劉小西，胡巨剛，蔡自剛

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程中心,廣州 511370；2.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測(cè)試技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心,廣州 511370；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 511370；4.廣東智能無(wú)人系統(tǒng)可靠性與數(shù)字化驗(yàn)證技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 511370）

引言

地面車輛通常是移動(dòng)武器裝備的重要組成部分，負(fù)責(zé)在各種極端惡劣環(huán)境下將武器裝備和人員可靠運(yùn)輸?shù)揭?guī)定地點(diǎn)并執(zhí)行其任務(wù)使命。地面車輛通常由車輛底盤(pán)、方艙和上裝的各功能設(shè)備組成，這些上裝設(shè)備根據(jù)安裝位置又分為艙內(nèi)設(shè)備和露天設(shè)備。

地面車輛壽命周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷的溫度、振動(dòng)、濕熱、鹽霧、霉菌、太陽(yáng)輻射、淋雨、風(fēng)、雪、霧、霜、雹、雷電等各種環(huán)境因素[1]，車輛及上裝設(shè)備在各類環(huán)境應(yīng)力下的承受和正常工作的能力直接影響到戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功率。目前，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)通常對(duì)其邊界環(huán)境條件進(jìn)行有效驗(yàn)證，但受限于試驗(yàn)區(qū)域和試驗(yàn)設(shè)備規(guī)模、安全性等因素限制，通常只能進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，如車輛天線陣面等大型機(jī)械的展開(kāi)撤收、雷達(dá)開(kāi)高壓工作等，對(duì)功能性能考核不夠充分。自然環(huán)境中可開(kāi)展動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，但受限于試驗(yàn)周期和試驗(yàn)地理環(huán)境等因素，難以驗(yàn)證在較長(zhǎng)試驗(yàn)周期內(nèi)的各邊界環(huán)境應(yīng)力適應(yīng)性，本文通過(guò)深入探討車輛相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定了一套實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、自然環(huán)境試驗(yàn)、仿真和理論分析等相結(jié)合的地面車輛及設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法。

1 相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)車輛環(huán)境試驗(yàn)方法開(kāi)展了充分的研究，國(guó)外美、英、日、德等國(guó)均建立了大型氣候?qū)嶒?yàn)室[2]，其中美國(guó)麥金利環(huán)境試驗(yàn)中心主艙室尺寸為76 m（長(zhǎng)）×61 m（寬）×21 m（高），能夠模擬溫度、濕度、太陽(yáng)輻射、雨、雪等各種典型氣候環(huán)境條件[3]。國(guó)內(nèi)北京、蕪湖、蘇州、武漢等地均建立了整車氣候環(huán)境試驗(yàn)室[4]，具備整車高溫、低溫、濕熱、淋雨等環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰Γ煌瑫r(shí)國(guó)內(nèi)已建立一套完善的地面車輛及設(shè)備環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)體系，整車相關(guān)通用環(huán)境、車輛試驗(yàn)及環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)，車輛通用規(guī)范等見(jiàn)表1。此外，針對(duì)各類車輛的上裝設(shè)備，也制定了大量專用環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本文不再具體介紹。

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

綜合分析各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)方法，并結(jié)合長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文探討了典型地面車輛及設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)方案和裁剪要求，同時(shí)對(duì)工程實(shí)踐中常見(jiàn)的各環(huán)境試驗(yàn)方法問(wèn)題進(jìn)行了探討和分析。

2 壽命周期主要環(huán)境因素

根據(jù)地面車輛壽命剖面，在運(yùn)輸、貯存、戰(zhàn)勤值班、訓(xùn)練和戰(zhàn)斗等壽命期內(nèi)，可能經(jīng)歷的主要自然和誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力包括：

1）運(yùn)輸：經(jīng)歷低氣壓、高溫、低溫、溫度變化、濕度、霉菌、鹽霧、運(yùn)輸振動(dòng)、沖擊、砂塵、淋雨、浸漬、風(fēng)、太陽(yáng)輻射、雪霧霜雹、雷電等環(huán)境。

2）貯存：經(jīng)歷低氣壓、高溫、低溫、濕度、霉菌、鹽霧等環(huán)境。

3）戰(zhàn)勤值班：經(jīng)歷低氣壓、高溫、低溫、濕度、霉菌、鹽霧、砂塵、淋雨、風(fēng)、太陽(yáng)輻射、雪霧霜雹、雷電等環(huán)境。

4）訓(xùn)練和戰(zhàn)斗：經(jīng)歷低氣壓、高溫、低溫、濕度、霉菌、鹽霧、沖擊、砂塵、淋雨、浸漬、太陽(yáng)輻射、雪霧霜雹、雷電等環(huán)境。

