唐文杰，黃宋均，徐自煒，顧奕翀，蔡琦煜

（中船重工集團公司第七〇四研究所 船舶環(huán)境工程與可靠性實驗室，上海 200031）

關于國軍標GJB 150.16A中艦船設備振動試驗的實施方法及應用

唐文杰，黃宋均，徐自煒，顧奕翀，蔡琦煜

（中船重工集團公司第七〇四研究所 船舶環(huán)境工程與可靠性實驗室，上海 200031）

論述了GJB 150.16A艦船設備振動試驗標準的適當剪裁及確定危險頻率、耐振頻率和耐振時間等的適當選擇，詳細介紹了標準的準確實施及應用方法，以促進GJB 150.16A中艦船設備振動試驗標準的推廣與應用。

標準剪裁；危險頻率；傳遞率；耐振

引言

GJB 150.16A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗 振動試驗》作為GJB 150A系列標準之一已頒布實施了六年。但是作為標準的修訂單位之一，我們在各單位大量的艦船設備振動試驗中發(fā)現(xiàn)有的設備設計人員或生產廠家，甚至包括有的試驗人員尚未完全理解標準應該如何準確實施，為此有必要作較詳細的介紹和論述。

1 標準剪裁的必要性

GJB 150A類似MIL 810，均為可剪裁標準，這在標準中有明確說明。應用時應按設備所處實際環(huán)境進行適當剪裁，以避免浪費人力、物力的過試驗。

但不少設計人員或生產廠家在制訂試驗大綱時往往只照搬標準上的試驗參數(shù)列表，而不注意剪裁說明。如標準參數(shù)表中水面艦船和潛艇主體區(qū)的正弦振動（功能振動試驗和耐振試驗）上限頻率為60 Hz，這只是保留了原來獵潛艇的上限頻率，但若設備裝在特定艦船上，應按不同艦船最高螺旋槳轉速來確定上限頻率。如核潛艇、驅逐艦上限頻率在25 Hz左右[5]，護衛(wèi)艦及常規(guī)潛艇上限頻率在30～35 Hz左右[5]。實際上限頻率應按標準注釋中的公式確定：上限頻率（最高槳葉頻率）=螺旋槳每分鐘最高轉速×螺旋槳葉片數(shù)/60。新版美軍標MILSTD-810G中“艦船設備的機械振動”中艦船設備上限頻率計算公式中乘上了一個放大系數(shù)1.15。如果不進行剪裁，會出現(xiàn)不管任何艦船大小，功能試驗掃頻上限或無危險頻率時的耐振頻率均為60 Hz，這樣因為超出了艦船實際上限頻率，可能會得到不符合實際環(huán)境的危險頻率而出現(xiàn)實際環(huán)境不可能出現(xiàn)的故障，另外由于超出實際的上限頻率，對一些較高、較大設備的夾具提出了過高的剛性要求。因為夾具應有足夠的剛性，其固有頻率應不低于試驗上限頻率。因此在新版美軍標MIL-STD-810G中“艦船設備的機械振動 I類-環(huán)境振動”中環(huán)境振動頻率范圍從原來的4～50 Hz改成了4～33 Hz（特定艦船設備按最高螺旋槳轉速確定）。另外國軍標參數(shù)表中水面艦船和潛艇主體區(qū)的下限頻率雖然為1 Hz，實際只要設備最低固有頻率不低于5 Hz即可，即下限頻率可取Hz，實際可按不同設備最低固有頻率選取，美軍標采用的最低頻率為4 Hz。圖1、圖2為某底部直接固定操縱設備的橫向、縱向傳遞函數(shù)曲線，雖然艇實際上限頻率只有35 Hz，由于大綱直接照搬標準未剪裁，上限頻率取60 Hz，原本橫向只應在34 Hz存在一個加速度傳遞率只有1.4的輕微共振，現(xiàn)在多出一個實際本不該存在的、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。這樣經過在共振頻率上的耐振試驗，設備出現(xiàn)了故障，帶來了后續(xù)不必要的人力、物力、時間的浪費。

2 危險頻率的確定

艦船設備的耐振試驗應在危險頻率上進行，危險頻率不僅包括共振頻率，還包括設備功能或結構完整性受影響的非響應極值頻率（如任何出現(xiàn)結構、功能、機械或電氣異常的頻率）。如意外的開關閉合、意外的壓力或流量的改變、電壓、電流的變化、異常聲響等等。危險頻率由功能試驗掃頻獲得，并在耐振期間對其應持續(xù)監(jiān)測。需要強調的是應分別在各軸向耐振試驗前后各進行5次掃頻循環(huán)功能試驗。功能試驗分兩次進行是為了確定耐振試驗是否對設備結構或功能產生影響，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 某底部固定設備橫向傳遞函數(shù)曲線

