鄧建國，湯俊，宋巖

（1.南京電子技術(shù)研究所，南京 210039； 2.南京賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，南京 210000；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

艦船是一個浮動在海上的全自由強性體，部署在艦船上的設備在其壽命期內(nèi)，會受到多方振動應力的影響。安裝在艦船上后，會在航行及作戰(zhàn)時會受到來源于動力機械和海洋的振動應力的影響。振動以損傷累積的形式作用于設備上，使設備發(fā)生工藝性能破壞、工作性能失靈或疲勞損傷，降低艦船戰(zhàn)斗力，尤其對電子、光學設備的影響更為明顯。此外，艦船振動會影響艦船的隱身性能，長時間的振動和噪聲會引起乘員人體不舒適、降低其工作能力。

GJB 150.16A-2009[1]是我國軍用裝備進行振動試驗的主要參照和引用標準，其中A.2.3.11“第21類—船—艦船”中，羅列了艦船設備的振動試驗振動暴露量級和試驗時間要求。由于對艦船設備壽命期內(nèi)遭遇的環(huán)境因素考慮不充分、對試驗標準解讀不深入，導致型號試驗中出現(xiàn)了試驗項目缺項或試驗條件剪裁不合理、試驗方法不科學等情況。本文主要針對在艦船上安裝使用的設備，分析其在任務期間經(jīng)受的振動應力，對環(huán)境試驗中的振動試驗和在可靠性試驗中施加的振動應力進行探討。

1 影響振動的因素

1.1 艦船振動分析

艦船設備的振動主要來源于船體的振動，船體的振動是在航行中自然環(huán)境，例如風、海浪等激勵，以及螺旋槳軸轉(zhuǎn)速、往復機械和其它裝備運行帶來的強迫激勵引起的，而且與艦船結(jié)構(gòu)、設備安裝方式和位置、設備本身的響應情況等有關(guān)，是一個復雜的函數(shù)[1]。振動影響因素包括振源、傳遞件、響應件[2]。艦船振動的振源較多，且以各自的方式和途徑影響振動環(huán)境，引起艦船環(huán)境振動的主要振源因素見表1。

表1 艦船環(huán)境振動主要振源因素

艦船平臺的振動譜含有由于航速、海況、機動等變化誘發(fā)的隨機分量，還有螺旋槳旋轉(zhuǎn)、往復機械及船體共振引起的周期分量。振源與設備之間的距離以及振動傳遞體也直接影響設備受到的振動應力。艦船主體經(jīng)受的振動應力隨船底距離基本呈二次關(guān)系遞減，艦船底部的振動響應最為劇烈，主船體上各層甲板的振動響應次之，主甲板的振動響應最小[3]。桅桿上的裝備（如天線）會經(jīng)受比安裝在船體和甲板上裝備高的振動量級。小型艦艇，如魚雷快艇，其振動振幅可以因其高性能而相對較大，且受限于其尺寸，從機械傳動到所部署設備的傳播路徑比較短，振動衰減有限。與小型艦艇相比，大型艦船會形成比較緩和的振動環(huán)境，但對于性能高且推進系統(tǒng)功率很大的艦船，其振動振幅也會較大。

艦船的振動應力與飛機和坦克等平臺比較是相對和緩的，但作用時間長，應盡可能降低振動對艦船設備的影響。首先減小艦船平臺的振動，在艦船結(jié)構(gòu)設計中，國家軍用標準和產(chǎn)品規(guī)范等文件中對螺旋槳、柴油機、推進軸系、旋轉(zhuǎn)機械等主要激振源的質(zhì)量、零件、工藝、設計容差、底座、安裝位置等進行明確規(guī)定；一般艦船設備均配裝隔振、減振裝置，或是穩(wěn)定平臺，一定程度上可以降低振動影響；艦船設備本身會開展耐震設計，加強結(jié)構(gòu)強度，尤其是光學儀器或陀螺等對振動敏感的產(chǎn)品，將固有頻率移至船體振動頻率范圍之外。

