QDH系列潛水航行燈的研制及LED光源在船用航行燈具中的應(yīng)用

【摘要】潛水航行燈長期在水下工作，為了適應(yīng)水下壓力環(huán)境，燈具殼體采用硅黃銅精密鑄造而成，耐壓性能強(qiáng)，殼體零部件均考慮圓形或球形設(shè)計，能承受4.5MPa長期在水下的壓力環(huán)境工作。LED光源的應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的白熾光源，維護(hù)簡單，壽命長，抗沖擊，耐振動，綠色環(huán)保，安全性高，無輻射，電壓范圍寬，光色純正，光束角窄，色溫豐富，特別適用于船用信號燈具。

1、前言

QDH系列潛水航行燈是潛艇在水面航行發(fā)出燈光信號的專用燈具。它具有與水面艦船航行燈同樣的光學(xué)特征：當(dāng)潛艇在夜間航行或白天能見度較低時航行時與其他艦船相遇時，彼此根據(jù)發(fā)出的燈光信號做出準(zhǔn)確判斷和及時避讓，使其安全順利通過；當(dāng)潛艇編隊航行，各艇通過燈光信號保持隊形前行；當(dāng)潛艇或需維修停泊則發(fā)出停泊信號，使過往艦船避讓航行。為潛艇的航行提供了保障。

潛水航行燈不僅具有水面艦船航行燈的功能，同時具有可以長期在水下承受海水侵蝕和深海水下的壓力的特點。在這種的條件下潛水航行燈保持著可隨時升上水面而正常工作的狀態(tài)。

潛水航行燈技術(shù)性能符合《1972年國際海上避碰規(guī)則》和中國船級社《關(guān)于執(zhí)行船用航行燈及其控制器設(shè)備檢驗新要求的通函》的要求。同時滿足CB518-2005《潛水航行燈規(guī)范》、GJB150-86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》和GB4208-2008《外殼防護(hù)等級（IP代碼）》的要求。

潛水航行燈重點之處-光學(xué)指標(biāo)。每種航行燈的發(fā)光角度是固定的硬性指標(biāo)。艦船在航行中相互避讓關(guān)鍵依靠發(fā)光角度和燈光顏色。光學(xué)指標(biāo)是潛艇能夠順利執(zhí)行水面航行任務(wù)的保障。

另一重點之處潛水航行燈應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和抗腐蝕特性。不僅抗振動抗沖擊同時有極強(qiáng)的耐壓性能?？梢猿惺苌詈５膲毫σ约伴L期海水的侵蝕。保證燈具的質(zhì)量和壽命。

為了保證潛水航行燈的光學(xué)性能以及機(jī)械性能。本公司經(jīng)過精心研制、反復(fù)試驗，終于研制成功完全符合標(biāo)準(zhǔn)的潛水航行燈。光源采用新型的發(fā)光二極管（LED）光源。其特點：能耗小、壽命長。燈具殼體為ZCuZn16Si4硅黃銅精密鑄造而成?？箯?qiáng)振動和沖擊、耐壓性能高，可以承受深海水下壓力，適合潛艇的使用。

2、任務(wù)來源

本公司生產(chǎn)船用燈具已有十幾年的歷史?！癉H系列艦（船）用航行信號燈”是公司多年主要產(chǎn)品。在2009年度公司已對其產(chǎn)品升級開發(fā)?，F(xiàn)已達(dá)到軍品標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，公司總經(jīng)理下達(dá)了研制“QDH系列潛水航行燈”的任務(wù)。

3、主要用途

安裝在潛艇指揮臺圍殼的右側(cè)、左側(cè)、前方、后方及潛艇的尾部，在夜間或白天低能見度水面航行時作為燈光信號、編隊航行信號和停泊信號等，適用于潛入水下400米。

4、主要技術(shù)參數(shù)

