艦船電子設(shè)備振動試驗條件的分析和對比

寧薇薇，陳立偉，孫立明

（天津航天瑞萊科技有限公司試驗檢測中心，天津 300462）

艦船電子設(shè)備振動試驗條件的分析和對比

寧薇薇，陳立偉，孫立明

（天津航天瑞萊科技有限公司試驗檢測中心，天津 300462）

對GJB 4.7-83《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗 振動試驗》與GJB 150-16A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗》（A2.2.8艦船）進(jìn)行了詳盡的分析和對比，并結(jié)合國外標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)驗，提出了耐振試驗危險頻率及其振動量級的選取方法。

艦船設(shè)備；振動試驗；危險頻率

引言

艦船作為當(dāng)代主要運輸及軍用介質(zhì)，面對的機械物理環(huán)境錯綜復(fù)雜，在其航行和作戰(zhàn)時，會遭遇各種干擾，如主機螺旋槳、強力海風(fēng)、突發(fā)海情等多種可預(yù)見性和非可預(yù)計的影響，干擾嚴(yán)重時會引起船體的劇烈震蕩和船體結(jié)構(gòu)的破壞。同時艦船上的電子設(shè)備也會受到各種機械力的影響，例如振動、沖擊、顛震、傾斜搖擺、風(fēng)壓等。振動就是其中主要危害之一，它主要造成兩種形式的破壞：一是設(shè)備在激振情況下產(chǎn)生的共振響應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備因超出極限能力而失效；二是長期的振動沖擊致使設(shè)備疲勞損壞。因而在艦船設(shè)備正式裝船前，都會進(jìn)行一系列振動試驗，以考核設(shè)備是否能夠適應(yīng)嚴(yán)酷的航海環(huán)境[1-4]。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，艦船設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能均不可同日而語，結(jié)構(gòu)多變，性能復(fù)雜，因此對設(shè)備的穩(wěn)定性要求大幅提高，尤其是艦船的驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)以及導(dǎo)航設(shè)備等，更要嚴(yán)格重點考核[5]。為進(jìn)一步加強和考核艦船設(shè)備的戰(zhàn)斗力和生命力，根據(jù)國內(nèi)實驗室常使用的GJB 4.7-83及GJB 150.16A-2009標(biāo)準(zhǔn)來考核電子設(shè)備的工作性能。而國內(nèi)常用的GJB 4.7-83《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗 振動試驗》至今已應(yīng)用了三十年之久，試驗標(biāo)準(zhǔn)就當(dāng)代設(shè)備而言存在諸多不足。本文針對常用的GJB 4.7-83、GJB 150A-2009中的艦船條件進(jìn)行了分析和對比，提出了目前發(fā)現(xiàn)的一些問題及解決辦法。

1 兩個標(biāo)準(zhǔn)總體分析和對比

1.1 兩個標(biāo)準(zhǔn)總體比較

由于GJB 4.7-83標(biāo)準(zhǔn)的提出時試驗設(shè)備能力有限，標(biāo)準(zhǔn)中均未提及由于艦船航速、航向、各種操作和海情等的變化所引起的隨機振動試驗。這就減少了艦船類設(shè)備的考察項目，從而降低了產(chǎn)品遇到類似環(huán)境的抵抗能力。GJB 4.7-83分為三個試驗項目：共振檢查，穩(wěn)定性試驗以及耐振試驗。而GJB 150.16A-2009分為兩個大項目：正弦掃描振動試驗和隨機振動試驗，其中正弦掃描振動試驗包含功能試驗和耐振試驗。GJB 4.7-83標(biāo)準(zhǔn)試驗條件見表1[6]、GJB 150.16A-2009標(biāo)準(zhǔn)試驗條件見表2及圖1[7]。試驗條件存在較大的差異，試驗的頻率范圍和量級都有了很大的變化。

