艦船電子設備振動試驗條件的分析和對比

寧薇薇，陳立偉，孫立明

（天津航天瑞萊科技有限公司試驗檢測中心，天津 300462）

艦船電子設備振動試驗條件的分析和對比

寧薇薇，陳立偉，孫立明

（天津航天瑞萊科技有限公司試驗檢測中心，天津 300462）

對GJB 4.7-83《艦船電子設備環境試驗 振動試驗》與GJB 150-16A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗》（A2.2.8艦船）進行了詳盡的分析和對比，并結合國外標準及經驗，提出了耐振試驗危險頻率及其振動量級的選取方法。

艦船設備；振動試驗；危險頻率

引言

艦船作為當代主要運輸及軍用介質，面對的機械物理環境錯綜復雜，在其航行和作戰時，會遭遇各種干擾，如主機螺旋槳、強力海風、突發海情等多種可預見性和非可預計的影響，干擾嚴重時會引起船體的劇烈震蕩和船體結構的破壞。同時艦船上的電子設備也會受到各種機械力的影響，例如振動、沖擊、顛震、傾斜搖擺、風壓等。振動就是其中主要危害之一，它主要造成兩種形式的破壞：一是設備在激振情況下產生的共振響應，導致設備因超出極限能力而失效；二是長期的振動沖擊致使設備疲勞損壞。因而在艦船設備正式裝船前，都會進行一系列振動試驗，以考核設備是否能夠適應嚴酷的航海環境[1-4]。當代科學技術迅猛發展，艦船設備的結構和性能均不可同日而語，結構多變，性能復雜，因此對設備的穩定性要求大幅提高，尤其是艦船的驅動裝置、控制系統以及導航設備等，更要嚴格重點考核[5]。為進一步加強和考核艦船設備的戰斗力和生命力，根據國內實驗室常使用的GJB 4.7-83及GJB 150.16A-2009標準來考核電子設備的工作性能。而國內常用的GJB 4.7-83《艦船電子設備環境試驗 振動試驗》至今已應用了三十年之久，試驗標準就當代設備而言存在諸多不足。本文針對常用的GJB 4.7-83、GJB 150A-2009中的艦船條件進行了分析和對比，提出了目前發現的一些問題及解決辦法。

1 兩個標準總體分析和對比

1.1 兩個標準總體比較

由于GJB 4.7-83標準的提出時試驗設備能力有限，標準中均未提及由于艦船航速、航向、各種操作和海情等的變化所引起的隨機振動試驗。這就減少了艦船類設備的考察項目，從而降低了產品遇到類似環境的抵抗能力。GJB 4.7-83分為三個試驗項目：共振檢查，穩定性試驗以及耐振試驗。而GJB 150.16A-2009分為兩個大項目：正弦掃描振動試驗和隨機振動試驗，其中正弦掃描振動試驗包含功能試驗和耐振試驗。GJB 4.7-83標準試驗條件見表1[6]、GJB 150.16A-2009標準試驗條件見表2及圖1[7]。試驗條件存在較大的差異，試驗的頻率范圍和量級都有了很大的變化。

表1 GJB4.7-83試驗條件

表2 GJB 150.16A功能試驗條件

1.2 兩標準存在的主要問題和對比分析

1.2.1 GJB 4.7-83存在的的主要問題

如表1所示，GJB 4.7-83主要分為三個試驗項目：共振檢查，穩定性試驗，耐振試驗。主要問題在于如何確定共振頻率及耐振試驗的振動量級。

1）共振檢查試驗

GJB 4.7-83共振檢查試驗中只規定了根據試驗樣品及其零部件幅值明顯變化或者設備輸出電流、電壓的變化判斷共振，但未明確規定多大的傳遞數值所對應的響應極值頻率可作為共振頻率參考，也未把影響設備功能或者結構完整性的非響應極值頻率（如出現性能、結構、機械或電氣異常的頻率）作為危險頻率考慮到耐振試驗頻率的參考頻率當中[8]。

2）穩定性試驗

在穩定性試驗中，可能會出現以下兩種情況，而這些情況的出現必將影響耐振試驗的結果以及對設備的考核。

第一種，由于GJB 4.7-83中穩定性試驗量級大于共振檢查試驗的量值，就可能存有在共振檢查中未暴露的共振頻率在穩定性試驗中出現，這就造成了對耐振試驗的影響。在穩定性試驗中暴露的這些共振點是否也應該作為耐振試驗的參考點。