圖2 某底部固定設備縱向傳遞函數(shù)曲線

另外關于共振和共振頻率的確定，有的實驗室試驗人員認識上還存在誤解，如根據僅反映共振銳度及阻尼大小的品質因子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柜三個軸向均無共振的錯誤結論。實際上共振及其大小判定許多標準上均有很明確的定義，如GB/T 2298-1991《機械振動與沖擊術語》中共振定義為：“系統(tǒng)作受迫振動時，激勵頻率有任何微小改變均會使系統(tǒng)響應下降的現(xiàn)象”。在ASTM D999-01中為：“共振-對于一個遭受強迫振動的系統(tǒng)，當激勵頻率附近發(fā)生不管正或負的任何變化，就會引起系統(tǒng)響應的下降，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 “艦船設備的機械振動” 中定義為：“傳遞率-在穩(wěn)態(tài)受迫振動中響應幅值對激勵幅值的無量綱比。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，其對應的頻率即共振頻率，其峰值大小即傳遞率。

必須強調的是共振頻率不僅僅是設備的整體共振頻率，還應包括設備內部關鍵模塊或部位的局部共振頻率。試驗人員往往只注重設備整體共振，而忽視局部共振的檢測。而關鍵模塊或部位的局部共振也是導致設備故障的重要因素。傳遞率多大時作為有意義的共振來考核設備，這應該由設備（整機及內部關鍵模塊或部位）的振動環(huán)境適應性要求確定。當技術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，可參考美軍標MIL-STD-810G方法528“艦船設備的機械振動”中規(guī)定，將傳遞率大于1.5的響應極值作為共振頻率包括進耐久試驗頻率中。

3 耐振頻率和時間的適當選擇

有的實驗室試驗人員誤以為每個軸向只要選一個危險頻率耐振2 h，有的以為每個危險頻率都要耐振2 h。由于GJB 150A系列標準參照MIL810F，當標準確定時，新版美軍標MIL-STD-810G也剛頒布，其中一些內容未及詳細補充和說明，但是可以同樣參考使用。標準上規(guī)定是艦船設備各軸向應在危險頻率上“至少耐振2 h”。若有多個危險頻率且無法區(qū)分它們危害大小，則按表1所示耐振時間進行試驗，若無危險頻率則在上限頻率試驗2 h，耐振試驗量級為功能試驗時相應頻率對應量級。

表1 耐振試驗時間

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個共振頻率，分別是5.9 Hz、10.4 Hz、13.5 Hz，對應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，并且縱向功能試驗期間無設備功能或結構完整性受影響的非響應極值危險頻率，因此縱向每個共振頻率應分別耐振40 min。圖4為該配電箱橫向傳遞函數(shù)曲線，除了在7.1 Hz有一個加速度傳遞率為13.9的共振點外，后面還有若干個傳遞率為2～3的且較平緩的共振峰，但明顯沒有7.1 Hz的危害大。因此在功能試驗期間無設備功能或結構完整性受影響的非響應極值危險頻率情況下，橫向只需在7.1 Hz耐振2 h。

4 隨機振動

隨機振動試驗用于驗證設備在除螺旋槳軸旋轉、往復機械和設備運行等與船體相互作用引起的正弦振動（功能試驗和耐振試驗）外，對因航速、海況、機動等變化時產生的隨機振動環(huán)境的適應性。三個軸向按標準要求的譜圖分別試驗2 h。

5 控制方法

標準中介紹了五種振動控制方法，最普遍使用的是加速度輸入控制方法，對于一些大型設備的夾具，在試驗頻率范圍內沒有共振是很難的，在夾具/設備的共振耦合無法避免時，可采取加速度限或力限控制方法。限于篇幅，這里不作詳細介紹。

6 正弦振動（功能試驗與耐振試驗）的振幅容差設置

標準中正弦振動控制點的振幅容差規(guī)定為±10 %，即-0.83 dB～+0.92 dB。但一般的正弦振動試驗控制軟件打開默認的報警容差為±3 dB，中止容差為±6 dB，也就是報警容差為-29.2 %～+41.3 %，中止容差為-50 %～+100 %，均遠遠大于標準規(guī)定的容差。有些試驗人員往往就在軟件默認的容差范圍內設置正弦振動掃頻或耐振參數(shù)，那么當出現(xiàn)試驗失控或超差現(xiàn)象時就很可能損壞設備。因此設置參數(shù)時應按標準規(guī)定容差設置，按標準要求，若規(guī)定的容差無法滿足，則應提出可達到的容差并在試驗前得到客戶確認。

7 結束語

對軍標的正確理解和應用是保證軍品環(huán)境適應性試驗考核的重要保障，不當?shù)脑囼灧椒〞斐稍O備的過試驗或欠試驗，甚至影響到試驗的有效性。本文介紹了艦船設備振動試驗的實施方法及一些注意要點供相關試驗人員參考，有利于了解GJB 150.16A中艦船設備振動試驗標準的實施。

［1］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］.

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

［3］GB/T 2298-1991，機械振動與沖擊術語［S］.

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

［5］GJB 440.2-88 ，艦船設備環(huán)境參數(shù)分類及其嚴酷等級 機械［S］.

唐文杰，高工，從事環(huán)境試驗技術應用與研究。

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