戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件的研究

商霖，周國(guó)峰，盧鑫

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戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件的研究

商霖，周國(guó)峰，盧鑫

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

研究戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸環(huán)境下振動(dòng)試驗(yàn)條件的制定。根據(jù)某型導(dǎo)彈實(shí)地跑車試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，采用時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析和頻域功率譜分析的方法，在基于懸掛頻率、輪胎頻率、導(dǎo)彈約束狀態(tài)頻率或車架大梁頻率和彈上設(shè)備安裝頻率或艙段頻率等四類主要頻率進(jìn)行修正的基礎(chǔ)上，合理地制定了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件。利用本文方法預(yù)測(cè)彈上和車上設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件，并與試驗(yàn)場(chǎng)跑車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，本文方法正確、合理，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)與GJB150A和MIL810G的對(duì)比分析表明，本文方法靈活、方便，能夠適應(yīng)于不同種類的產(chǎn)品或設(shè)備。

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈；公路運(yùn)輸；振動(dòng)環(huán)境條件；最大譜；譜平滑；譜平均

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在部署執(zhí)勤或戰(zhàn)備值班狀態(tài)下，采用了公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞?，由此可以極大地提高其射前/后的生存能力。然而，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中遇到的環(huán)境卻比較惡劣，如戰(zhàn)時(shí)遭到破壞的公路、未經(jīng)修葺的荒野路面等。同時(shí)還要求能夠具備長(zhǎng)距離、高速機(jī)動(dòng)的能力，由此對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境問(wèn)題提出了比較嚴(yán)酷的要求。當(dāng)前，有關(guān)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境問(wèn)題的研究還很少，已有研究主要集中在運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)方法[1―2]、運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M[3]和運(yùn)輸環(huán)境條件加速模擬[4]等方面。

導(dǎo)彈工程研制中，在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，主要還是采用GJB 150A[5]和MIL 810G[6]中已有的運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件。然而GJB 150A和MIL 810G只是單純地提出了環(huán)境試驗(yàn)條件，對(duì)其應(yīng)用情況和適用范圍并未作過(guò)多的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常直接使用這些標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)產(chǎn)品或設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，而未對(duì)導(dǎo)彈、彈上設(shè)備或車上設(shè)備等不同對(duì)象進(jìn)行區(qū)別處理，由此可能與產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)膶?shí)際振動(dòng)環(huán)境相差甚遠(yuǎn)，甚至?xí)?dǎo)致過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)的情況。

針對(duì)以上問(wèn)題，文中根據(jù)某型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈實(shí)地跑車試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中的實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域的處理，提出了基于四類主要頻率修正的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件。隨后，根據(jù)所提環(huán)境條件的方法外推并預(yù)測(cè)了彈上慣組與車控主機(jī)的運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件，通過(guò)與某試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)路面跑車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，文中方法合理正確、可以滿足工程設(shè)計(jì)需求。最后，通過(guò)與GJB 150A和MIL 810G對(duì)比分析，表明文中運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件制定方法使用方便、操作靈活。

1 跑車試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概述

跑車試驗(yàn)選定我國(guó)華北、西北地區(qū)進(jìn)行，道路類型涵蓋了高速公路、普通柏油路、水泥搓板路和砂土碎石路等典型路面，路面上間或有路障、凸起和凹坑等，行車速度為20~80 km/h。試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)彈按運(yùn)輸狀態(tài)裝填進(jìn)入貯運(yùn)發(fā)射箱、并固定，貯運(yùn)發(fā)射箱通過(guò)發(fā)射架安裝在運(yùn)輸車輛底盤上。同時(shí)，在導(dǎo)彈各艙段連接端面、前滑塊和后滑塊等位置布置了振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。振動(dòng)傳感器選用BW14595型加速度傳感器，頻響范圍為0.5~2000 Hz。信號(hào)采集器選用32通道ICP電壓型MDR數(shù)字信號(hào)記錄器，采樣頻率為1280 Hz。跑車試驗(yàn)全程，采用低噪聲電纜將振動(dòng)信號(hào)接入MDR數(shù)字信號(hào)記錄器。