圖1 GJB 150.16A-2009艦船隨機振動試驗條件

第二種，由于GJB 4.7-83穩定性試驗中，允許在除耐振試驗選擇的頻率外，在其他可疑頻率上允許延長試驗時間5 min，但所選定的可疑頻率點每個軸向不得超過4個。這在試驗中就有可能出現當在一個可疑點延時振動時，試驗設備出現異常，那么這個頻率是否作為耐振頻率，這個可疑點有可能不是幅值最大的，延時振動設備出現不正常現象，那么如何確認這個點是否作為耐振頻率的參考點。

3）耐振試驗

由于共振檢查試驗和穩定性試驗在試驗條件上存在一定的疏漏，勢必造成耐振試驗結果的多樣性。

GJB 4.7-83耐振試驗中明確規定若某方向上有共振現象，則在最有害的共振頻率上，根據表1規定的位移或加速度幅值振動2 h。當最有害的共振頻率難以判斷時，則在共振頻率上選取兩個，按表1規定的位移或加速度幅值各振動1 h。若無共振，則在表1規定的頻率、位移或加速度幅值振動2 h[6]。但是由于共振檢查試驗中未明確規定如何選取共振頻率，則在后續進行的耐振試驗時就會帶來很多困擾。不同的人依據不同的標準來衡量，就會選擇不同的頻率，勢必造成試驗結果的多樣性。

同時，在耐振試驗頻率交越點位移和加速度的確定上存在歧義，有共振時，1類桅區共振頻率為10 Hz時，振幅可選0.25 mm或0.6 mm，共振頻率為17 Hz時，加速度可選0.6 mm或1 g，可見標準GJB 4.7規定的并不嚴謹，在相同的共振頻率上選取不同的試驗量值，最大的試驗量值可相差4倍之多，這就可能會出現因選取不同的試驗量值，導致同一批試驗件的試驗結果出現較大差異。而在GJB 150.16A-2009中，頻率范圍內不存在階躍點，這樣就避免了GJB 4.7-83耐振試驗中振幅選擇的不確定性和差異性。

1.2.2 GJB 150.16A存在的主要問題

GJB 150.16A-2009明確了隨機振動試驗條件，加強了艦船電子設備的考核要求，主要問題在于如何確定危險頻率。

1）耐振試驗規定了如何選擇危險頻率，但同GJB 4.7-83一樣，危險頻率的定義很模糊。GJB 150.16A -2009規定危險頻率是由于振動出現試驗的工作失靈、性能超差或損傷；機械共振及其他響應現象，例如顫振。這里所謂的機械共振未規定傳遞多大為共振。當試驗中出現多個機械共振頻率點時，我們應當如何取舍，取舍的依據是什么。

2）由于功能振動試驗中掃描最大范圍到160 Hz，但是隨機振動試驗條件只到100 Hz，頻率范圍變窄了，那么是否應該根據試驗件的特性考慮增加頻率范圍，以加強對試驗件的考察能力。

1.2.3 掃描方式的對比

GJB 4.7-83中所采用的掃描方式是線性掃描，規定試驗時掃描時間由低到高均勻連續的改變頻率，每個頻帶對應一個掃描的時間范圍。但標準中未明確規定掃描速率，會產生以下兩方面問題：第一，由于標準規定的掃描方式是分段式掃描，所以在同一頻帶范圍內對應每個頻率點上的振動時間相同，但在不同頻帶上每一頻率點的振動時間不同，存在一定的不合理。第二，掃描速率較快時，響應幅值不穩定，達不到相應的振動理論數值可能得不到正確的共振響應，掃描速率較慢時，雖可獲得較為正確的共振響應，但會對試驗設備產生一定的破壞。分析多年試驗數據可知，分段式線性掃描應明確不同頻帶的掃描速率，采用對數掃描的方式，即按照時間的指數規律變化，頻率從低到高掃描。從而解決線性掃描低頻振動次數較少、高頻振動次數頻繁的問題。而不同于GJB 4.7-83的線性掃描，GJB 150.16A-2009明確規定了掃描速率以1oct/min的速率從低頻到高頻往復掃描10次，這樣就可以有效的避免了線性掃描的缺點。

