關(guān)于國軍標(biāo)GJB 150.16A中艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施方法及應(yīng)用

唐文杰，黃宋均，徐自煒，顧奕翀，蔡琦煜

（中船重工集團(tuán)公司第七〇四研究所 船舶環(huán)境工程與可靠性實(shí)驗(yàn)室，上海 200031）

關(guān)于國軍標(biāo)GJB 150.16A中艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施方法及應(yīng)用

唐文杰，黃宋均，徐自煒，顧奕翀，蔡琦煜

（中船重工集團(tuán)公司第七〇四研究所 船舶環(huán)境工程與可靠性實(shí)驗(yàn)室，上海 200031）

論述了GJB 150.16A艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的適當(dāng)剪裁及確定危險(xiǎn)頻率、耐振頻率和耐振時(shí)間等的適當(dāng)選擇，詳細(xì)介紹了標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確實(shí)施及應(yīng)用方法，以促進(jìn)GJB 150.16A中艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的推廣與應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)剪裁；危險(xiǎn)頻率；傳遞率；耐振

引言

GJB 150.16A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn) 振動(dòng)試驗(yàn)》作為GJB 150A系列標(biāo)準(zhǔn)之一已頒布實(shí)施了六年。但是作為標(biāo)準(zhǔn)的修訂單位之一，我們在各單位大量的艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有的設(shè)備設(shè)計(jì)人員或生產(chǎn)廠家，甚至包括有的試驗(yàn)人員尚未完全理解標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該如何準(zhǔn)確實(shí)施，為此有必要作較詳細(xì)的介紹和論述。

1 標(biāo)準(zhǔn)剪裁的必要性

GJB 150A類似MIL 810，均為可剪裁標(biāo)準(zhǔn)，這在標(biāo)準(zhǔn)中有明確說明。應(yīng)用時(shí)應(yīng)按設(shè)備所處實(shí)際環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)剪裁，以避免浪費(fèi)人力、物力的過試驗(yàn)。

但不少設(shè)計(jì)人員或生產(chǎn)廠家在制訂試驗(yàn)大綱時(shí)往往只照搬標(biāo)準(zhǔn)上的試驗(yàn)參數(shù)列表，而不注意剪裁說明。如標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表中水面艦船和潛艇主體區(qū)的正弦振動(dòng)（功能振動(dòng)試驗(yàn)和耐振試驗(yàn)）上限頻率為60 Hz，這只是保留了原來獵潛艇的上限頻率，但若設(shè)備裝在特定艦船上，應(yīng)按不同艦船最高螺旋槳轉(zhuǎn)速來確定上限頻率。如核潛艇、驅(qū)逐艦上限頻率在25 Hz左右[5]，護(hù)衛(wèi)艦及常規(guī)潛艇上限頻率在30～35 Hz左右[5]。實(shí)際上限頻率應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)注釋中的公式確定：上限頻率（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。新版美軍標(biāo)MILSTD-810G中“艦船設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)”中艦船設(shè)備上限頻率計(jì)算公式中乘上了一個(gè)放大系數(shù)1.15。如果不進(jìn)行剪裁，會(huì)出現(xiàn)不管任何艦船大小，功能試驗(yàn)掃頻上限或無危險(xiǎn)頻率時(shí)的耐振頻率均為60 Hz，這樣因?yàn)槌隽伺灤瑢?shí)際上限頻率，可能會(huì)得到不符合實(shí)際環(huán)境的危險(xiǎn)頻率而出現(xiàn)實(shí)際環(huán)境不可能出現(xiàn)的故障，另外由于超出實(shí)際的上限頻率，對一些較高、較大設(shè)備的夾具提出了過高的剛性要求。因?yàn)閵A具應(yīng)有足夠的剛性，其固有頻率應(yīng)不低于試驗(yàn)上限頻率。因此在新版美軍標(biāo)MIL-STD-810G中“艦船設(shè)備的機(jī)械振動(dòng) I類-環(huán)境振動(dòng)”中環(huán)境振動(dòng)頻率范圍從原來的4～50 Hz改成了4～33 Hz（特定艦船設(shè)備按最高螺旋槳轉(zhuǎn)速確定）。另外國軍標(biāo)參數(shù)表中水面艦船和潛艇主體區(qū)的下限頻率雖然為1 Hz，實(shí)際只要設(shè)備最低固有頻率不低于5 Hz即可，即下限頻率可取Hz，實(shí)際可按不同設(shè)備最低固有頻率選取，美軍標(biāo)采用的最低頻率為4 Hz。圖1、圖2為某底部直接固定操縱設(shè)備的橫向、縱向傳遞函數(shù)曲線，雖然艇實(shí)際上限頻率只有35 Hz，由于大綱直接照搬標(biāo)準(zhǔn)未剪裁，上限頻率取60 Hz，原本橫向只應(yīng)在34 Hz存在一個(gè)加速度傳遞率只有1.4的輕微共振，現(xiàn)在多出一個(gè)實(shí)際本不該存在的、傳遞率為4.1的較劇烈的60 Hz共振頻率。同樣縱向出現(xiàn)了本不該存在的、傳遞率為9.0的52.4 Hz劇烈共振頻率。這樣經(jīng)過在共振頻率上的耐振試驗(yàn)，設(shè)備出現(xiàn)了故障，帶來了后續(xù)不必要的人力、物力、時(shí)間的浪費(fèi)。