1.2 時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析

時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析是指對(duì)信號(hào)的各種時(shí)域參數(shù)、指標(biāo)的估計(jì)或計(jì)算。振動(dòng)信號(hào)的常用時(shí)域參數(shù)和指標(biāo)主要包括：峰值、均方根值、斜度和峭度以及概率密度函數(shù)等。圖1給出了在特定路面類型/等級(jí)和某一運(yùn)輸速度組合下導(dǎo)彈前滑塊位置向的振動(dòng)信號(hào)時(shí)間歷程曲線。表1和圖2為圖1測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

從表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，信號(hào)峰值是3倍均方根值的2倍，表明振動(dòng)信號(hào)中夾雜了沖擊信號(hào)，而峭度值表明沖擊信號(hào)幅值較低、數(shù)量較少。此外，從圖2中圖形外廓可見(jiàn)，信號(hào)峰值概率密度函數(shù)曲線略微右偏，這正對(duì)應(yīng)了表1中斜度值小于0。

圖1 振動(dòng)信號(hào)的加速度時(shí)程曲線

表1 加速度信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析

信號(hào)峭度和斜度等于0，表明信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即是高斯信號(hào)。非高斯信號(hào)峭度不等于0，信號(hào)峭度小于0是亞高斯信號(hào)，信號(hào)峭度大于0是超高斯信號(hào)。文中信號(hào)斜度和峭度均較小，基本可以看作是高斯信號(hào)。如果信號(hào)峭度較大，表明運(yùn)輸環(huán)境中振動(dòng)信號(hào)伴隨著大量的沖擊信號(hào)，由此則必須看作超高斯信號(hào)處理，相應(yīng)的處理方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]。

圖2 加速度信號(hào)的幅值概率密度函數(shù)

1.3 頻域功率譜分析

功率譜密度[9]是一種概率統(tǒng)計(jì)方法，是對(duì)隨機(jī)變量均方值的度量。物理定義中，功率譜密度是指單位頻帶內(nèi)的信號(hào)功率，即信號(hào)功率在各頻點(diǎn)的分布，對(duì)功率譜在頻域上的積分可以得到信號(hào)的功率。對(duì)跑車試驗(yàn)中，導(dǎo)彈前、后滑塊和各艙段連接端面等位置的振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域功率譜密度分析，可以發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)垂直向的振動(dòng)較為劇烈。因此，將高速公路和普通路面跑車狀態(tài)下導(dǎo)彈前、后滑塊方向的功率譜密度曲線畫在圖3中進(jìn)行比對(duì)和分析。其中，普通路面功率譜密度曲線是綜合并包絡(luò)了不同車速下通過(guò)普通柏油路、水泥搓板路和砂土碎石路等路面功率譜密度曲線的最大譜[10-11]，每種車速每種路面功率譜密度曲線是通過(guò)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜密度估算并采用譜平滑和譜平均技術(shù)[12-13]得到的。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)彈前、后滑塊方向的功率譜密度曲線主要包含5個(gè)譜峰，分別對(duì)應(yīng)于底盤系統(tǒng)垂直方向的懸掛頻率（頻率1、2和3）和輪胎的支撐頻率（頻率4和5），其譜峰頻率值與文獻(xiàn)[14]中汽車懸掛（車身）質(zhì)量的固有頻率和非懸掛（車輪）質(zhì)量部分的固有頻率較為接近。其中，1為前懸頻率、2為后懸頻率，后前比約為1.6，3為底盤前、后懸整體的俯仰頻率，與文獻(xiàn)[15]中雙質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)前、后懸頻率與頻率比的通用設(shè)計(jì)相符合。此外，從圖3中可見(jiàn)，高速公路功率譜密度相對(duì)普通路面功率譜密度來(lái)說(shuō)基本可以忽略，因此設(shè)計(jì)分析中需要區(qū)別對(duì)待、單獨(dú)處理。

