商霖，周國峰，盧鑫

?

戰(zhàn)術導彈公路機動運輸振動環(huán)境條件的研究

商霖，周國峰，盧鑫

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

研究戰(zhàn)術導彈在公路機動運輸環(huán)境下振動試驗條件的制定。根據(jù)某型導彈實地跑車試驗測量數(shù)據(jù)，采用時域統(tǒng)計分析和頻域功率譜分析的方法，在基于懸掛頻率、輪胎頻率、導彈約束狀態(tài)頻率或車架大梁頻率和彈上設備安裝頻率或艙段頻率等四類主要頻率進行修正的基礎上，合理地制定了戰(zhàn)術導彈公路機動運輸振動環(huán)境條件。利用本文方法預測彈上和車上設備的振動環(huán)境條件，并與試驗場跑車試驗結果對比分析表明，本文方法正確、合理，具有較高的工程應用價值。通過與GJB150A和MIL810G的對比分析表明，本文方法靈活、方便，能夠適應于不同種類的產(chǎn)品或設備。

戰(zhàn)術導彈；公路運輸；振動環(huán)境條件；最大譜；譜平滑；譜平均

戰(zhàn)術導彈在部署執(zhí)勤或戰(zhàn)備值班狀態(tài)下，采用了公路機動運輸?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)術導彈在公路機動運輸過程中遇到的環(huán)境卻比較惡劣，如戰(zhàn)時遭到破壞的公路、未經(jīng)修葺的荒野路面等。同時還要求能夠具備長距離、高速機動的能力，由此對戰(zhàn)術導彈的運輸振動環(huán)境問題提出了比較嚴酷的要求。當前，有關導彈公路機動運輸振動環(huán)境問題的研究還很少，已有研究主要集中在運輸振動試驗方法[1―2]、運輸振動試驗模擬[3]和運輸環(huán)境條件加速模擬[4]等方面。

導彈工程研制中，在沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，主要還是采用GJB 150A[5]和MIL 810G[6]中已有的運輸振動環(huán)境條件。然而GJB 150A和MIL 810G只是單純地提出了環(huán)境試驗條件，對其應用情況和適用范圍并未作過多的詳細說明。實際應用時，設計人員通常直接使用這些標準條件對產(chǎn)品或設備進行振動試驗，而未對導彈、彈上設備或車上設備等不同對象進行區(qū)別處理，由此可能與產(chǎn)品運輸?shù)膶嶋H振動環(huán)境相差甚遠，甚至會導致過試驗或欠試驗的情況。

針對以上問題，文中根據(jù)某型戰(zhàn)術導彈實地跑車試驗，通過對其機動運輸過程中的實測振動數(shù)據(jù)進行時域和頻域的處理，提出了基于四類主要頻率修正的戰(zhàn)術導彈公路機動運輸振動環(huán)境條件。隨后，根據(jù)所提環(huán)境條件的方法外推并預測了彈上慣組與車控主機的運輸振動環(huán)境條件，通過與某試驗場內(nèi)標準試驗路面跑車試驗結果對比表明，文中方法合理正確、可以滿足工程設計需求。最后，通過與GJB 150A和MIL 810G對比分析，表明文中運輸振動環(huán)境條件制定方法使用方便、操作靈活。

1 跑車試驗

1.1 試驗概述

跑車試驗選定我國華北、西北地區(qū)進行，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。試驗時，導彈按運輸狀態(tài)裝填進入貯運發(fā)射箱、并固定，貯運發(fā)射箱通過發(fā)射架安裝在運輸車輛底盤上。同時，在導彈各艙段連接端面、前滑塊和后滑塊等位置布置了振動測點。振動傳感器選用BW14595型加速度傳感器，頻響范圍為0.5~2000 Hz。信號采集器選用32通道ICP電壓型MDR數(shù)字信號記錄器，采樣頻率為1280 Hz。跑車試驗全程，采用低噪聲電纜將振動信號接入MDR數(shù)字信號記錄器。

1.2 時域統(tǒng)計分析

時域統(tǒng)計分析是指對信號的各種時域參數(shù)、指標的估計或計算。振動信號的常用時域參數(shù)和指標主要包括：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/等級和某一運輸速度組合下導彈前滑塊位置向的振動信號時間歷程曲線。表1和圖2為圖1測量數(shù)據(jù)的時域統(tǒng)計分析結果。

