)行2h的耐振試驗(yàn)的爭(zhēng)論。筆者認(rèn)為，不建議對(duì)被試產(chǎn)品過(guò)多進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的耐振試驗(yàn)，當(dāng)被試產(chǎn)品需要交付時(shí)，會(huì)影響其使用期間的壽命。此處可參考MIL-STD-810G方法528.1中的規(guī)定，見(jiàn)表3。

表3 多個(gè)危險(xiǎn)頻率的耐振試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間

GJB 150.16A規(guī)定艦船振動(dòng)試驗(yàn)由正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)組成，其中正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件和持續(xù)時(shí)間與GJB 150.16完全相同。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方向?yàn)槿齻€(gè)相互垂直的軸向，每軸向持續(xù)時(shí)間為2 h，試驗(yàn)譜圖見(jiàn)圖1。

圖1 隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)

GJB 4.7已經(jīng)發(fā)布了近40年，是參考美國(guó)海軍1974年版MIL-STD-167-1《艦船設(shè)備機(jī)械振動(dòng) （Ⅰ類環(huán)境振動(dòng)）》[9]中I類-環(huán)境振動(dòng)制訂的。在工程實(shí)踐中，已逐步被GJB 150.16A9取代，目前使用較少。GJB 4.7在共振檢查和穩(wěn)定性試驗(yàn)的掃頻速率規(guī)定上存在疏漏，只規(guī)定了采用線性掃頻方式進(jìn)行試驗(yàn)，但未規(guī)定掃頻速率，如速率過(guò)快會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)幅值達(dá)不到穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的理論值，無(wú)法準(zhǔn)確獲得共振響應(yīng)；在耐振試驗(yàn)頻率交越點(diǎn)或加速度的確定上也存在缺陷，可以有不同選擇，導(dǎo)致不同操作人員選擇的試驗(yàn)條件不同[10]。GJB 4.7中明確提出在振動(dòng)試驗(yàn)期間，如無(wú)特殊要求，被試產(chǎn)品應(yīng)處于工作狀態(tài)。GJB 150.16A中未對(duì)被試品在試驗(yàn)期間的狀態(tài)進(jìn)行要求，但為了時(shí)刻監(jiān)控被試產(chǎn)品的工作情況，且根據(jù)艦船設(shè)備一般需要在振動(dòng)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作，因此筆者認(rèn)為，應(yīng)與GJB 4.7要求一致。耐振試驗(yàn)期間被試產(chǎn)品加電工作，與飛機(jī)、外掛產(chǎn)品等耐久振動(dòng)試驗(yàn)不同，此處要加以區(qū)分。

另外，GJB 4.7中根據(jù)螺旋槳不同轉(zhuǎn)速，將環(huán)境類別分為2類，1類是指螺旋槳軸轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以下的艦船，2類是指螺旋槳軸轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以上。環(huán)境分區(qū)分為主體區(qū)、桅區(qū)和首尾區(qū)。GJB 150.16A中規(guī)定，正弦振動(dòng)試驗(yàn)的上限頻率即為艦船最高槳葉頻率（螺旋槳每分鐘最高轉(zhuǎn)速×螺旋槳葉片數(shù)÷60），可據(jù)此進(jìn)行調(diào)整。

2.2 環(huán)境與可靠性試驗(yàn)振動(dòng)條件對(duì)比

GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》[11]的B.3.4.2.2.3規(guī)定了水面艦船（不含快艇）設(shè)備開(kāi)展可靠性試驗(yàn)時(shí)施加的振動(dòng)應(yīng)力，包括具體條件和施加時(shí)間。振動(dòng)應(yīng)力分為戰(zhàn)斗損壞頻譜和運(yùn)輸隨機(jī)頻譜，前者為正弦振動(dòng)，后者為隨機(jī)振動(dòng)?？煽啃栽囼?yàn)期間，每24 h施加6 h的振動(dòng)應(yīng)力，并以3 h為一個(gè)振動(dòng)循環(huán)。正弦振動(dòng)時(shí)間短，隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，二者比例為1:12，是考慮到艦船設(shè)備在使用期間更多會(huì)承受到隨機(jī)振動(dòng)。