4.1潛水航行燈型號、規(guī)格

4.2使用環(huán)境溫度 -30℃～+50℃。

4.3光學(xué)性能

4.3.1能見距離為3nmile時 最低發(fā)光強(qiáng)度為12cd

4.3.2能見距離為6nmile時 最低發(fā)光強(qiáng)度為94cd

4.3.3航行燈的垂直光弧：水平線上方5°至水平線下方5°至少應(yīng)保證最低發(fā)光強(qiáng)度。既左、右舷燈、艉燈、航跡燈為12cd，桅燈、錨燈為94cd。

4.3.4各燈水平線上方從5°～7.5°和水平線下方5°～7.5°的角度內(nèi)至少保證最低發(fā)光強(qiáng)度的60%既左、右舷燈、艉燈和航跡燈為7.2cd。桅燈、錨燈為56.4cd。

1）右舷燈水平光弧 水平光弧應(yīng)在正前方至一側(cè)正橫后22.5°內(nèi)顯示。正前方至一側(cè)正橫后17.5°范圍內(nèi)，至少應(yīng)保持最低發(fā)光強(qiáng)度12cd。在正橫后17.5°～22.5°的范圍內(nèi)，可減弱至最低發(fā)光強(qiáng)度的50%發(fā)光強(qiáng)度6cd；正橫后22.5°～27.5°的范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度可減弱至切實斷光。在正前方的另一側(cè)1°～3°的范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度頁減弱至切實斷光。從正前方至一側(cè)正橫后17.5°共107.5°的水平發(fā)光角度內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)均勻，測量的最高和最低發(fā)光強(qiáng)度值之比不應(yīng)大于1.5。其發(fā)光角度內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度平均值的10%可視為斷光。

2）左舷燈水平光弧 光弧分布同右舷燈，但方向與之對稱。

3）桅燈水平光弧 水平光弧應(yīng)在正前方至兩側(cè)正橫后各22.5°，共225°范圍內(nèi)顯示，正前方至兩側(cè)正橫后17.5°的范圍內(nèi)，至少應(yīng)保持最低發(fā)光強(qiáng)度94cd；在每一側(cè)正橫后17.5°～22.5°的范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度可減弱至50%的最低發(fā)光強(qiáng)度47cd；在每一側(cè)正橫后22.5°～27.5°的范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)減弱至切實斷光。從正前方至兩側(cè)正橫后17.5°的發(fā)光角度內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)均勻，測量的最高和最低發(fā)光強(qiáng)度值之比不應(yīng)大于1.5。其發(fā)光角度內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度的平均值的10%可視為斷光。

4）艉燈水平光弧 水平光弧應(yīng)在正后方至每一側(cè)正橫67.5°，共135°范圍內(nèi)顯示。正后至每一側(cè)正橫62.5°的角度內(nèi)，應(yīng)至少保持最低發(fā)光強(qiáng)度12cd；在每一側(cè)62.5°～67.5°的范圍內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度可減弱至50%的最低發(fā)光強(qiáng)度6cd；在每一側(cè)67.5°～72.5°的范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)減弱至切實斷光。從正后方至兩側(cè)的正橫后27.5°共125°的水平角度內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)均勻，測量的最高和最低發(fā)光強(qiáng)度值之比不應(yīng)大于1.5。其發(fā)光角度內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度的平均值的10%可視為斷光。

5）航跡燈水平光弧 水平光弧應(yīng)在正后方至兩側(cè)共7～10±1.5°范圍內(nèi)顯示，應(yīng)至少保持最低發(fā)光強(qiáng)度12cd。在規(guī)定光弧的外3°處應(yīng)減弱至切實斷光。從正后方至兩側(cè)7～10±1.5°的發(fā)光角度內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)均勻，測量的最高和最低發(fā)光強(qiáng)度值之比不大于1.5。其發(fā)光角度內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度平均值的10%可視為斷光。

