通海閥箱消聲器環(huán)境試驗(yàn)研究

劉玉石，柳貢民

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通海閥箱消聲器環(huán)境試驗(yàn)研究

劉玉石，柳貢民

（哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001）

驗(yàn)證通海閥箱消聲器的環(huán)境適應(yīng)性。分析通海閥箱消聲器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、使用環(huán)境。綜述環(huán)境試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)GJB 150A軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)辦法中有關(guān)水面船舶部分進(jìn)行剪裁，依據(jù)GJB 150A開(kāi)展傾斜搖擺試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，確定上述試驗(yàn)的方法、相關(guān)參數(shù)，并設(shè)計(jì)模擬海水環(huán)境的工裝。消聲器在施加了上述試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力后，外觀結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形，緊固件無(wú)松脫、斷裂等。通海閥箱消聲器聲學(xué)性能無(wú)明顯下降，插入損失保持大于8 dB。通海閥箱消聲器在惡劣的環(huán)境條件下具有較高的可靠性。GJB 150A部分試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)于保守，對(duì)船舶非電子設(shè)備影響較小，可依據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力量值進(jìn)行試驗(yàn)。

GJB 150A；環(huán)境試驗(yàn)；船舶設(shè)備

GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的定義[1]是“裝備在其壽命期間預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境的作用下，能實(shí)現(xiàn)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”。GJB 4239把環(huán)境試驗(yàn)分為三類(lèi)[2]：自然環(huán)境試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)和使用環(huán)境試驗(yàn)。這些試驗(yàn)的目的在于尋找設(shè)計(jì)缺陷，幫助改進(jìn)設(shè)計(jì)；驗(yàn)證環(huán)境適應(yīng)性是否符合規(guī)定要求，作為設(shè)計(jì)定型或生產(chǎn)驗(yàn)收的決策依據(jù)；為后續(xù)試驗(yàn)和使用及綜合保障提供基本信息。

文中涉及到的試驗(yàn)主要是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性是否符合合同規(guī)定的技術(shù)要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，獲取產(chǎn)品的物理特性和耐環(huán)境極限能力的信息，從而確保產(chǎn)品的質(zhì)量。在船舶武器裝備研制的各階段，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書(shū)（或合同）的規(guī)定，按照GJB 150A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)辦法》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)。

1 環(huán)境試驗(yàn)

1.1 通海閥箱消聲器介紹

通海閥箱消聲器安裝在通海閥箱內(nèi)，位于海平面以下3 m的位置，海水管路入水口處。主要由消聲器殼體（316L鋼）、環(huán)狀氣囊（丁腈橡膠）、以及甲板法蘭構(gòu)成，是有效控制海水管路振動(dòng)噪聲的一種船上裝備。其消聲原理是通過(guò)氣囊結(jié)構(gòu)引入一種阻抗失配的機(jī)制，當(dāng)入射聲波傳播到囊體上時(shí)，由于水介質(zhì)和囊體阻抗的巨大差異，構(gòu)成阻抗失配的柔性壁面邊界，從而使消聲量大大提高。

在了解消聲器的設(shè)備組成與工作原理后，分析消聲器的工作環(huán)境。在船舶航行過(guò)程中，由于裝載不平衡等因素容易造成船體傾斜；由于風(fēng)浪等環(huán)境因素容易引發(fā)船體搖擺，傾斜與搖擺都可能導(dǎo)致裝備系統(tǒng)原有作用力平衡的改變或破壞[3]。另外，航速、海況等自然激勵(lì)會(huì)引發(fā)隨機(jī)振動(dòng)；螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)、往復(fù)機(jī)械等強(qiáng)迫激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生正弦振動(dòng)；由于設(shè)備運(yùn)輸、觸礁、拋錨、遭受攻擊會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊。振動(dòng)與沖擊都會(huì)對(duì)船舶設(shè)備產(chǎn)生不良的影響，造成結(jié)構(gòu)變形、斷裂甚至損壞[4]。基于上述分析，對(duì)消聲器進(jìn)行了傾斜搖擺試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)。

1.2 傾斜搖擺試驗(yàn)

傾斜與搖擺環(huán)境適應(yīng)性是指船舶裝備在其壽命期內(nèi)，在遇到的傾斜與搖擺環(huán)境作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和不被破壞的能力，它是船舶裝備的重要質(zhì)量特性之一[5]。傾斜與搖擺環(huán)境是船舶在航行時(shí)遇到的基本環(huán)境。這個(gè)環(huán)境是由于自然界產(chǎn)生風(fēng)浪、船舶的航行、回轉(zhuǎn)、破損、操作不當(dāng)以及裝載不平衡所造成的。船舶在海上除遭遇傾斜與搖擺環(huán)境外，風(fēng)浪還會(huì)形成致使船舶縱蕩、橫蕩和垂蕩的環(huán)境?；趯?duì)這些環(huán)境條件所產(chǎn)生的嚴(yán)酷程度的對(duì)比，目前船舶裝備僅考慮對(duì)傾斜搖擺環(huán)境的適應(yīng)性。