戰(zhàn)斗損壞頻譜按以下條件進(jìn)行對(duì)數(shù)正弦掃描，如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)斗損壞頻譜

1）頻率范圍：4～60 Hz；

2）振幅：0.76±0.15 mm（4～15 Hz），7.5 m/s2（15～60 Hz）；

3）持續(xù)時(shí)間：10±2 min（上5 min，下5 min）。

運(yùn)輸隨機(jī)頻譜時(shí)應(yīng)按以下條件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸隨機(jī)頻譜

1）頻率范圍：10～200 Hz；

2）以GJB150.16A中規(guī)定的圖C.15 圖譜作為背景振動(dòng)條件，在隨機(jī)圖譜上疊加掃頻確定的危險(xiǎn)頻率處規(guī)定量值的正弦分量，當(dāng)危險(xiǎn)頻率在一個(gè)頻帶內(nèi)變化時(shí)也可疊加窄帶隨機(jī)[13]。

3）最后在選定試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)以1oct/min的速率進(jìn)行剩下的5次掃頻循環(huán)。

采用上述方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：更加真實(shí)地模擬實(shí)際情況；縮短試驗(yàn)時(shí)間；當(dāng)存在多個(gè)危險(xiǎn)頻率時(shí)，可同時(shí)

2）量級(jí)（總均方根r.m.s）：10 m/s2；

3）持續(xù)時(shí)間：20 min。

選取在艦船主體區(qū)安裝的設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)振動(dòng)條件和可靠性試驗(yàn)振動(dòng)條件進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表4。

表4 GJB 150.16A和GJB 899A中振動(dòng)試驗(yàn)條件對(duì)比

通過(guò)表4可知，環(huán)境試驗(yàn)的正弦振動(dòng)頻率范圍大致與可靠性試驗(yàn)一致，振動(dòng)量級(jí)略高；隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍可靠性試驗(yàn)比環(huán)境試驗(yàn)的上限頻率高一倍，且振動(dòng)量級(jí)大很多。此外，環(huán)境試驗(yàn)比可靠性試驗(yàn)相比，多了耐振試驗(yàn)過(guò)程。

3 推薦的試驗(yàn)條件

按照GJB 150.16A開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)需要經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟，即正弦掃頻振動(dòng)、耐振試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)，順序進(jìn)行每個(gè)軸向振動(dòng)時(shí)間約為6 h，三個(gè)軸向?yàn)?8 h。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)所屬分機(jī)較多時(shí)，振動(dòng)試驗(yàn)所需時(shí)間較長(zhǎng)。從實(shí)際條件出發(fā)，平臺(tái)上往往同時(shí)存在隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)，單獨(dú)進(jìn)行其中一種試驗(yàn)并不能真實(shí)模擬實(shí)際的工作環(huán)境[12]。

針對(duì)以上問(wèn)題建議采用如下方法解決[12]：

1）對(duì)每個(gè)軸向，首先在選定試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)以1oct/min的速率進(jìn)行5次掃頻循環(huán)。疊加在隨機(jī)背景振動(dòng)圖譜上；可利用最后的正弦掃頻過(guò)程驗(yàn)證被試品在歷經(jīng)耐振和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，在規(guī)定的頻率范圍各個(gè)頻率點(diǎn)內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了艦船設(shè)備的振動(dòng)激勵(lì)來(lái)源，分析了正弦激勵(lì)及隨機(jī)激勵(lì)對(duì)艦船設(shè)備的影響，比對(duì)了國(guó)內(nèi)艦船設(shè)備常用國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中的振動(dòng)試驗(yàn)條件，并結(jié)合目前振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的能力和國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施建議，給出了推薦的艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)程序。在制定艦船設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)條件時(shí)，建議根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力提出；缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的要求慎重剪裁，不能缺乏依據(jù)的情況下只施加正弦振動(dòng)或隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力。目前缺乏國(guó)內(nèi)艦船設(shè)備在振動(dòng)試驗(yàn)方面的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)和研究，歡迎各位同行對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)一步探討、研究。