1.2 振動試驗疲勞等效關(guān)系

標準推薦優(yōu)先選用實測數(shù)據(jù)確定環(huán)境試驗條件。對被試設備開展振動實測時，可在設備與船體連接部位布置傳感器，測量輸入應力；同時在設備的關(guān)鍵部位或者薄弱部位布置傳感器，測量其振動響應數(shù)據(jù)。振動實測時還要充分考慮艦船的各種典型工況、運行姿態(tài)、海情等因素。目前沒有通用的振動環(huán)境實測數(shù)據(jù)，所以按照GJB 150.16A的要求，推薦根據(jù)被試設備的振動環(huán)境實測數(shù)據(jù)確定試驗條件進行試驗。

艦船振動的隨機分量在實驗室振動試驗中通過隨機振動來模擬，其主要參數(shù)為頻率范圍、功率譜密度、施加時長。艦船振動的周期分量在實驗室振動試驗中通過正弦振動來模擬，其主要參數(shù)為頻率范圍、振動量級（振幅或加速度）、掃頻速率，正弦振動試驗分為掃頻試驗和定頻試驗。隨機振動與正弦振動相比，在大多數(shù)情況下更代表實際環(huán)境，連續(xù)寬頻域的隨機振動可在所有的頻率上同時激勵被試品，隨機振動各頻率之間的相互作用可以更真實且更有效地模擬實際的振動環(huán)境影響[4]。在分析被試產(chǎn)品共振頻率和阻尼特性方面正弦振動具有優(yōu)勢且具有良好的經(jīng)濟性。但在20世紀60至70年代，我國不具備在實驗室實施隨機振動的條件，大部分是通過正弦振動的方式進行試驗。隨機振動和正弦振動沒有一般的等效關(guān)系。只有在按疲勞損傷原理計算振動強度時，隨機振動與正弦振動存在某種等效[4]：

式中：

Ae—等效正弦振幅；

f —頻率；

r —正態(tài)化系數(shù)；

W—頻率f上的譜密度值；

Q—放大系數(shù)（響應/輸入）。

這種等效只局限于疲勞強度的等效，對于考核產(chǎn)品性能的試驗不適用[4]。在振動疲勞損傷測試中，由于量級的不同，具有加速作用，但為了保證試驗件原有的特性（如應力分布等）不致發(fā)生顯著變化，對正弦振動來說，振動量值的提高一般不應超過2.5倍，時間壓縮不應超過1/100[4]。在GJB 150.16A中給出了隨機振動及正弦振動不同量級之間的疲勞等價關(guān)系，在工程實踐中可用于確定振動耐久試驗的加速試驗條件和時間[1]：

（W0/W1）=（T1/T0）1/4（隨機振動）

（g0/g1）=（T1/T0）1/6（正弦振動）

式中：

W0—規(guī)定的加速度譜密度，g2/Hz；

W1—施加的加速度譜密度，g2/Hz；

g0—規(guī)定的峰值加速度，g；

g1—施加的峰值加速度，g；

T0—規(guī)定的時間，h；

T1—施加的時間，h。

標準中提出上述表達式適用于航空電子產(chǎn)品。產(chǎn)品上不同部件用材料的S/N曲線可得到不同的等價關(guān)系，艦船設備種類較多，電子產(chǎn)品可參考上述公式，但其它設備應根據(jù)主要材料確定具體疲勞等價關(guān)系。

2 振動試驗條件剪裁

當無法獲得實測數(shù)據(jù)時，可參照國家軍用標準給出的試驗條件開展艦船設備的振動試驗。目前國內(nèi)常用的艦船設備標準除GJB 150.16A外，還有GJB 150.16-86《軍用設備環(huán)境試驗方法 振動試驗》[5]、GJB 4.7-83《艦船電子設備環(huán)境試驗 振動試驗》[6]。

2.1 常用標準試驗條件對比分析

GJB 150A是對GJB 150系列標準的更新，是美國國防部MIL-STD-810F《環(huán)境工程考慮和實驗室試驗》[7]（2000年1月1日）的等效標準。在GJB 150.16的“2.3.11第9類——艦船振動”中，列出了艦船振動以周期振動和隨機振動的形式存在，但并未考慮隨機振動，只根據(jù)設備所安裝的艦船類型和部位給出了推薦的正弦振動試驗條件，見表2。

