艦船抗沖擊測量設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究

王明貴 張姝紅 李琛

摘 要:測量設(shè)備如何在海上惡劣環(huán)境中工作,是裝備建設(shè)的一大難題。本文首先對靶場試驗(yàn)所面臨的各種氣候環(huán)境和機(jī)械環(huán)境要求進(jìn)行了分析;其次對測量設(shè)備抗惡劣環(huán)境存在的問題進(jìn)行了研究;最后,圍繞如何提高測量設(shè)備抗惡劣環(huán)境能力,對可測試性技術(shù)、智能容錯(cuò)技術(shù)、加固技術(shù)在設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞:測量設(shè)備抗惡劣環(huán)境可測試性技術(shù)加固技術(shù)

中圖分類號(hào):E992.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Ａ 文章編號(hào):1674-098X012)05(c)-0009-02

測量設(shè)備的高可靠性是靶場試驗(yàn)的基本要求。應(yīng)對可靠性問題,過去在測量設(shè)備研制上,采用了智能化技術(shù),以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自檢功能;采用可視化技術(shù),以實(shí)現(xiàn)人機(jī)“交流”功能;采用遙控遙測技術(shù),以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和安全操作,使測量設(shè)備的可靠性有了較大的提高。伴隨各種試驗(yàn)的實(shí)施和課題研究,曾取得了多項(xiàng)科研成果。然而,隨著新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用以及艦船抗沖擊技術(shù)研究,靶場使命任務(wù)的延伸,使得測量設(shè)備的使用環(huán)境發(fā)生了變遷。相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和要求也就更加嚴(yán)格。面對近距離戰(zhàn)雷爆炸時(shí)刻的沖擊、振動(dòng);海上高溫、潮濕、鹽霧;天氣變化如風(fēng)雨、冰雪、高寒;化學(xué)因素,像H2S、CO、等的影響,對測量設(shè)備的可靠性又提出了新的要求,那就是測量設(shè)備對惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力問題。測量設(shè)備抗惡劣環(huán)境技術(shù)必須深入研究。

1 測量設(shè)備的環(huán)境條件分析

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,環(huán)境適應(yīng)性是“裝備在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下,能完成其所有預(yù)定功能、性能和不被破壞的能力,是裝備的重要質(zhì)量特性之一”[1]。通俗地講,就是裝備在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、訓(xùn)練和試驗(yàn)過程中可能遇到的一切外界影響因素。環(huán)境條件包括氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境等。靶場試驗(yàn)區(qū)域廣,環(huán)境條件變化大,要使測量設(shè)備適應(yīng)不同的使用環(huán)境,必須研究不同環(huán)境條件下設(shè)備可靠性水平的影響。

1.1 氣候條件

艦船載用測量設(shè)備應(yīng)能在-2～30℃水溫的海水中航行。艦船載用露天構(gòu)件應(yīng)能承受1500N/m2的風(fēng)載荷和400N/m2的冰雪載荷,能在0.8mm/min的降雨速度以內(nèi)正常工作。露天甲板設(shè)備應(yīng)能在-30～60℃溫度范圍內(nèi),承受40Kn的風(fēng)速,以及日照輻射強(qiáng)度為1.12kw/m2以內(nèi)正常工作。艙內(nèi)設(shè)備一般要求在-10～45℃溫度范圍內(nèi)以及95%相對濕度環(huán)境下正常工作。

1.2 搖擺和傾斜

面對艦船抗沖擊技術(shù)研究性試驗(yàn),艦船在海上航行的情形必須面對和考慮,比如搖擺和傾斜的問題。

搖擺是指艦船在最大適航情況下,不利于航向時(shí)3個(gè)方向上的最大搖動(dòng);傾斜一般指艦船在回轉(zhuǎn)情況下,或在卡舵,或在浸水情況下發(fā)生的縱向或橫向的最大傾角。艦載設(shè)備必須滿足搖擺和傾斜界限狀態(tài)下的正常工作。