6）錨燈水平光弧 水平光弧應(yīng)在360°范圍內(nèi)顯示，至少保持最低發(fā)光強(qiáng)度94cd。在360°發(fā)光角度內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)均勻，測量的最高和最低發(fā)光強(qiáng)度值之比不大于1.5。

4.4潛水深度：400m（可承受4.5MPa）。

5、設(shè)計指導(dǎo)思想

一個產(chǎn)品在開發(fā)過程中，設(shè)計指導(dǎo)思想的正確性決定該產(chǎn)品研制后的整個性能是否先進(jìn)。因此在研制初期首先確定一下指導(dǎo)思想：

5.1確保滿足國家標(biāo)準(zhǔn)、船級社通函各項技術(shù)指標(biāo)要求。5.2嚴(yán)格按照質(zhì)量體系的要求，貫穿在設(shè)計、采購、研制、試驗等各環(huán)節(jié)中。5.3在設(shè)計過程中嚴(yán)格按設(shè)計程序進(jìn)行。

6、研制過程

QDH系列潛水航行燈嚴(yán)格按照軍品設(shè)計科研流程進(jìn)行。

6.1方案論證與方案設(shè)計

方案論證與方案設(shè)計在2009年12月開始。在09年度已完成開發(fā)研制DH系列軍艦用航行信號燈的任務(wù)。公司決定開發(fā)研制QDH系列潛水航行燈。

6.1.1潛水航行燈不僅執(zhí)行國家船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB518-2005《潛水航行燈規(guī)范》同時要滿足軍標(biāo)GJB150-86軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法相關(guān)要求。6.1.2方案設(shè)計在對同類產(chǎn)品進(jìn)行了一定范圍的調(diào)研和測繪。現(xiàn)有的同類產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的白熾燈泡作為光源。而在科技高速發(fā)展的21世紀(jì)，提倡節(jié)能減排的今天，顯然已經(jīng)落后了。因此在光源上采用能耗小、長壽命的發(fā)光二極管（LED）替代傳統(tǒng)光源。燈具的機(jī)械性能要符合軍標(biāo)的要求。（抗振動抗沖擊耐壓等）

6.2光學(xué)設(shè)計

燈具的光源采用“LED”。經(jīng)過對供應(yīng)商提供的“LED”產(chǎn)品反復(fù)試驗和比對，最終選用了美國科銳（CREE）公司的Xlamp系列高光效、長壽命的LED產(chǎn)品。其光源具有能耗小、光色純正、免維護(hù)的特點。光衰為70%時的平均壽命為50000小時。光學(xué)系統(tǒng)由透鏡、遮光罩、光源組成。潛水航行燈中的右舷燈為綠色、左舷燈為紅色、其他各燈為白色?？梢赃x用相對應(yīng)顏色的發(fā)光二極管分別安裝在各燈上。LED光色就決定了燈光的顏色。各種燈光色度坐標(biāo)應(yīng)符合國際照明委員會（CIE）為各種顏色所規(guī)定的色度坐標(biāo)區(qū)域界限以內(nèi)。各燈水平光弧不同。發(fā)光二極管在各燈內(nèi)管數(shù)分布相應(yīng)不同。遮光罩的外型尺寸對光照角度內(nèi)的光強(qiáng)影響很大，特別是舷燈的正前方，斷光角度要求嚴(yán)格，從正前方最低光強(qiáng)位置到斷光位置僅有3度，較難控制。而正橫后最低光強(qiáng)位置到斷光位置共有10度。相對易控制。對此進(jìn)行了多次的試驗和修改。終于達(dá)到了要求。既保證了3度的斷光與正前方的最低光強(qiáng)，同時也滿足最高光強(qiáng)與最低光強(qiáng)的比值小于1.5。經(jīng)過了一段時間的反復(fù)設(shè)計、修改、制造、檢驗，光學(xué)性能滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了設(shè)計目的。