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

圖1 振動信號的加速度時程曲線

表1 加速度信號的時域統(tǒng)計分析

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

圖2 加速度信號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)計方法，是對隨機變量均方值的度量。物理定義中，功率譜密度是指單位頻帶內(nèi)的信號功率，即信號功率在各頻點的分布，對功率譜在頻域上的積分可以得到信號的功率。對跑車試驗中，導彈前、后滑塊和各艙段連接端面等位置的振動測量數(shù)據(jù)進行頻域功率譜密度分析，可以發(fā)現(xiàn)各測點垂直向的振動較為劇烈。因此，將高速公路和普通路面跑車狀態(tài)下導彈前、后滑塊方向的功率譜密度曲線畫在圖3中進行比對和分析。其中，普通路面功率譜密度曲線是綜合并包絡了不同車速下通過普通柏油路、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對所測數(shù)據(jù)進行功率譜密度估算并采用譜平滑和譜平均技術[12-13]得到的。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：導彈前、后滑塊方向的功率譜密度曲線主要包含5個譜峰，分別對應于底盤系統(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[14]中汽車懸掛（車身）質量的固有頻率和非懸掛（車輪）質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[15]中雙質量振動系統(tǒng)前、后懸頻率與頻率比的通用設計相符合。此外，從圖3中可見，高速公路功率譜密度相對普通路面功率譜密度來說基本可以忽略，因此設計分析中需要區(qū)別對待、單獨處理。

圖3 振動信號的加速度功率譜密度曲線

2 振動環(huán)境條件的預測

結合跑車試驗，測量導彈關心位置的振動響應，利用頻域功率譜分析方法獲取最大頻譜以包絡所有工作環(huán)境中所有狀態(tài)下的頻譜，由此可以得到導彈或彈上設備在公路機動運輸時的振動環(huán)境條件。同時，為了簡化試驗條件，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，來對最大譜進行平滑。圖4和圖5分別為根據(jù)跑車試驗測量結果平滑得到的高速公路和普通路面機動運輸振動環(huán)境條件。圖4中振動環(huán)境條件的功率譜密度值采用了2.223的加速因子，以保證按振動環(huán)境條件振動1 h可以等效1600 km的高速公路機動運輸。圖5中振動環(huán)境條件的功率譜密度值采用了1.850的加速因子，以保證按本文振動環(huán)境條件振動40 min可以等效804 km的普通路面機動運輸。此外，為保證試驗操作方便，還可將圖4振動環(huán)境條件加速至圖5振動環(huán)境條件，并將兩者綜合從而采用一個振動環(huán)境條件來表征高速公路和普通路面機動運輸振動環(huán)境，如此處理的思想來自于GJB 150A和MIL810G等軍標中疲勞等效關系。

圖4 戰(zhàn)術導彈公路機動運輸振動環(huán)境條件-高速公路

圖5 戰(zhàn)術導彈公路機動運輸振動環(huán)境條件-普通路面

文中振動環(huán)境條件的制定，在參照跑車試驗最大譜的基礎上，主要考慮根據(jù)懸掛頻率（1~10 Hz）、輪胎頻率（10~20 Hz）、導彈裝箱/筒狀態(tài)頻率或車架大梁頻率（20~50 Hz）和彈上設備安裝頻率或艙段頻率（170~500 Hz）等四類主要頻率進行修正。因此，當導彈或彈上設備未經(jīng)歷跑車環(huán)境時，其振動響應或環(huán)境條件可根據(jù)本文振動環(huán)境條件利用外推法來預測，繼而得到適用于不同類型運輸車輛、不同規(guī)模導彈的振動環(huán)境條件。此外，通過調(diào)整第四類頻率，還可以分別得到導彈和彈上設備的振動環(huán)境條件。其中，導彈的運輸振動試驗可參照文獻[3]執(zhí)行，彈上設備的運輸振動試驗可參照GJB 150A第16部分振動試驗中的一般振動來執(zhí)行。