對于水面艦艇,首傾或尾傾在5°以內(nèi),橫傾在15°以內(nèi),縱搖在±10°以內(nèi),橫搖在±45°以內(nèi),艦上設(shè)備應(yīng)能正常工作。

1.3 振動(dòng)和沖擊

艦船上設(shè)備工作環(huán)境的振動(dòng)條件,可按頻率1～16Hz,振幅±1mm。頻率16～60Hz,加速度不小于7m/s2的要求。上限頻率視主機(jī)推進(jìn)轉(zhuǎn)速和螺旋槳葉片數(shù)而定。

船上設(shè)備面對非重復(fù)性的強(qiáng)烈沖擊,如碰撞、擱淺、非接觸性爆炸等情況。要求在波形設(shè)為半正弦、峰值加速度300m/s2的持續(xù)時(shí)間為40ms的條件下能有效工作。

船上設(shè)備還應(yīng)耐受波浪砰擊,甲板上浪等重復(fù)性低強(qiáng)度形成的顛震沖擊而持續(xù)有效工作。波形為半正弦波、峰值加速度50m/s2的持續(xù)時(shí)間不小于40ms,重復(fù)頻率10～26min-1,對電子設(shè)備的峰值加速度要求為7g。

2 存在問題分析

2.1 對測量設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性研究不夠深入

長期以來,對測量設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性研究,只停留在環(huán)境試驗(yàn)上,重點(diǎn)放在設(shè)備定性試驗(yàn)或設(shè)備研制過程中的例行試驗(yàn)上,在確定試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)等級和試驗(yàn)程序上沒有系統(tǒng)研究,沒有把環(huán)境適應(yīng)性研究納入設(shè)備的早期研制階段。所以引發(fā)設(shè)備使用時(shí)屢屢出現(xiàn)問題,體現(xiàn)在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)上的問題具體來講有兩個(gè)方面。一方面是從材料、元器件、結(jié)構(gòu)件、外購設(shè)備或裝備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有先天性缺陷,形成了抗惡劣環(huán)境能力差。另一方面,是整體技術(shù)設(shè)計(jì)上未把可維性和可測性甚至可控性納入整體設(shè)計(jì)中去,只是把環(huán)境試驗(yàn)作為一些極端情況或特殊環(huán)境的考核,而沒有把研制設(shè)備全壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境,如使用者作為研究對象,致使操作人員對設(shè)備管控能力差,一旦出現(xiàn)問題,只得依賴于研制者。

2.2 試驗(yàn)問題

測量設(shè)備的技術(shù)性能和可靠性、維修性是在試驗(yàn)-分析-改進(jìn)的循環(huán)過程中逐步完善的,這個(gè)循環(huán)中試驗(yàn)是暴露設(shè)計(jì)缺陷的關(guān)鍵手段。試驗(yàn)越是接近真實(shí)的使用環(huán)境,就越能有效地激發(fā)出設(shè)備存在的固有缺陷,有目的地加以改進(jìn)。自研設(shè)備和改造設(shè)備充分證實(shí)了這一點(diǎn)。而上述循環(huán)過程是以試驗(yàn)的客觀實(shí)踐作為“反饋”的依據(jù),是行之有效的方法,但有較大的局限性。因此,隱含著幾個(gè)問題,第一,試驗(yàn)是特定的條件下進(jìn)行的,特定的條件就不是普遍的,因而試驗(yàn)的結(jié)論就有其局限性。第二,經(jīng)驗(yàn)作為初步設(shè)計(jì)依據(jù),而沒有上升到理論階段上來,是沒有邏輯的,更不是以數(shù)學(xué)定量表示的,因而比較粗糙。第三,試驗(yàn)才能獲得結(jié)果,試驗(yàn)則要花時(shí)、花力、花物、耗財(cái),因而不是完好的辦法。第四,有些設(shè)備研制,如動(dòng)態(tài)爆炸測量設(shè)備,是事先無法獲取最初的經(jīng)驗(yàn),并且不允許做試驗(yàn)。這些客觀上造成了環(huán)境試驗(yàn)的具體強(qiáng)度和量值確定的不準(zhǔn)確,會(huì)導(dǎo)致過設(shè)計(jì)/過試驗(yàn)或欠設(shè)計(jì)/欠試驗(yàn)。