1.3 小結與建議

1.3.1 GJB 4.7-83標準試驗方法的優化

1）共振頻率

根據我國內的艦船標準并參考國外標準及文獻，在共振檢查試驗中，根據艦船設備的實測數據，發生共振時，設備本身的振動量值要比設定基值大好幾倍，由于阻尼值不同，據不完全的統計來看,放大倍數約1~10倍,通常為2~5倍。可選取放大倍數大于2的多個頻率點作為共振頻率，篩選出一部分可疑頻率。當然放大倍數的選取還應與試驗委托方商議，根據設備本身特性定奪。

2）耐振試驗頻率、量級及試驗時間

耐振試驗中，應該把影響設備功能或者結構完整性的非響應極值頻率（如任何出現結構、功能、機械或電氣異常的頻率）作為危險頻率考慮到耐振試驗頻率的參考頻率當中，全面的考察設備能力。在穩定性試驗中出現的共振頻率，也可做為耐振試驗的危險頻率考慮進去，根據共振檢查試驗結果和穩定性試驗的結果，選擇放大倍數最大的n個共振頻率。在耐振試驗中，在n個共振頻率點上各振動2 h/n，總振動時間為2 h。綜合考慮了每個共振頻率對設備影響，更全面的考察了設備對振動環境的適應性。當在階躍頻率做為共振頻率時，可采用試驗量級較大的進行耐振試驗。

1.3.2 GJB 150.16A-2009標準試驗方法的優化

1）危險頻率

選取機械共振放大倍數大于2的多個頻率點作為危險頻率，并將在振動試驗中出現的工作失靈、性能超差及損傷的頻率點考慮在內。

2）耐振試驗時間

耐振試驗中，在n個危險頻率點上各振動2 h/n，總振動時間為2 h，全面考察每個危險頻率對設備的影響。

3）隨機振動試驗頻率范圍

由于隨機振動試驗頻率范圍較正弦掃描試驗變窄，可根據設備的最低軸頻率及最高槳葉頻率作為的隨機振動試驗和正弦掃描振動條件的下限與上限，在確定振動幅值時，更可能根據設備的實測數據，進行試驗，這樣的試驗條件更加接近真實環境。

2 結束語

本文針對國內艦船標準進行了詳盡的分析和對比，并根據各標準中存在的主要問題提出了解決辦法，尤其對概念模糊的共振頻率和危險頻率都給出了明確的放大倍數，避免了試驗結果的歧義。當試驗中出現多個共振頻率或危險頻率時，優化耐振試驗方法，嚴謹考察設備能力。同時，需要在試驗中更加全面的找出共振頻率以及對設備功能或結構完整性造成影響的非響應極值頻率，以加強艦船在抗擊海上惡劣環境的能力。建議當有實測數據時，應根據實測數據確定其振動暴露量級，當無實測數據時，推薦使用GJB 150.16A中（A2.2.8艦船）試驗條件進行試驗。

[1]呼怡玫. 對艦船設備沖擊振動試驗的分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學, 2002.

[2]金鴻章.艦艇用設備的振動與沖擊試驗的分析[J].艦船技術, 1981(12).

[3]馬綸宇.艦船機械設備沖擊標準淺談[J].噪聲與振動控制, 1997(6):41-45

[4] GJB 13A-1997,艦船電氣規范[S].

[5] GJB 150.16-1983,軍用設備環境試驗方法 振動試驗[S].

[6] GJB 4.7-83,艦船電子設備環境試驗 振動試驗[S].

[7] GJB 150.16A-2009,軍用裝備實驗室環境試驗方法 第16部分:振動試驗[S].

[8]唐文杰. GJB 4.7-83《艦船電子設備環境試驗 振動試驗》和MILSTD-167-1A《艦船設備的機械振動（I類-環境振動）》的分析和對比[J ]. 環境技術, 2009(04):45-48.

Analysis and Comparison of the Condition of Shipboard Electronic Equipment Vibration Test

NING Wei-wei, CHEN Li-wei, SUN Li-ming
(Tianjin Aerospace Reliability Technology Co, Ltd., Tianjin 300462)

This paper carries on detailed analysis and comparison between GJB 4.7-83, Environmental Test of Shipboard Electronic Equipment Vibration Test and GJB 150.16A-2009, Laboratory environment test methods for military material-Part 16: Vibration test. And combined with the foreign standards and experience, it puts forward the dangerous frequency of endurance vibration test and the choosing method for the vibration level.

shipboard electronic equipment; vibration test; dangerous frequency

U661.4

A

1004-7204（2017）03-0076-05

寧薇薇（1989-），女，本科，助理工程師，研究方向:結構強度、振動與可靠性。