圖6為彈上慣組與車控主機在國內(nèi)某試驗場跑車實測信號振動功率譜密度曲線與文中振動環(huán)境條件的對比。其中，彈上慣組安裝在剛性平臺上，其安裝頻率較高、且單一，因此用原條件即可包絡。車控主機安裝支架頻率較低且豐富，從減振角度考慮還在四個安裝支點位置加裝了減振器，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)試驗獲取的車控主機的減振器傳遞特性和安裝支架頻率，對文中條件進行適當修正以包絡實際振動響應。

圖6 彈上慣組和車控主機公路機動運輸振動環(huán)境條件-普通路面

3 與國內(nèi)外軍標的比對

圖4和圖5給出了文中振動環(huán)境條件與GJB 150A和MIL 810G振動環(huán)境的比對，其中GJB 150A是參考MIL 810F制定的，因此GJB 150A和MIL 810G都屬于美軍標體系，其工程設計方法和試驗數(shù)據(jù)來源是一致的。從圖示對比來看，文中振動環(huán)境條件與GJB 150A/MIL 810G在低頻段從幅值和頻帶都比較切合，這表明國內(nèi)外車輛底盤的常用懸掛和輪胎的設計是一致。從中高頻段和高速公路向來看，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種不同的技術狀態(tài)情況的卡車和半拖車的貨艙底板上測量得到的數(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個測點位置得到的測量數(shù)據(jù)，而文中環(huán)境條件是從某型導彈各關鍵位置測量數(shù)據(jù)所得最大譜平滑而來，條件制定時采用了四類已知頻率對其進行局部修正。由此看來，文中方法在使用上具有更好的適應性、在操作上有更大的自由度。此外，從圖6看來，文中方法在工程上合理、可行，具有較高的應用價值。

4 結論

利用某型導彈實地跑車試驗數(shù)據(jù)進行時域統(tǒng)計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)術導彈公路機動運輸振動環(huán)境條件。通過與試驗場跑車結果和GJB 150A及MIL 810G對比分析，得出如下結論。

1）通過實測數(shù)據(jù)得到的最大頻譜來確定振動環(huán)境條件，可以更真實地反映導彈或彈上設備的實際運輸環(huán)境，避免出現(xiàn)欠試驗或過實驗的情況。

2）基于四類主要頻率的修正，文中環(huán)境條件可以應用于不同種類的產(chǎn)品，如導彈、彈上設備和車上設備等，通過試驗結果的驗證，該方法合理正確，滿足工程需求。

3）文中運輸振動環(huán)境條件制定方法簡單方便、使用靈活，具有一定的工程應用價值。

[1] 靳曉雄, 張帆. 時域波形再現(xiàn)技術在汽車道路模擬中的應用[J]. 中國工程機械學報, 2006, 4(2): 220—222.

[2] 盧彩玲, 康寧民, 王樹榮. 設備運輸振動試驗方法探討[J]. 環(huán)境技術, 2011(1): 17—20.

[3] 楊炳淵, 張聲雷, 宋漢文. 導彈運輸環(huán)境的單軸振動臺模擬試驗技術[J]. 裝備環(huán)境工程, 2005, 2(4): 1—5.

[4] 姚國年, 衛(wèi)軍胡, 王麗娟, 等. 特種產(chǎn)品運輸振動加速模擬試驗條件的研究[J]. 西安交通大學學報, 2009, 43(3): 74—77

[5] GJB 150A, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S].

[6] MIL-STD-810G, Enviromental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[7] 李明月, 朱大鵬. 鐵路運輸環(huán)境中超高斯隨機振動信號模擬技術[J]. 交通科技與經(jīng)濟, 2013,15(5): 13—16.

[8] 朱大鵬, 李明月. 鐵路非高斯隨機振動的數(shù)字模擬與包裝件響應分析[J]. 包裝工程, 2016, 37(1): 1-5.

[9] 商霖, 李璞, 廖選平. OMEGA算法在導彈振動工程中的應用[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(3): 58—63.

[10] NASA-HDBK-7005, Dynamic Environmental Criteria[S].

[11] 劉樹林, 王金東. 沖擊與振動手冊[M]. 北京: 中國石化出版社, 2007.

[12] 白化同, 郭繼忠. 模態(tài)分析理論與試驗[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2001.

[13] 黃懷德. 振動工程[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2005.

[14] 余志生. 汽車理論[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

[15] 喻凡. 汽車系統(tǒng)動力學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

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，主要研究方向為結構動力學。