表2 GJB 150.16-86規(guī)定的艦船設備振動試驗量值

GJB 150.16-86將艦船振動試驗分為兩個過程，即功能試驗和耐振試驗。功能試驗是以1 oct/min的速率進行10次掃頻循環(huán)；耐振試驗是在被試產(chǎn)品每個軸向的危險頻率上至少振動2 h。危險頻率是指在掃頻過程中，由于振動被試產(chǎn)品出現(xiàn)工作失靈、性能超差或損傷，機械共振或顫振等不正常響應現(xiàn)象。試驗方向為三個相互垂直的軸向。在正弦振動試驗的掃頻過程中，需要在被試產(chǎn)品布置傳感器，進行響應調(diào)查，獲得振動響應數(shù)據(jù)。MIL-STD-810G[8]中規(guī)定，響應極值點處的傳遞函數(shù)值大于1.5時可基本認為該頻率點為共振頻率點，該頻率作為產(chǎn)品耐久振動時的危險頻率。

要說明的是，當被試產(chǎn)品在掃頻過程中出現(xiàn)多個危險頻率時，會存在是否每個都要進行2h的耐振試驗的爭論。筆者認為，不建議對被試產(chǎn)品過多進行長時間的耐振試驗，當被試產(chǎn)品需要交付時，會影響其使用期間的壽命。此處可參考MIL-STD-810G方法528.1中的規(guī)定，見表3。

表3 多個危險頻率的耐振試驗持續(xù)時間

GJB 150.16A規(guī)定艦船振動試驗由正弦振動和隨機振動組成，其中正弦振動試驗條件和持續(xù)時間與GJB 150.16完全相同。隨機振動試驗方向為三個相互垂直的軸向，每軸向持續(xù)時間為2 h，試驗譜圖見圖1。

圖1 隨機振動量級

GJB 4.7已經(jīng)發(fā)布了近40年，是參考美國海軍1974年版MIL-STD-167-1《艦船設備機械振動 （Ⅰ類環(huán)境振動）》[9]中I類-環(huán)境振動制訂的。在工程實踐中，已逐步被GJB 150.16A9取代，目前使用較少。GJB 4.7在共振檢查和穩(wěn)定性試驗的掃頻速率規(guī)定上存在疏漏，只規(guī)定了采用線性掃頻方式進行試驗，但未規(guī)定掃頻速率，如速率過快會導致響應幅值達不到穩(wěn)態(tài)振動的理論值，無法準確獲得共振響應；在耐振試驗頻率交越點或加速度的確定上也存在缺陷，可以有不同選擇，導致不同操作人員選擇的試驗條件不同[10]。GJB 4.7中明確提出在振動試驗期間，如無特殊要求，被試產(chǎn)品應處于工作狀態(tài)。GJB 150.16A中未對被試品在試驗期間的狀態(tài)進行要求，但為了時刻監(jiān)控被試產(chǎn)品的工作情況，且根據(jù)艦船設備一般需要在振動環(huán)境中長時間工作，因此筆者認為，應與GJB 4.7要求一致。耐振試驗期間被試產(chǎn)品加電工作，與飛機、外掛產(chǎn)品等耐久振動試驗不同，此處要加以區(qū)分。

另外，GJB 4.7中根據(jù)螺旋槳不同轉(zhuǎn)速，將環(huán)境類別分為2類，1類是指螺旋槳軸轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以下的艦船，2類是指螺旋槳軸轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以上。環(huán)境分區(qū)分為主體區(qū)、桅區(qū)和首尾區(qū)。GJB 150.16A中規(guī)定，正弦振動試驗的上限頻率即為艦船最高槳葉頻率（螺旋槳每分鐘最高轉(zhuǎn)速×螺旋槳葉片數(shù)÷60），可據(jù)此進行調(diào)整。