表1 GJB4.7-83試驗條件

表2 GJB 150.16A功能試驗條件

1.2 兩標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問題和對比分析

1.2.1 GJB 4.7-83存在的的主要問題

如表1所示，GJB 4.7-83主要分為三個試驗項目：共振檢查，穩(wěn)定性試驗，耐振試驗。主要問題在于如何確定共振頻率及耐振試驗的振動量級。

1）共振檢查試驗

GJB 4.7-83共振檢查試驗中只規(guī)定了根據(jù)試驗樣品及其零部件幅值明顯變化或者設(shè)備輸出電流、電壓的變化判斷共振，但未明確規(guī)定多大的傳遞數(shù)值所對應(yīng)的響應(yīng)極值頻率可作為共振頻率參考，也未把影響設(shè)備功能或者結(jié)構(gòu)完整性的非響應(yīng)極值頻率（如出現(xiàn)性能、結(jié)構(gòu)、機械或電氣異常的頻率）作為危險頻率考慮到耐振試驗頻率的參考頻率當(dāng)中[8]。

2）穩(wěn)定性試驗

在穩(wěn)定性試驗中，可能會出現(xiàn)以下兩種情況，而這些情況的出現(xiàn)必將影響耐振試驗的結(jié)果以及對設(shè)備的考核。

第一種，由于GJB 4.7-83中穩(wěn)定性試驗量級大于共振檢查試驗的量值，就可能存有在共振檢查中未暴露的共振頻率在穩(wěn)定性試驗中出現(xiàn)，這就造成了對耐振試驗的影響。在穩(wěn)定性試驗中暴露的這些共振點是否也應(yīng)該作為耐振試驗的參考點。

圖1 GJB 150.16A-2009艦船隨機振動試驗條件

第二種，由于GJB 4.7-83穩(wěn)定性試驗中，允許在除耐振試驗選擇的頻率外，在其他可疑頻率上允許延長試驗時間5 min，但所選定的可疑頻率點每個軸向不得超過4個。這在試驗中就有可能出現(xiàn)當(dāng)在一個可疑點延時振動時，試驗設(shè)備出現(xiàn)異常，那么這個頻率是否作為耐振頻率，這個可疑點有可能不是幅值最大的，延時振動設(shè)備出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象，那么如何確認(rèn)這個點是否作為耐振頻率的參考點。

3）耐振試驗

由于共振檢查試驗和穩(wěn)定性試驗在試驗條件上存在一定的疏漏，勢必造成耐振試驗結(jié)果的多樣性。

GJB 4.7-83耐振試驗中明確規(guī)定若某方向上有共振現(xiàn)象，則在最有害的共振頻率上，根據(jù)表1規(guī)定的位移或加速度幅值振動2 h。當(dāng)最有害的共振頻率難以判斷時，則在共振頻率上選取兩個，按表1規(guī)定的位移或加速度幅值各振動1 h。若無共振，則在表1規(guī)定的頻率、位移或加速度幅值振動2 h[6]。但是由于共振檢查試驗中未明確規(guī)定如何選取共振頻率，則在后續(xù)進(jìn)行的耐振試驗時就會帶來很多困擾。不同的人依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，就會選擇不同的頻率，勢必造成試驗結(jié)果的多樣性。

同時，在耐振試驗頻率交越點位移和加速度的確定上存在歧義，有共振時，1類桅區(qū)共振頻率為10 Hz時，振幅可選0.25 mm或0.6 mm，共振頻率為17 Hz時，加速度可選0.6 mm或1 g，可見標(biāo)準(zhǔn)GJB 4.7規(guī)定的并不嚴(yán)謹(jǐn)，在相同的共振頻率上選取不同的試驗量值，最大的試驗量值可相差4倍之多，這就可能會出現(xiàn)因選取不同的試驗量值，導(dǎo)致同一批試驗件的試驗結(jié)果出現(xiàn)較大差異。而在GJB 150.16A-2009中，頻率范圍內(nèi)不存在階躍點，這樣就避免了GJB 4.7-83耐振試驗中振幅選擇的不確定性和差異性。