6.3樣機(jī)試制

設(shè)計圖紙按設(shè)計程序進(jìn)行審核、修改后進(jìn)入了樣機(jī)試制。在試制中嚴(yán)格控制加工件，逐一檢查，剔除超差件。外購件按進(jìn)廠檢驗規(guī)范執(zhí)行，保證進(jìn)廠均為合格品。樣機(jī)制造后在公司內(nèi)對每一臺燈具進(jìn)行了光學(xué)測試，符合要求。同時進(jìn)行了耐壓試驗，符合要求。經(jīng)過一段時間完成了QDH系列燈具的研制。

7、可靠性與維修性說明

7.1可靠性

根據(jù)可靠性設(shè)計理論，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，零部件的降額使用，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

7.1.1降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度 在潛水航行燈的結(jié)構(gòu)中盡量減少零件數(shù)量：主體件采用鑄件一次成形。光源部分由各件組成發(fā)光組件，減少設(shè)備的失效率。

7.1.2零部件的降額使用 各種零部件的使用條件，直接影響零部件的失效率。在QDH系列潛水航行燈中，盡可能地使用高性能零件。

1）主體材料采用ZCuZn16Si4硅黃銅精密鑄造而成?？估瓘?qiáng)度 σb=345Mpa，鑄件經(jīng)致密化處理，提高致密性，耐壓性優(yōu)良。2）直接影響光學(xué)性能的透鏡，采用硅酸鹽耐熱玻璃壓制而成。玻璃具有優(yōu)良的透光性、抗壓強(qiáng)度高、硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性高，抗酸堿耐腐蝕。缺點是 抗拉強(qiáng)度低，脆性大。在潛水航行燈中采用拉桿夾緊方式固定透鏡，呈受壓狀態(tài)。潛入水下燈具處于受壓的狀態(tài)。正是揚長避短，利用其優(yōu)點。3）用于密封、減振作用的橡膠件，采用材料綜合性能優(yōu)良的氯丁橡膠制造。氯丁橡膠具有優(yōu)越的耐天候性，能長期耐陽光、水和臭氧，置于室外三十年其化學(xué)性能不會發(fā)生明顯下降，適應(yīng)長期使用環(huán)境溫度-40°C～120°C，最高使用溫度150°C，而燈具的最高表面溫度不超過70℃，余量充足。該橡膠密封性能優(yōu)良，邵氏硬度可在20～95度之間調(diào)整，硬度適中時回彈性相當(dāng)好。而且耐酸堿、耐磨性、耐油性都非常優(yōu)良。4）金屬表面涂裝。主體材料采用ZCuZn16Si4硅黃銅，其本身就是具有極強(qiáng)的抗腐蝕材料。對它表面又進(jìn)行涂裝處理，涂裝工藝時表面進(jìn)行噴塑處理，涂層材料采用滿足海洋環(huán)境及長期潛入海水中要求的塑粉。表面噴塑增加了燈具的抗腐蝕性能，延長燈具的使用壽命。

7.1.3可靠性預(yù)計

通過對研制的潛水航行燈進(jìn)行各項型式檢驗以及光學(xué)性能檢測、色度坐標(biāo)檢測等試驗。積累了一定的可靠性數(shù)據(jù)。

燈具主要由燈體、透鏡、光源部分組成。各部分可靠性分析如下：

燈體部分是金屬材料精密鑄造而成，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，在同等條件下使用不會失效。

透鏡上下兩端面裝有減振橡膠墊圈，由拉桿夾緊。主要目的起到了抗沖擊和耐振動的性能，以及燈具的防護(hù)性能。同時透鏡在設(shè)計上考慮了沖擊振動的要求。正常使用條件下也不會失效。

光源即發(fā)光二級管（LED）安裝在燈具內(nèi)部，在散熱方面的設(shè)計受到溫度應(yīng)力、電應(yīng)力等影響存在一定不穩(wěn)定因素較多。因此光源是其中最薄弱環(huán)節(jié)。只需對光源進(jìn)行可靠性預(yù)測計算即可。