2.2 環(huán)境與可靠性試驗振動條件對比

GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》[11]的B.3.4.2.2.3規(guī)定了水面艦船（不含快艇）設備開展可靠性試驗時施加的振動應力，包括具體條件和施加時間。振動應力分為戰(zhàn)斗損壞頻譜和運輸隨機頻譜，前者為正弦振動，后者為隨機振動?？煽啃栽囼炂陂g，每24 h施加6 h的振動應力，并以3 h為一個振動循環(huán)。正弦振動時間短，隨機振動時間長，二者比例為1:12，是考慮到艦船設備在使用期間更多會承受到隨機振動。

戰(zhàn)斗損壞頻譜按以下條件進行對數(shù)正弦掃描，如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)斗損壞頻譜

1）頻率范圍：4～60 Hz；

2）振幅：0.76±0.15 mm（4～15 Hz），7.5 m/s2（15～60 Hz）；

3）持續(xù)時間：10±2 min（上5 min，下5 min）。

運輸隨機頻譜時應按以下條件進行隨機振動，如圖3所示。

圖3 運輸隨機頻譜

1）頻率范圍：10～200 Hz；

2）以GJB150.16A中規(guī)定的圖C.15 圖譜作為背景振動條件，在隨機圖譜上疊加掃頻確定的危險頻率處規(guī)定量值的正弦分量，當危險頻率在一個頻帶內(nèi)變化時也可疊加窄帶隨機[13]。

3）最后在選定試驗頻率范圍內(nèi)以1oct/min的速率進行剩下的5次掃頻循環(huán)。

采用上述方法具有如下優(yōu)點：更加真實地模擬實際情況；縮短試驗時間；當存在多個危險頻率時，可同時

2）量級（總均方根r.m.s）：10 m/s2；

3）持續(xù)時間：20 min。

選取在艦船主體區(qū)安裝的設備的環(huán)境試驗振動條件和可靠性試驗振動條件進行對比，具體見表4。

表4 GJB 150.16A和GJB 899A中振動試驗條件對比

通過表4可知，環(huán)境試驗的正弦振動頻率范圍大致與可靠性試驗一致，振動量級略高；隨機振動頻率范圍可靠性試驗比環(huán)境試驗的上限頻率高一倍，且振動量級大很多。此外，環(huán)境試驗比可靠性試驗相比，多了耐振試驗過程。

3 推薦的試驗條件

按照GJB 150.16A開展振動試驗需要經(jīng)過3個步驟，即正弦掃頻振動、耐振試驗和隨機振動，順序進行每個軸向振動時間約為6 h，三個軸向為18 h。當一個系統(tǒng)所屬分機較多時，振動試驗所需時間較長。從實際條件出發(fā)，平臺上往往同時存在隨機振動和正弦振動，單獨進行其中一種試驗并不能真實模擬實際的工作環(huán)境[12]。

針對以上問題建議采用如下方法解決[12]：

1）對每個軸向，首先在選定試驗頻率范圍內(nèi)以1oct/min的速率進行5次掃頻循環(huán)。疊加在隨機背景振動圖譜上；可利用最后的正弦掃頻過程驗證被試品在歷經(jīng)耐振和隨機振動試驗后，在規(guī)定的頻率范圍各個頻率點內(nèi)是否會出現(xiàn)故障。

4 結(jié)束語

本文探討了艦船設備的振動激勵來源，分析了正弦激勵及隨機激勵對艦船設備的影響，比對了國內(nèi)艦船設備常用國家軍用標準中的振動試驗條件，并結(jié)合目前振動試驗臺的能力和國內(nèi)專家學者對艦船設備振動試驗實施建議，給出了推薦的艦船設備振動試驗程序。在制定艦船設備的振動試驗條件時，建議根據(jù)實測應力提出；缺乏實測數(shù)據(jù)時，要對標準中的要求慎重剪裁，不能缺乏依據(jù)的情況下只施加正弦振動或隨機振動應力。目前缺乏國內(nèi)艦船設備在振動試驗方面的創(chuàng)新經(jīng)驗和研究，歡迎各位同行對相關(guān)問題進一步探討、研究。