2 危險(xiǎn)頻率的確定

艦船設(shè)備的耐振試驗(yàn)應(yīng)在危險(xiǎn)頻率上進(jìn)行，危險(xiǎn)頻率不僅包括共振頻率，還包括設(shè)備功能或結(jié)構(gòu)完整性受影響的非響應(yīng)極值頻率（如任何出現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能、機(jī)械或電氣異常的頻率）。如意外的開關(guān)閉合、意外的壓力或流量的改變、電壓、電流的變化、異常聲響等等。危險(xiǎn)頻率由功能試驗(yàn)掃頻獲得，并在耐振期間對其應(yīng)持續(xù)監(jiān)測。需要強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)分別在各軸向耐振試驗(yàn)前后各進(jìn)行5次掃頻循環(huán)功能試驗(yàn)。功能試驗(yàn)分兩次進(jìn)行是為了確定耐振試驗(yàn)是否對設(shè)備結(jié)構(gòu)或功能產(chǎn)生影響，共振頻率及其加速度傳遞率是否在耐振前后發(fā)生明顯變化。

圖1 某底部固定設(shè)備橫向傳遞函數(shù)曲線

圖2 某底部固定設(shè)備縱向傳遞函數(shù)曲線

另外關(guān)于共振和共振頻率的確定，有的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)人員認(rèn)識(shí)上還存在誤解，如根據(jù)僅反映共振銳度及阻尼大小的品質(zhì)因子Q的大小來判斷有無共振，按此方法甚至能得出2 m高帶減振器和安裝架的機(jī)柜三個(gè)軸向均無共振的錯(cuò)誤結(jié)論。實(shí)際上共振及其大小判定許多標(biāo)準(zhǔn)上均有很明確的定義，如GB/T 2298-1991《機(jī)械振動(dòng)與沖擊術(shù)語》中共振定義為：“系統(tǒng)作受迫振動(dòng)時(shí)，激勵(lì)頻率有任何微小改變均會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)下降的現(xiàn)象”。在ASTM D999-01中為：“共振-對于一個(gè)遭受強(qiáng)迫振動(dòng)的系統(tǒng)，當(dāng)激勵(lì)頻率附近發(fā)生不管正或負(fù)的任何變化，就會(huì)引起系統(tǒng)響應(yīng)的下降，該頻率即共振頻率”。而共振大小由傳遞率表征，在MIL-STD-810G 方法528 “艦船設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)” 中定義為：“傳遞率-在穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)中響應(yīng)幅值對激勵(lì)幅值的無量綱比。它可能是力、位移、速度或加速度之一”。在GB/T 2298-1991中也有相同的定義，通常使用的是加速度傳遞率。顯然在傳遞函數(shù)曲線上的尖峰就是共振點(diǎn)，其對應(yīng)的頻率即共振頻率，其峰值大小即傳遞率。

必須強(qiáng)調(diào)的是共振頻率不僅僅是設(shè)備的整體共振頻率，還應(yīng)包括設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵模塊或部位的局部共振頻率。試驗(yàn)人員往往只注重設(shè)備整體共振，而忽視局部共振的檢測。而關(guān)鍵模塊或部位的局部共振也是導(dǎo)致設(shè)備故障的重要因素。傳遞率多大時(shí)作為有意義的共振來考核設(shè)備，這應(yīng)該由設(shè)備（整機(jī)及內(nèi)部關(guān)鍵模塊或部位）的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性要求確定。當(dāng)技術(shù)文件或大綱無明確規(guī)定，而且無傳遞率較大的明顯共振時(shí)，可參考美軍標(biāo)MIL-STD-810G方法528“艦船設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)”中規(guī)定，將傳遞率大于1.5的響應(yīng)極值作為共振頻率包括進(jìn)耐久試驗(yàn)頻率中。

3 耐振頻率和時(shí)間的適當(dāng)選擇

有的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)人員誤以為每個(gè)軸向只要選一個(gè)危險(xiǎn)頻率耐振2 h，有的以為每個(gè)危險(xiǎn)頻率都要耐振2 h。由于GJB 150A系列標(biāo)準(zhǔn)參照MIL810F，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)確定時(shí)，新版美軍標(biāo)MIL-STD-810G也剛頒布，其中一些內(nèi)容未及詳細(xì)補(bǔ)充和說明，但是可以同樣參考使用。標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定是艦船設(shè)備各軸向應(yīng)在危險(xiǎn)頻率上“至少耐振2 h”。若有多個(gè)危險(xiǎn)頻率且無法區(qū)分它們危害大小，則按表1所示耐振時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，若無危險(xiǎn)頻率則在上限頻率試驗(yàn)2 h，耐振試驗(yàn)量級為功能試驗(yàn)時(shí)相應(yīng)頻率對應(yīng)量級。