3 抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)研究

在靶場現(xiàn)代化建設(shè)日益發(fā)展的今天,僅僅靠傳統(tǒng)的被動(dòng)的設(shè)備設(shè)計(jì)思想,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代設(shè)備的要求。為了保證設(shè)備在惡劣環(huán)境下,安全、可靠地運(yùn)行,必須采用與之相適應(yīng)的主動(dòng)設(shè)計(jì)模式,以提高和改善測量設(shè)備的抗惡劣環(huán)境能力。

3.1 可測試性技術(shù)設(shè)計(jì)

可測試性技術(shù)設(shè)計(jì)是指在復(fù)雜電路設(shè)計(jì)過程中使電路便于中間測試和終測的一種設(shè)計(jì)技術(shù)。20世紀(jì)70年代有人就提出了各種各樣的可測試性設(shè)計(jì)技術(shù)和方法,其中影響較大的有,基于R-M展開式的組合可測試性設(shè)計(jì);插入控制邏輯設(shè)計(jì);劃分測試區(qū),增設(shè)測試點(diǎn),制定有利于電路測試的設(shè)計(jì)原則;“計(jì)1”數(shù)測試;結(jié)構(gòu)可測試性設(shè)計(jì)。其技術(shù)要點(diǎn)是把設(shè)計(jì)者在設(shè)備研制中使用的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備發(fā)生故障的關(guān)鍵問題,通過可測試性設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出來,交給用戶,使得用戶能像設(shè)計(jì)者那樣去操控設(shè)備。

可測試性設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用迎合了靶場的實(shí)際需要,解決了發(fā)生故障時(shí)測試難的問題。主要有兩個(gè)方面,第一,當(dāng)你不是設(shè)備研制者或通過技術(shù)說明書無法深入了解設(shè)備而對設(shè)備故障無法探測或無法深入進(jìn)行測試時(shí),通過可測試設(shè)計(jì)技術(shù)及技術(shù)說明,即可按部就班進(jìn)行,而面對靶場實(shí)際,技術(shù)人員時(shí)常換崗換位,工作變動(dòng)、干部轉(zhuǎn)業(yè)、新來學(xué)員補(bǔ)位等客觀情況往往是對設(shè)備管理時(shí)間不會(huì)過長。要求較短時(shí)間內(nèi)對設(shè)備技術(shù)、使用等有所掌握。可測試性技術(shù)設(shè)計(jì)提供了行之有效的技術(shù)途徑。第二,設(shè)備實(shí)際測試時(shí),一方面因設(shè)備本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一些測試點(diǎn)不易測試;另一方面,哪些關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)在易測位置,通過可測試性設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)在易測之處。解決了測試難的問題,實(shí)現(xiàn)了操作人員對測量設(shè)備的技術(shù)管控。

3.2 智能容錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)

智能容錯(cuò)技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種可靠性技術(shù),靶場測量設(shè)備要提高抗惡劣環(huán)境的能力,具有高可靠性,必須應(yīng)用智能容錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì),比如,靜態(tài)冗余技術(shù)、動(dòng)態(tài)冗余技術(shù)等。

3.2.1 靜態(tài)冗余技術(shù)

靜態(tài)冗余技術(shù)與故障檢測功能相反,對故障或錯(cuò)誤的出現(xiàn)不做警告處理,容許錯(cuò)誤存在,而保持系統(tǒng)正常工作。例如爆炸測量中采用雙零時(shí)便于觸發(fā),就是靜態(tài)冗余技術(shù)的具體例子。當(dāng)1路零時(shí),因某種原因無法工作時(shí),另一路零時(shí)只要可靠工作,就不影響系統(tǒng)工作。借鑒這種思想將冗余技術(shù)應(yīng)用于靶場測量設(shè)備設(shè)計(jì)中,當(dāng)設(shè)備因某板塊或某一通道無法工作時(shí),而在不影響整體系統(tǒng)的運(yùn)行情況下,將故障屏蔽起來,將極大地提高工作效率。