圖3 振動(dòng)信號(hào)的加速度功率譜密度曲線

2 振動(dòng)環(huán)境條件的預(yù)測(cè)

結(jié)合跑車試驗(yàn)，測(cè)量導(dǎo)彈關(guān)心位置的振動(dòng)響應(yīng)，利用頻域功率譜分析方法獲取最大頻譜以包絡(luò)所有工作環(huán)境中所有狀態(tài)下的頻譜，由此可以得到導(dǎo)彈或彈上設(shè)備在公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸時(shí)的振動(dòng)環(huán)境條件。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)條件，采用斜率為0，±3，±6 dB的一系列直線，文中采用五條或七條線段，來(lái)對(duì)最大譜進(jìn)行平滑。圖4和圖5分別為根據(jù)跑車試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果平滑得到的高速公路和普通路面機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件。圖4中振動(dòng)環(huán)境條件的功率譜密度值采用了2.223的加速因子，以保證按振動(dòng)環(huán)境條件振動(dòng)1 h可以等效1600 km的高速公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸。圖5中振動(dòng)環(huán)境條件的功率譜密度值采用了1.850的加速因子，以保證按本文振動(dòng)環(huán)境條件振動(dòng)40 min可以等效804 km的普通路面機(jī)動(dòng)運(yùn)輸。此外，為保證試驗(yàn)操作方便，還可將圖4振動(dòng)環(huán)境條件加速至圖5振動(dòng)環(huán)境條件，并將兩者綜合從而采用一個(gè)振動(dòng)環(huán)境條件來(lái)表征高速公路和普通路面機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境，如此處理的思想來(lái)自于GJB 150A和MIL810G等軍標(biāo)中疲勞等效關(guān)系。

圖4 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件-高速公路

圖5 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件-普通路面

文中振動(dòng)環(huán)境條件的制定，在參照跑車試驗(yàn)最大譜的基礎(chǔ)上，主要考慮根據(jù)懸掛頻率（1~10 Hz）、輪胎頻率（10~20 Hz）、導(dǎo)彈裝箱/筒狀態(tài)頻率或車架大梁頻率（20~50 Hz）和彈上設(shè)備安裝頻率或艙段頻率（170~500 Hz）等四類主要頻率進(jìn)行修正。因此，當(dāng)導(dǎo)彈或彈上設(shè)備未經(jīng)歷跑車環(huán)境時(shí)，其振動(dòng)響應(yīng)或環(huán)境條件可根據(jù)本文振動(dòng)環(huán)境條件利用外推法來(lái)預(yù)測(cè)，繼而得到適用于不同類型運(yùn)輸車輛、不同規(guī)模導(dǎo)彈的振動(dòng)環(huán)境條件。此外，通過(guò)調(diào)整第四類頻率，還可以分別得到導(dǎo)彈和彈上設(shè)備的振動(dòng)環(huán)境條件。其中，導(dǎo)彈的運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)可參照文獻(xiàn)[3]執(zhí)行，彈上設(shè)備的運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)可參照GJB 150A第16部分振動(dòng)試驗(yàn)中的一般振動(dòng)來(lái)執(zhí)行。

圖6為彈上慣組與車控主機(jī)在國(guó)內(nèi)某試驗(yàn)場(chǎng)跑車實(shí)測(cè)信號(hào)振動(dòng)功率譜密度曲線與文中振動(dòng)環(huán)境條件的對(duì)比。其中，彈上慣組安裝在剛性平臺(tái)上，其安裝頻率較高、且單一，因此用原條件即可包絡(luò)。車控主機(jī)安裝支架頻率較低且豐富，從減振角度考慮還在四個(gè)安裝支點(diǎn)位置加裝了減振器，因此在其減振器頻率附近超出了原條件，同時(shí)在支架頻率附近接近原條件，在高頻400 Hz以后由于減振器和支架的共同作用也超出了原條件。這里根據(jù)前期模態(tài)試驗(yàn)獲取的車控主機(jī)的減振器傳遞特性和安裝支架頻率，對(duì)文中條件進(jìn)行適當(dāng)修正以包絡(luò)實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