表1 耐振試驗(yàn)時(shí)間

圖3 某配電箱縱向傳遞函數(shù)曲線

圖4 某配電箱橫向傳遞函數(shù)曲線

從圖3可見，某配電箱縱向有3個(gè)共振頻率，分別是5.9 Hz、10.4 Hz、13.5 Hz，對應(yīng)的加速度傳遞率分別為3.04、3.89、4.62。因共振頻率均處于等位移段，且傳遞率相差不大，因此無法區(qū)別它們的危害大小，并且縱向功能試驗(yàn)期間無設(shè)備功能或結(jié)構(gòu)完整性受影響的非響應(yīng)極值危險(xiǎn)頻率，因此縱向每個(gè)共振頻率應(yīng)分別耐振40 min。圖4為該配電箱橫向傳遞函數(shù)曲線，除了在7.1 Hz有一個(gè)加速度傳遞率為13.9的共振點(diǎn)外，后面還有若干個(gè)傳遞率為2～3的且較平緩的共振峰，但明顯沒有7.1 Hz的危害大。因此在功能試驗(yàn)期間無設(shè)備功能或結(jié)構(gòu)完整性受影響的非響應(yīng)極值危險(xiǎn)頻率情況下，橫向只需在7.1 Hz耐振2 h。

4 隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)用于驗(yàn)證設(shè)備在除螺旋槳軸旋轉(zhuǎn)、往復(fù)機(jī)械和設(shè)備運(yùn)行等與船體相互作用引起的正弦振動(dòng)（功能試驗(yàn)和耐振試驗(yàn)）外，對因航速、海況、機(jī)動(dòng)等變化時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性。三個(gè)軸向按標(biāo)準(zhǔn)要求的譜圖分別試驗(yàn)2 h。

5 控制方法

標(biāo)準(zhǔn)中介紹了五種振動(dòng)控制方法，最普遍使用的是加速度輸入控制方法，對于一些大型設(shè)備的夾具，在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)沒有共振是很難的，在夾具/設(shè)備的共振耦合無法避免時(shí)，可采取加速度限或力限控制方法。限于篇幅，這里不作詳細(xì)介紹。

6 正弦振動(dòng)（功能試驗(yàn)與耐振試驗(yàn)）的振幅容差設(shè)置

標(biāo)準(zhǔn)中正弦振動(dòng)控制點(diǎn)的振幅容差規(guī)定為±10 %，即-0.83 dB～+0.92 dB。但一般的正弦振動(dòng)試驗(yàn)控制軟件打開默認(rèn)的報(bào)警容差為±3 dB，中止容差為±6 dB，也就是報(bào)警容差為-29.2 %～+41.3 %，中止容差為-50 %～+100 %，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的容差。有些試驗(yàn)人員往往就在軟件默認(rèn)的容差范圍內(nèi)設(shè)置正弦振動(dòng)掃頻或耐振參數(shù)，那么當(dāng)出現(xiàn)試驗(yàn)失控或超差現(xiàn)象時(shí)就很可能損壞設(shè)備。因此設(shè)置參數(shù)時(shí)應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定容差設(shè)置，按標(biāo)準(zhǔn)要求，若規(guī)定的容差無法滿足，則應(yīng)提出可達(dá)到的容差并在試驗(yàn)前得到客戶確認(rèn)。

7 結(jié)束語

對軍標(biāo)的正確理解和應(yīng)用是保證軍品環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)考核的重要保障，不當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法會(huì)造成設(shè)備的過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)，甚至影響到試驗(yàn)的有效性。本文介紹了艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)施方法及一些注意要點(diǎn)供相關(guān)試驗(yàn)人員參考，有利于了解GJB 150.16A中艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。

［1］GJB 150.16A-2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)［S］.

［2］MIL-STD-810G，METHOD 528 MECHANICAL VIBRATIONS OF SHIPBOARD EQUIPMENT ［S］.

［3］GB/T 2298-1991，機(jī)械振動(dòng)與沖擊術(shù)語［S］.

［4］D999-01，Standard Test Methods for Vibration Testing of Shipping Containers ［S］.

［5］GJB 440.2-88 ，艦船設(shè)備環(huán)境參數(shù)分類及其嚴(yán)酷等級 機(jī)械［S］.

唐文杰，高工，從事環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用與研究。

Test Method and Application of Shipboard Equipment Vibration Test in GJB 150.16A

TANG Wen-jie，HUANG Song-jun，XU Zi-wei，GU Yi-chong，CAI Qi-yu
（Marine Environment Engineering and Reliability Laboratory of No.704 Research Institute of CSIC，Shanghai 200031）

This paper discusses how to tailor the standard appropriately，how to determine critical frequencies and how to choose appropriately endurance vibration test frequencies and duration of shipboard equipment vibration test in GJB 150.16A.Exact application means are detailed to facilitate popularization and use of shipboard equipment vibration test standard in GJB 150.16A.

standard tailoring；critical frequencies；transmissibility；endurance vibration

TB123

A

1004-7204（2015）06-0062-04