3.2.2 動(dòng)態(tài)冗余技術(shù)

動(dòng)態(tài)冗余是在靜態(tài)冗余電路的基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生的故障隨時(shí)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的冗余技術(shù)。它是靜態(tài)冗余、聯(lián)機(jī)、故障檢測及重配置某幾項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合。它在靜態(tài)冗余電路工作的同時(shí),對系統(tǒng)做檢測,并測得故障模塊,自動(dòng)切換或?qū)⑾到y(tǒng)降級使用。因此,該技術(shù)有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)功能,具有真正意義的智能容錯(cuò)功能。比如我們面臨的多路采集系統(tǒng),當(dāng)檢測到某路出現(xiàn)問題時(shí),可進(jìn)行自動(dòng)切換或減路工作,避免系統(tǒng)停機(jī)。

總之通過智能容錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì),其實(shí)質(zhì)在于保證設(shè)備安全高效運(yùn)行;預(yù)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),使用壽命、故障的發(fā)生和發(fā)展,設(shè)備發(fā)生故障時(shí)或發(fā)生故障前能及時(shí)對故障進(jìn)行補(bǔ)償,抑制、消除和自動(dòng)修復(fù),減少維修費(fèi)用,提高設(shè)備利用率。

3.3 加固設(shè)計(jì)

加固技術(shù)是使設(shè)備適應(yīng)惡劣環(huán)境或使用安全而采取的防護(hù)技術(shù)措施,主要包括振動(dòng)、抗沖擊、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、抗核爆炸技術(shù)及三防(防潮濕、防沙塵、防鹽霧和霉菌)技術(shù)和防信息泄漏技術(shù)等。

常用的加固方法有先天加固和后天加固,先天加固又稱內(nèi)加固,指按照加固要求進(jìn)行元器件選擇、電源電路板及機(jī)箱設(shè)計(jì),從而使加固后的產(chǎn)品能滿足惡劣環(huán)境要求,該方法的優(yōu)點(diǎn)是加固性能好,適應(yīng)于最惡劣的環(huán)境,缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴,技術(shù)工藝復(fù)雜,對電路元器件的要求高,研制周期長。

后天加固又稱為外加固,是利用優(yōu)選的民用產(chǎn)品,采用重新設(shè)計(jì)機(jī)箱以及某些能達(dá)到溫度、潮濕、沖擊振動(dòng)要求的措施,從而滿足初級加固環(huán)境要求,其方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、研制周期短,缺點(diǎn)是不能用于較惡劣的環(huán)境。

結(jié)合試驗(yàn)中常出現(xiàn)的問題及預(yù)計(jì)可能面臨的問題,在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí),必須采用內(nèi)加固技術(shù),使機(jī)體、乃至箱體結(jié)構(gòu)等滿足惡劣環(huán)境的要求。

4 結(jié)語

隨著高新技術(shù)的應(yīng)用,測量設(shè)備的功能越來越強(qiáng),系統(tǒng)精度也大幅提高,隨之帶來的測量設(shè)備的復(fù)雜性明顯提高,對環(huán)境的敏感性越來越強(qiáng),受環(huán)境制約的矛盾更加突出。所以,測量設(shè)備抗惡劣環(huán)境技術(shù)研究非常必要。本文只是針對靶場實(shí)際,以解決試驗(yàn)中可能或預(yù)計(jì)出現(xiàn)的問題出發(fā),對能提高測量設(shè)備抗惡劣環(huán)境的能力相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了初步探討,對測量設(shè)備建具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 裝備環(huán)境工程通用要求[S].GJB4239-2001.

[2] 王仲先.智能容錯(cuò)技術(shù)及應(yīng)用[M].國防工業(yè)出版社.