可靠性計算詳見《QDH系列潛水航行燈可靠性計算書》，計算結(jié)果為1.92×104h，滿足QDH系列潛水航行燈《設(shè)計開發(fā)計劃書》MTBF不小于30000小時的要求。

7.2維修性

7.2.1維修性設(shè)計

所謂維修性，是指可修復(fù)的產(chǎn)品在給定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行維修的難易程度，維修性與可靠性時密切相關(guān)的，提高可靠性的目的是為了減少對維修的依賴，提高維修性又是對可靠性的必要補(bǔ)充。只有可靠性和維修性俱佳的產(chǎn)品其在必要的工作時間內(nèi)有效利（可用度）才會更高。維修性設(shè)計與性能設(shè)計、可靠性設(shè)計、安全性設(shè)計同時進(jìn)行綜合考慮。設(shè)計中采用的光源是美國科銳（CREE）公司的Xlamp系列高光效、長壽命的LED產(chǎn)品。它的壽命可達(dá)5萬小時（光衰70%時）基本上免維護(hù)。

燈具的光源體現(xiàn)在由安裝盤、導(dǎo)柱、鋁基柱、發(fā)光二極管及電氣系統(tǒng)組成的發(fā)光組件。由于采用了新型光源和外殼連接結(jié)構(gòu)，從而在滿足光學(xué)性能和機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，充分考慮到更換光源和維修過程的便利程度。在需要更換光源時，將發(fā)光組件的安裝盤與底殼4個連接螺釘松開，將新的發(fā)光組件換上即可。從而達(dá)到了可靠性和維修性相對互補(bǔ)。

7.2.2維修性評估結(jié)論

該燈具更換光源方便，更換時間≤30分鐘，維修性能好。

8、性能測試及相關(guān)試驗

8.1光學(xué)性能測試

根據(jù)國家船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB518-2005《潛水航行燈規(guī)范》和中國船級社《關(guān)于執(zhí)行船用航行燈及其控制器設(shè)備檢驗新要求的通函》要求。委托國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對QDH系列潛水航行燈進(jìn)行光學(xué)性能測試，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，合格，詳見測試報告。

8.2相關(guān)試驗

根據(jù)國軍標(biāo)GJB150-86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》的有關(guān)規(guī)定和試驗程序，委托《中國船舶重工集團(tuán)公司第七0四研究所》對研制QDH系列潛水航行燈進(jìn)行了高溫試驗、低溫試驗、濕熱試驗、霉菌試驗、鹽霧試驗、振動試驗、沖擊試驗、傾斜和搖擺試驗，結(jié)果合格，詳見測試報告。

根據(jù)國軍標(biāo)GJB151A-97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》委托《中國船舶重工集團(tuán)公司第七0四研究所》進(jìn)行電磁兼容性測試，結(jié)果合格，詳見測試報告。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4208—2008外殼防護(hù)等級（IP代碼）委托《中國船舶重工集團(tuán)公司第七0四研究所》進(jìn)行外殼防護(hù)試驗，結(jié)果合格，詳見測試報。

9、結(jié)束語

QDH系列潛水航行燈經(jīng)過設(shè)計開發(fā)、試制和多項試驗證明，該系列燈具完全滿足國家船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB518-2005《潛水航行燈規(guī)范》以及中國船級社《關(guān)于執(zhí)行船用航行燈及其控制器設(shè)備檢驗新要求的通函》要求，并且滿足國軍標(biāo)GJB150-86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》中高溫、低溫、濕熱、霉菌、鹽霧、振動、沖擊、傾斜和搖擺的有關(guān)規(guī)定。滿足國軍標(biāo)GJB151A-97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的電磁兼容要求。滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4208—2008《外殼防護(hù)等級（IP代碼）》防護(hù)型式要求。燈具可靠性強(qiáng)，維修方便，適合潛艇安裝使用。