依據(jù)GJB 150A-23，水面船舶傾斜與搖擺試驗(yàn)的量值見(jiàn)表1。

環(huán)境試驗(yàn)考核的是裝備在規(guī)定的極值條件下是否可以正常工作或不損壞，故本試驗(yàn)按最?lèi)毫釉囼?yàn)條件進(jìn)行?？v傾角度選擇±10°，橫傾角度選擇±22.5°；縱搖角度為±10°，周期為4~10 s；橫搖角度為±45°，周期為3~14 s。試驗(yàn)時(shí)間為30 min[5]，試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，傾斜搖擺應(yīng)力對(duì)通海閥箱消聲器影響不大，由于該裝備是非電子產(chǎn)品，試驗(yàn)后觀察消聲器外觀：緊固件無(wú)松動(dòng)，結(jié)構(gòu)無(wú)變形，無(wú)明顯故障。

表1 水面船舶傾斜與搖擺試驗(yàn)量值

圖1 縱傾10°試驗(yàn)過(guò)程

從圖2可以看出，本次環(huán)境試驗(yàn)為了模擬海水環(huán)境，設(shè)計(jì)了箱形工裝，將消聲器放置于箱形工裝內(nèi)并注水密封，使整個(gè)系統(tǒng)更加接近真實(shí)使用環(huán)境。下述沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)使用相同工裝。

圖2 試驗(yàn)工裝

1.3 沖擊試驗(yàn)

海水中的沖擊環(huán)境包括[6]：碰撞、擱淺、水中非接觸性爆炸、接觸性爆炸、空中爆炸及武器發(fā)射所引起的各類(lèi)沖擊。在沖擊作用下，船體及其安裝的裝備產(chǎn)生脈沖性位移，極大地危害船舶裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性。要求船舶在波形為半正弦波，峰值加速度為300 m/s2，持續(xù)時(shí)間為40 ms的條件下能有效工作。另外，船舶上設(shè)備還應(yīng)耐受波浪抨擊、甲板上重復(fù)性低強(qiáng)度浪形成的顛震沖擊而持續(xù)有效工作。波形為半正弦波、峰值加速度為50 m/s2、持續(xù)時(shí)間不小于16 ms，重復(fù)頻率為10~20 min-1，對(duì)電子設(shè)備的峰值加速度要求為7[7]。

通海閥箱消聲器沖擊試驗(yàn)依據(jù)GJB 150A[8]中的要求，對(duì)消聲器三個(gè)正交軸六個(gè)方向每個(gè)方向進(jìn)行3次沖擊，共計(jì)18次。沖擊輸入采用半正弦波，峰值加速度為7，持續(xù)時(shí)間為16 ms。沖擊波形如圖3所示，沖擊過(guò)程如圖4所示。

圖3 x方向沖擊輸入曲線

圖4 x方向沖擊試驗(yàn)

1.4 振動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)GJB 150.16A—2009[9]的規(guī)定，船舶振動(dòng)暴露量級(jí)需要考慮船的振動(dòng)是自然激勵(lì)（海浪、風(fēng)）還是強(qiáng)迫激勵(lì)（螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復(fù)機(jī)械和其他裝備的運(yùn)行等）。振動(dòng)容易引起的設(shè)備破壞形式大致分為兩類(lèi)：1）結(jié)構(gòu)與工藝性破壞，如結(jié)構(gòu)件的疲勞、斷裂、磨損、連續(xù)件的松動(dòng)、分離等；2）功能與性能破壞，包括工作失靈、性能降低等。