地面車輛及設(shè)備根據(jù)其經(jīng)歷的環(huán)境因素，可分為整車、艙內(nèi)設(shè)備和露天設(shè)備三類。其中，艙內(nèi)設(shè)備由于良好的遮蔽環(huán)境，不存在太陽(yáng)輻射（光效應(yīng)）、砂塵、淋雨、浸漬、風(fēng)、雪、霧、霜、雹、雷電等環(huán)境。綜上所述，地面車輛及設(shè)備壽命周期內(nèi)主要環(huán)境因素見(jiàn)表2。

表2 地面車輛及設(shè)備壽命周期內(nèi)主要環(huán)境因素

3 環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)項(xiàng)目是按照GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》[5]的規(guī)定，并結(jié)合壽命周期的環(huán)境影響因素分析確定，主要考慮以下裁剪因素：

1）溫度沖擊：地面車輛一般停放在露天或有遮蔽無(wú)溫控庫(kù)房，出庫(kù)房過(guò)程溫度變化較小，不能形成溫度沖擊效應(yīng)（根據(jù)GJB 150A，溫度急劇變化超過(guò)10 ℃/min），不需開(kāi)展溫度沖擊試驗(yàn)。小幅度的溫度變化過(guò)程可結(jié)合高低溫試驗(yàn)的溫變過(guò)程考核，不再開(kāi)展專項(xiàng)試驗(yàn)。

2）太陽(yáng)輻射：本試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)壽命期炎熱季節(jié)直接暴露于太陽(yáng)輻射環(huán)境中的裝備耐受太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)或光化學(xué)作用的能力。光化學(xué)效一般取樣件在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)考核極限環(huán)境條件，并結(jié)合整車在靶場(chǎng)自然環(huán)境驗(yàn)證。熱效應(yīng)通過(guò)高溫試驗(yàn)增加溫升來(lái)考核，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般區(qū)域的溫升在10 ℃左右，南部島礁區(qū)域的溫升在15 ℃左右，具體根據(jù)產(chǎn)品實(shí)測(cè)值確定。

3）浸漬：浸漬試驗(yàn)適用于在工作或不工作的情況下可能被部分或完全地浸漬的裝備，地面車輛通常只有底盤(pán)可能會(huì)經(jīng)歷浸漬環(huán)境，因此可選取底盤(pán)(配重最大承載量)開(kāi)展浸漬試驗(yàn)考核，整車和設(shè)備不再開(kāi)展。

4）雪霧霜雹、雷電：表1中各汽車通用規(guī)范中均未將以上環(huán)境因素其列為試驗(yàn)項(xiàng)目，僅GJB 1763-93《軍用越野汽車氣候適應(yīng)性要求》中對(duì)雪、霧、冰雹的氣候條件給出了描述[6]，GB 7450規(guī)定了需采取的防雷電干擾和安全保護(hù)措施[7]。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求和工程經(jīng)驗(yàn)，車輛的研制要求中不提其定量考核指標(biāo)，僅要求車輛具備在雪霧霜雹、雷電環(huán)境下不損壞并正常工作的能力，通常結(jié)合自然環(huán)境驗(yàn)證雪霧霜雹和雷電環(huán)境的適應(yīng)能力。

綜上所述，確定地面車輛及設(shè)備的典型環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目如表3所示，根據(jù)地面車輛的類型和使命任務(wù)要求可具體調(diào)整。

表3 地面車輛及設(shè)備典型試驗(yàn)項(xiàng)目的確定

4 環(huán)境試驗(yàn)要求和方法

4.1 氣候類環(huán)境試驗(yàn)要求和方法

氣候類環(huán)境條件主要包括溫度、相對(duì)濕度、降雨強(qiáng)度、低氣壓、風(fēng)等，綜合分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐中的氣候類環(huán)境條件，相關(guān)要求如表4所示。根據(jù)車輛類型，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可分為通信車、裝甲車、保障車和汽車通用環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

各標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品類型和設(shè)備的專用標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)確定合適的氣候環(huán)境條件。例如，通信車整車氣候條件可根據(jù)GJB 219B-2005《軍用通信車通用規(guī)范》確定，底盤(pán)試驗(yàn)方法根據(jù)GJB 150系列或其專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)確定，上裝通用設(shè)備則主要根據(jù)GJB 367A-2001《軍用通信設(shè)備通用規(guī)范》確定。