1.2.2 GJB 150.16A存在的主要問題

GJB 150.16A-2009明確了隨機振動試驗條件，加強了艦船電子設(shè)備的考核要求，主要問題在于如何確定危險頻率。

1）耐振試驗規(guī)定了如何選擇危險頻率，但同GJB 4.7-83一樣，危險頻率的定義很模糊。GJB 150.16A -2009規(guī)定危險頻率是由于振動出現(xiàn)試驗的工作失靈、性能超差或損傷；機械共振及其他響應(yīng)現(xiàn)象，例如顫振。這里所謂的機械共振未規(guī)定傳遞多大為共振。當(dāng)試驗中出現(xiàn)多個機械共振頻率點時，我們應(yīng)當(dāng)如何取舍，取舍的依據(jù)是什么。

2）由于功能振動試驗中掃描最大范圍到160 Hz，但是隨機振動試驗條件只到100 Hz，頻率范圍變窄了，那么是否應(yīng)該根據(jù)試驗件的特性考慮增加頻率范圍，以加強對試驗件的考察能力。

1.2.3 掃描方式的對比

GJB 4.7-83中所采用的掃描方式是線性掃描，規(guī)定試驗時掃描時間由低到高均勻連續(xù)的改變頻率，每個頻帶對應(yīng)一個掃描的時間范圍。但標(biāo)準(zhǔn)中未明確規(guī)定掃描速率，會產(chǎn)生以下兩方面問題：第一，由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的掃描方式是分段式掃描，所以在同一頻帶范圍內(nèi)對應(yīng)每個頻率點上的振動時間相同，但在不同頻帶上每一頻率點的振動時間不同，存在一定的不合理。第二，掃描速率較快時，響應(yīng)幅值不穩(wěn)定，達(dá)不到相應(yīng)的振動理論數(shù)值可能得不到正確的共振響應(yīng)，掃描速率較慢時，雖可獲得較為正確的共振響應(yīng)，但會對試驗設(shè)備產(chǎn)生一定的破壞。分析多年試驗數(shù)據(jù)可知，分段式線性掃描應(yīng)明確不同頻帶的掃描速率，采用對數(shù)掃描的方式，即按照時間的指數(shù)規(guī)律變化，頻率從低到高掃描。從而解決線性掃描低頻振動次數(shù)較少、高頻振動次數(shù)頻繁的問題。而不同于GJB 4.7-83的線性掃描，GJB 150.16A-2009明確規(guī)定了掃描速率以1oct/min的速率從低頻到高頻往復(fù)掃描10次，這樣就可以有效的避免了線性掃描的缺點。

1.3 小結(jié)與建議

1.3.1 GJB 4.7-83標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的優(yōu)化

1）共振頻率

根據(jù)我國內(nèi)的艦船標(biāo)準(zhǔn)并參考國外標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)，在共振檢查試驗中，根據(jù)艦船設(shè)備的實測數(shù)據(jù)，發(fā)生共振時，設(shè)備本身的振動量值要比設(shè)定基值大好幾倍，由于阻尼值不同，據(jù)不完全的統(tǒng)計來看,放大倍數(shù)約1~10倍,通常為2~5倍?？蛇x取放大倍數(shù)大于2的多個頻率點作為共振頻率，篩選出一部分可疑頻率。當(dāng)然放大倍數(shù)的選取還應(yīng)與試驗委托方商議，根據(jù)設(shè)備本身特性定奪。

2）耐振試驗頻率、量級及試驗時間

耐振試驗中，應(yīng)該把影響設(shè)備功能或者結(jié)構(gòu)完整性的非響應(yīng)極值頻率（如任何出現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能、機械或電氣異常的頻率）作為危險頻率考慮到耐振試驗頻率的參考頻率當(dāng)中，全面的考察設(shè)備能力。在穩(wěn)定性試驗中出現(xiàn)的共振頻率，也可做為耐振試驗的危險頻率考慮進(jìn)去，根據(jù)共振檢查試驗結(jié)果和穩(wěn)定性試驗的結(jié)果，選擇放大倍數(shù)最大的n個共振頻率。在耐振試驗中，在n個共振頻率點上各振動2 h/n，總振動時間為2 h。綜合考慮了每個共振頻率對設(shè)備影響，更全面的考察了設(shè)備對振動環(huán)境的適應(yīng)性。當(dāng)在階躍頻率做為共振頻率時，可采用試驗量級較大的進(jìn)行耐振試驗。