水面船舶設(shè)備的振動(dòng)試驗(yàn)分為隨機(jī)振動(dòng)與正弦振動(dòng)。其中隨機(jī)振動(dòng)部分考核的是自然激勵(lì)[10]，采用平直譜，頻率范圍1~100 Hz，加速度譜密度為0.0012/Hz，每個(gè)軸向持續(xù)2 h；正弦振動(dòng)部分考核的是強(qiáng)迫激勵(lì)，每個(gè)軸向在1~16 Hz，16~60 Hz的頻率范圍內(nèi)以每分鐘一個(gè)倍頻程（oct）的速率掃頻10次，每個(gè)軸向在危險(xiǎn)頻率上（若無(wú)危險(xiǎn)頻率則在上限頻率上）進(jìn)行2 h的耐振試驗(yàn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)量值進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。掃頻過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，沒(méi)有掃到危險(xiǎn)頻率，掃頻曲線如圖6所示。考慮到消聲器質(zhì)量較大，掃頻上限頻率較小，故只進(jìn)行了3次掃頻，選擇在上限頻率60 Hz進(jìn)行耐振試驗(yàn)，每個(gè)軸向各2 h。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)量級(jí)對(duì)于通海閥箱消聲器這類(lèi)質(zhì)量較大的非電子設(shè)備影響較小。

表2 振動(dòng)試驗(yàn)量值

圖5 x方向振動(dòng)試驗(yàn)

圖6 掃頻曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)在第三方實(shí)驗(yàn)室對(duì)通海閥箱消聲器進(jìn)行傾斜搖擺試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)備在復(fù)雜嚴(yán)酷的環(huán)境條件下耐受環(huán)境應(yīng)力的能力。試驗(yàn)后對(duì)通海閥箱消聲器進(jìn)行目視檢查（見(jiàn)圖7），外觀結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形、緊固件無(wú)松脫、斷裂等。通過(guò)試驗(yàn)前后消聲器聲學(xué)性能試驗(yàn)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)消聲器聲學(xué)性能指標(biāo)（插入損失>8 dB）無(wú)明顯下降，如圖8所示。

圖7 環(huán)境試驗(yàn)后消聲器外觀圖

圖8 插入損失對(duì)比

3 結(jié)論

1）通海閥箱消聲器在惡劣的環(huán)境條件下具有較高的可靠性及良好的環(huán)境適應(yīng)性。

2）GJB 150.16A振動(dòng)試驗(yàn)量值設(shè)計(jì)針對(duì)船舶非電子設(shè)備影響較小，可依據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力量值進(jìn)行試驗(yàn)。

3）GJB 150.16A振動(dòng)試驗(yàn)要求在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)掃頻10次，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，類(lèi)似于消聲器這種質(zhì)量較大的非電子設(shè)備在1~60 Hz的頻率范圍內(nèi)無(wú)法掃到共振頻率，10次掃頻浪費(fèi)時(shí)間，建議預(yù)估試驗(yàn)設(shè)備的共振頻率。若超過(guò)掃頻上限，掃頻2~3次即可。

4）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傾斜搖擺試驗(yàn)對(duì)通海閥箱消聲器的影響極小，可忽略不計(jì)。故建議針對(duì)質(zhì)量較大的船舶非電子設(shè)備，可酌情考慮是否進(jìn)行傾斜搖擺試驗(yàn)。

[1] GJB 4239, 裝備環(huán)境工程通用要求[S].

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[4] 鄭衛(wèi)東, 馮東輝. 艦船武器裝備環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2007, 29(1): 57-59.

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[6] GJB 150.23A—2009, 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第23部分: 傾斜和搖擺試驗(yàn)[S].

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[9] 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: 沖擊試驗(yàn)[S] .

[10] GJB 150.18A—2009, 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第18部分: 振動(dòng)試驗(yàn)[S].

[11] 朱宜生, 王超, 陳中青. 艦船設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)方法的探討[J]. 裝備環(huán)境工程, 2016, 13(1): 112-115.

Environment Test of Sea Chest Silencer

LIU Yu-shi1, LIU Gong-min1

(Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

To verifyi the environmental suitability of sea chest silencer.Structural composition, working principle and operating environment of the sea chest silencer were analyzed. Standards relevant to environment test were summarized. The parts of the surface ship in GJB 150A Methods for Environment Test of Military Equipment Laboratory Environment was cut out.. Tilt-swing test, vibration test and impact test were carried out according to GJB 150A to determine methods and relevant parameters of the above tests and design tooling for simulating seawater.After applying the ambient stress of the above tests, the sea chest silencer had no obvious deformation or loose and broken fasteners. The acoustic performance of the silencer had no obvious decrease, and insertion loss remained greater than 8 dB.The sea chest silencer has high reliability under the bad environment condition; same test parameters of GJB 150A are designed too conservative, and it has less influence on the non-electronic equipment, and can be tested according to the measured force value.

GJB150A; environment test; ship equipments

10.7643/ issn.1672-9242.2019.04.015

TB535.2

A

1672-9242(2019)04-0083-04

2018-09-01；

2018-10-01

劉玉石（1993—），男，吉林人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境可靠性工程。

柳貢民（1962—），男，沈陽(yáng)人，教授, 主要研究方向船舶動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制。