確定地面車輛及設(shè)備的環(huán)境條件，要綜合考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，車輛的使用區(qū)域和任務(wù)要求進(jìn)行論證分析。例如，某車輛使用區(qū)域覆蓋我國(guó)高原、島礁、沙漠等各典型區(qū)域，但在漠河極北區(qū)域使用頻率較低，野外長(zhǎng)期停放時(shí)會(huì)有簡(jiǎn)易遮蔽棚或庫(kù)房停放。按照GJB 1172.2-91《軍用設(shè)備氣候極值 地面氣溫》，取10 %風(fēng)險(xiǎn)率時(shí)低溫極值為-44.1（漠河），1 %高溫極值風(fēng)險(xiǎn)率為45.5（新疆吐魯番）[9]，取一定設(shè)計(jì)余量確定其氣候環(huán)境條件要求如表4所示。

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，制定各類地面車輛及設(shè)備的試驗(yàn)方法時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題。

1）溫度類

開(kāi)展溫度類試驗(yàn)時(shí)，主要關(guān)注地面車輛和設(shè)備在高低溫環(huán)境下的啟動(dòng)性能。例如，GJB 3985-2000要求在環(huán)境溫度-40 ℃的情況下，小、中型車能在30 min內(nèi)啟動(dòng)，大型車能在50 min內(nèi)啟動(dòng)[10]。GJB 6280-2008《地地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈電源車通用規(guī)范》要求發(fā)電機(jī)組應(yīng)有低溫啟動(dòng)裝置，在-40 ℃時(shí)應(yīng)能在15 min內(nèi)順利啟動(dòng)，啟動(dòng)后應(yīng)具備在3 min內(nèi)帶動(dòng)額定負(fù)載的能力[11]。某電站車要求在環(huán)境溫度（-15～50）℃時(shí)，1 min內(nèi)啟動(dòng)并輸出額定功率。因此，在高低溫工作試驗(yàn)中，通常應(yīng)在溫度穩(wěn)定后，按任務(wù)書(shū)要求的指標(biāo)考核被試品啟動(dòng)能力。

部分車輛有更換高低溫專用油脂等試驗(yàn)維護(hù)保障要求的，應(yīng)在試驗(yàn)前明確并根據(jù)維護(hù)保障要求開(kāi)展相關(guān)工作。

此外，溫度類試驗(yàn)易暴露漆層工藝缺陷等問(wèn)題，應(yīng)在試驗(yàn)前對(duì)已存在漆層脫落、磕碰等缺陷的問(wèn)題做好標(biāo)記，便于試驗(yàn)后進(jìn)行故障判定。

2）淋雨

小設(shè)備優(yōu)先按GJB 150.8A程序I進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)于整車、發(fā)射箱和大設(shè)備，按照GJB 150.8A程序II進(jìn)行試驗(yàn)。

3）樣件試驗(yàn)

受限于試驗(yàn)設(shè)備，整車無(wú)法進(jìn)行霉菌、鹽霧、太陽(yáng)輻射（光效應(yīng)）和砂塵等4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，可采用典型工藝樣件替代考核。其中霉菌樣件覆蓋產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)和表面處理工藝，側(cè)重于非金屬件、電纜和接插件；鹽霧樣件覆蓋產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)和表面處理工藝，側(cè)重于金屬件，特別是不同金屬的連接部位；太陽(yáng)輻射樣件主要選取長(zhǎng)期暴露在日曬下的涂層、橡膠等；砂塵樣件主要選取活動(dòng)部件、開(kāi)口和過(guò)濾裝置、密封件等。

4）風(fēng)

地面車輛及設(shè)備開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室風(fēng)試驗(yàn)的費(fèi)效比不高，開(kāi)展自然環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，受限于試驗(yàn)區(qū)域和季節(jié)，能恰好滿足20 m/s及以上的風(fēng)速環(huán)境的概率較低，可同時(shí)結(jié)合風(fēng)設(shè)計(jì)分析或仿真報(bào)告進(jìn)行評(píng)估。風(fēng)仿真的基本原理是建立流體力學(xué)模型，計(jì)算風(fēng)正吹、測(cè)吹等模式下，整車在展開(kāi)、撤收各種工況下能否不滑移、不傾覆，能正常工作。

4.2 力學(xué)類試驗(yàn)要求和方法

1）整車運(yùn)輸方式

依據(jù)GJB 150.16的規(guī)定：陸上運(yùn)輸環(huán)境比海上或空中更為嚴(yán)重，而且所有的海上或空中運(yùn)輸?shù)那昂蠖紝ㄓ嘘懮线\(yùn)輸，因此將陸上運(yùn)輸作為基本運(yùn)輸環(huán)境。陸上運(yùn)輸包括公路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸，而公路運(yùn)輸比鐵路運(yùn)輸更為嚴(yán)重，因此以公路運(yùn)輸作為運(yùn)輸環(huán)境。