圖6 彈上慣組和車控主機(jī)公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件-普通路面

3 與國(guó)內(nèi)外軍標(biāo)的比對(duì)

圖4和圖5給出了文中振動(dòng)環(huán)境條件與GJB 150A和MIL 810G振動(dòng)環(huán)境的比對(duì)，其中GJB 150A是參考MIL 810F制定的，因此GJB 150A和MIL 810G都屬于美軍標(biāo)體系，其工程設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源是一致的。從圖示對(duì)比來(lái)看，文中振動(dòng)環(huán)境條件與GJB 150A/MIL 810G在低頻段從幅值和頻帶都比較切合，這表明國(guó)內(nèi)外車輛底盤的常用懸掛和輪胎的設(shè)計(jì)是一致。從中高頻段和高速公路向來(lái)看，二者相差比較大。這主要是由于環(huán)境條件制定方法和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置不同，GJB 150A/MIL 810G高速公路卡車環(huán)境條件是從7種不同的技術(shù)狀態(tài)情況的卡車和半拖車的貨艙底板上測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，GJB 150A/MIL 810G組合輪式車輛環(huán)境條件是從20種車輛的卡車和半拖車的車架大梁上2~12個(gè)測(cè)點(diǎn)位置得到的測(cè)量數(shù)據(jù)，而文中環(huán)境條件是從某型導(dǎo)彈各關(guān)鍵位置測(cè)量數(shù)據(jù)所得最大譜平滑而來(lái)，條件制定時(shí)采用了四類已知頻率對(duì)其進(jìn)行局部修正。由此看來(lái)，文中方法在使用上具有更好的適應(yīng)性、在操作上有更大的自由度。此外，從圖6看來(lái)，文中方法在工程上合理、可行，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

利用某型導(dǎo)彈實(shí)地跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析和頻域功率譜分析，提出了基于四類主要頻率修正的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件。通過(guò)與試驗(yàn)場(chǎng)跑車結(jié)果和GJB 150A及MIL 810G對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

1）通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的最大頻譜來(lái)確定振動(dòng)環(huán)境條件，可以更真實(shí)地反映導(dǎo)彈或彈上設(shè)備的實(shí)際運(yùn)輸環(huán)境，避免出現(xiàn)欠試驗(yàn)或過(guò)實(shí)驗(yàn)的情況。

2）基于四類主要頻率的修正，文中環(huán)境條件可以應(yīng)用于不同種類的產(chǎn)品，如導(dǎo)彈、彈上設(shè)備和車上設(shè)備等，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，該方法合理正確，滿足工程需求。

3）文中運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件制定方法簡(jiǎn)單方便、使用靈活，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Vibration Environment Condition for Highway and Off-road Transportation of Tactical Missile

SHANG Lin, ZHOU Guo-feng, LU Xin

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

To study the formulation of vibration test condition for tactical missile in highway mobile transport environment. Method According to measurement data of transportation test on a tactical missile, statistical analysis and power spectrum analysis were taken to establish the tactical missile highway and off-road transportation vibration environment condition on the basis of four types of main frequencies, including frequency of suspension, frequency of tire, constraint frequency of missile and frequency of equipment installation.The method presented in this paper predicted the vibration environment conditions of navigation system in missile and control host in launching truck. The result was compared with test result on sports car in the test site. It showed that the method was correct and reasonable.By the contrasts with GJB150A and MIL810G, it shows that the method is flexible and convenient, and can adapt to the different equipment in missile and launching truck.

tactical missile; highway and off-road transport; vibration environment condition; the max spectrum; spectral smoothness; spectral segmentation

10.7643/ issn.1672-9242.2017.12.008

T

A

1672-9242(2017)12-0040-05

2017-06-27；

2017-07-29

商霖（1977—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。