1.3.2 GJB 150.16A-2009標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的優(yōu)化

1）危險頻率

選取機械共振放大倍數(shù)大于2的多個頻率點作為危險頻率，并將在振動試驗中出現(xiàn)的工作失靈、性能超差及損傷的頻率點考慮在內(nèi)。

2）耐振試驗時間

耐振試驗中，在n個危險頻率點上各振動2 h/n，總振動時間為2 h，全面考察每個危險頻率對設(shè)備的影響。

3）隨機振動試驗頻率范圍

由于隨機振動試驗頻率范圍較正弦掃描試驗變窄，可根據(jù)設(shè)備的最低軸頻率及最高槳葉頻率作為的隨機振動試驗和正弦掃描振動條件的下限與上限，在確定振動幅值時，更可能根據(jù)設(shè)備的實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行試驗，這樣的試驗條件更加接近真實環(huán)境。

2 結(jié)束語

本文針對國內(nèi)艦船標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳盡的分析和對比，并根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)中存在的主要問題提出了解決辦法，尤其對概念模糊的共振頻率和危險頻率都給出了明確的放大倍數(shù)，避免了試驗結(jié)果的歧義。當(dāng)試驗中出現(xiàn)多個共振頻率或危險頻率時，優(yōu)化耐振試驗方法，嚴(yán)謹(jǐn)考察設(shè)備能力。同時，需要在試驗中更加全面的找出共振頻率以及對設(shè)備功能或結(jié)構(gòu)完整性造成影響的非響應(yīng)極值頻率，以加強艦船在抗擊海上惡劣環(huán)境的能力。建議當(dāng)有實測數(shù)據(jù)時，應(yīng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定其振動暴露量級，當(dāng)無實測數(shù)據(jù)時，推薦使用GJB 150.16A中（A2.2.8艦船）試驗條件進(jìn)行試驗。

[1]呼怡玫. 對艦船設(shè)備沖擊振動試驗的分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2002.

[2]金鴻章.艦艇用設(shè)備的振動與沖擊試驗的分析[J].艦船技術(shù), 1981(12).

[3]馬綸宇.艦船機械設(shè)備沖擊標(biāo)準(zhǔn)淺談[J].噪聲與振動控制, 1997(6):41-45

[4] GJB 13A-1997,艦船電氣規(guī)范[S].

[5] GJB 150.16-1983,軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法 振動試驗[S].

[6] GJB 4.7-83,艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗 振動試驗[S].

[7] GJB 150.16A-2009,軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第16部分:振動試驗[S].

[8]唐文杰. GJB 4.7-83《艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗 振動試驗》和MILSTD-167-1A《艦船設(shè)備的機械振動（I類-環(huán)境振動）》的分析和對比[J ]. 環(huán)境技術(shù), 2009(04):45-48.

Analysis and Comparison of the Condition of Shipboard Electronic Equipment Vibration Test

NING Wei-wei, CHEN Li-wei, SUN Li-ming
(Tianjin Aerospace Reliability Technology Co, Ltd., Tianjin 300462)

This paper carries on detailed analysis and comparison between GJB 4.7-83, Environmental Test of Shipboard Electronic Equipment Vibration Test and GJB 150.16A-2009, Laboratory environment test methods for military material-Part 16: Vibration test. And combined with the foreign standards and experience, it puts forward the dangerous frequency of endurance vibration test and the choosing method for the vibration level.

shipboard electronic equipment; vibration test; dangerous frequency

U661.4

A

1004-7204（2017）03-0076-05

寧薇薇（1989-），女，本科，助理工程師，研究方向:結(jié)構(gòu)強度、振動與可靠性。