依據(jù)GJB 150.16A，高速公路振動(dòng)為（1～500）Hz、1.04 grms，組合輪式車垂向振動(dòng)為（5～500）Hz、2.2 grms，鐵路振動(dòng)為（1～350）Hz、0.83 grms；按照GJB 3493《軍用物資運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)條件》，公路運(yùn)輸?shù)臎_擊相應(yīng)譜為峰值1 000 g，交躍頻率為100 Hz，鐵路運(yùn)輸沖擊相應(yīng)譜為峰值300 g，交躍頻率為50 Hz；鐵路運(yùn)輸振動(dòng)量值和頻譜均能被公路運(yùn)輸覆蓋。

因此，耐運(yùn)輸振動(dòng)和沖擊能力可通過(guò)開(kāi)展公路運(yùn)輸覆蓋鐵路、水路運(yùn)輸要求，但同時(shí)應(yīng)考慮鐵路、水路運(yùn)輸?shù)耐庑纬叽缫?，條件允許時(shí)開(kāi)展實(shí)裝驗(yàn)證。

2）整車公路運(yùn)輸條件

根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)考核裝備極限環(huán)境應(yīng)力適應(yīng)性的原則，公路跑車時(shí)應(yīng)覆蓋典型運(yùn)輸路面，各標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)環(huán)境試驗(yàn)的公路運(yùn)輸條件給出明確規(guī)定，但可參考車輛行駛可靠性試驗(yàn)對(duì)路面類型的描述和路面比例要求，各類型車輛標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求見(jiàn)表5。

表5 公路跑車路面和比例要求

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的車輛可靠性試驗(yàn)行駛里程是允許維護(hù)保障和出現(xiàn)一定數(shù)量的故障，但環(huán)境試驗(yàn)通常考核車輛無(wú)故障行駛的極限能力。運(yùn)輸里程若按車輛平均故障間隔行駛里程（MMBF）確定，僅考核了平均水平，不滿足對(duì)極限環(huán)境的考核需求；若根據(jù)運(yùn)輸壽命（一般為20～30萬(wàn)公里）確定，又明顯缺乏可操作性且不符合車輛使用中可維修保障的工程實(shí)際；因此，應(yīng)結(jié)合地面車輛的實(shí)際使用要求分析確定。例如，常規(guī)運(yùn)輸用車輛可參考GJB 150.16A的規(guī)定，高速公路運(yùn)輸里程按從制造廠到倉(cāng)庫(kù)或用戶使用場(chǎng)地的里程，一般為（3 200～6 400）km；未修整路面和野外地段里程為（500～800）km。

3）設(shè)備運(yùn)輸條件

參考GJB 150.16A，公路運(yùn)輸環(huán)境的實(shí)現(xiàn)形式有2種：振動(dòng)臺(tái)模擬和實(shí)際跑車。優(yōu)先采用振動(dòng)臺(tái)/沖擊機(jī)模擬運(yùn)輸振動(dòng)/沖擊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；對(duì)于大型組件，當(dāng)振動(dòng)臺(tái)難以滿足要求時(shí)，可用跑車試驗(yàn)?zāi)M其經(jīng)受的振動(dòng)和沖擊環(huán)境，跑車試驗(yàn)可結(jié)合車輛性能試驗(yàn)在專用汽車場(chǎng)進(jìn)行。

力學(xué)試驗(yàn)（運(yùn)輸振動(dòng)、運(yùn)輸沖擊）條件的優(yōu)先順序?yàn)椋涸u(píng)審?fù)ㄟ^(guò)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，沿用相似型號(hào)試驗(yàn)條件，相關(guān)GJB推薦的試驗(yàn)條件。例如，GJB 150.16A中表C.1給出了各典型車輛的運(yùn)輸譜型，其中高速公路上的卡車運(yùn)輸：普通貨車/卡車的振動(dòng)暴露持續(xù)時(shí)間每1 600 km的公路運(yùn)輸為60 min（每個(gè)軸向），兩輪拖車振動(dòng)暴露持續(xù)時(shí)間每51 km的公路運(yùn)輸為32 min（每個(gè)軸向），多輪拖車暴露持續(xù)時(shí)間每805 km的公路運(yùn)輸為40 min（每個(gè)軸向）。

5 結(jié)論

本文結(jié)合地面車輛和設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求和任務(wù)使命，提供了環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法的確定思路和依據(jù)。同時(shí)，針對(duì)地面車輛及設(shè)備的氣候類和力學(xué)類環(huán)境試驗(yàn)中面臨的工程實(shí)踐問(wèn)題進(jìn)行了深入探討并提出解決方案。本文對(duì)科學(xué)制定各類地面車輛和設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)方案，提升其環(huán)境適應(yīng)性，保障裝備順利完成各項(xiàng)使命任務(wù)具有重要意義。