國產艦船設備輕型沖擊機的沖擊特性初探

唐佳煒，沈文妮，毛海斌，張士棟，蓋后恒，穆春元

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

艦船設備抗沖擊能力的優劣決定了戰時艦船的戰斗力和生命力，我國及各主要海軍國家均規定艦船設備必須通過沖擊試驗考核方可裝艦使用。與美軍標要求相同，我國現行GJB 150 規定的艦船設備沖擊考核體系根據試件質量分為輕量級、中量級、重量級試驗。輕型沖擊機是實施艦船設備輕量級沖擊試驗的標準設備，通過模擬戰時水下非接觸爆炸載荷傳遞至艦船艙室產生的沖擊環境，考核評定艦船設備的抗沖擊性能，或用于開展相關的設備抗沖擊試驗研究[1-3]。

我國目前關于輕型沖擊機的標準移植了美軍標的試驗方法要求[4-7]。同一艦船設備在不同輕型沖擊機上的試驗結果會存在較大差異，其原因在于沖擊機本體沖擊特性不一致，這也是國產輕型沖擊機最需要解決的基礎性問題。為了解決這一問題，本文所述的一型自研國產美標輕型沖擊機，通過試驗測試，其沖擊特性與美國同類設備基本一致，表明我們已掌握了輕型沖擊機標準化關鍵核心，為沖擊機的標準化、對標填補空白和艦船設備抗沖擊研究提供基準，實現輕型沖擊機及其輕量級試驗技術應有的應用價值。

1 輕型沖擊機簡介

20 世紀30 年代，英國制造了用于艦船設備抗沖試驗的沖擊機，美國海軍在1940 年接受了通用電氣公司改造過的沖擊機，即輕型沖擊機。以此為基礎，1942 年發展出了中型沖擊機，1959 年浮動沖擊平臺完成了設計建造[8-9]。

輕型沖擊機主要由機械臺體、標準安裝架、控制系統組成，如圖1 所示。機械臺體是沖擊機的主體結構，由設備機架、沖擊錘、砧板等組成。標準安裝架以砧板作為安裝基礎，用于安裝受試設備。控制系統主要用于控制沖擊錘的升降和釋放。沖擊錘、砧板系統、標準安裝架是輕型沖擊機的核心部件。沖擊錘設置有2 套，一套為用于垂向沖擊試驗的沖擊落錘，另一套為用于水平向沖擊試驗的沖擊擺錘，2 套沖擊錘通過提升至一定高度后的自由落體運動向砧板施加試驗所需的沖擊激勵，最大錘高均可達1.5 m。

砧板系統含砧板和緩沖彈簧組，砧板通過緩沖彈簧組安裝在設備機架上。砧板是傳遞沖擊載荷的關鍵部件，緩沖彈簧組在砧板的沖擊運動過程中起到限位和復位作用，不同沖擊方向采用不同的緩沖彈簧組。錘高1.5 m 時，砧板各向沖擊理論最大限位值均為38 mm，受砧板上的負載情況（負載質量、重心位置等）的影響，砧板的實際最大位移一般略大于理論限位指標。

輕型沖擊機提供有不同類型的標準安裝架，以滿足不同類型、不同安裝方式的受試設備，主要是為了確保受試設備的試驗安裝能夠盡量模擬實船安裝環境的動力學特征。輕量級試驗中，受試艦船設備一般均應通過標準安裝架安裝在輕型沖擊機上。

2 沖擊條件

2.1 依據的標準規范

我國主要依據GJB 150.18—1986 和GJB 4.9—1983 開展輕型沖擊機試驗，艦船設備的通用規范多數引用這2 份標準作為沖擊試驗的要求。GJB 150.18—1986 是參考美軍標MIL-S-901C 制定的。美國在1989年和 2017 年相繼頒布了 MIL-S-901D 和 MIL-D-901E。關于輕量級試驗方法，GJB 150.18—1986 和MIL-S-901D 規定的試驗程序和考核工況基本一致。

關于輕型沖擊機的結構形式，GJB 150.18—1986中只給出了沖擊機主要結構的示意圖和4 型標準安裝架的結構形式圖。GJB 360.17—1987[10]不同于GJB 150.18—1986，對輕型沖擊機砧板和適用于電子及電氣元件的標準安裝架，基于美軍標要求，給出了較為細致的結構組成圖，但是并未得到推廣和落實。美軍標明確規定了6 型標準安裝架，不僅類型多于我國的標準，且對于每類標準安裝架的結構組成和使用方法給出了詳盡的說明和指導建議。

2.2 適用范圍

我國對于輕型沖擊機的適用范圍是按照受試樣品的試件質量界定的：試件質量不超過120 kg，試件質量為受試樣品和專用過渡安裝架的總質量。美軍標對于輕型沖擊機的使用范圍是按照砧板最大負載能力界定的，要求砧板上所有負載的總質量不超過250磅（約250 kg），對于部分潛艇設備砧板上負載限重300 磅（約136 kg）。

2.3 沖擊方向

輕量級試驗方法要求受試艦船設備分別在3 個主軸方向上進行沖擊試驗，3 個主軸方向一般稱為垂向、背向和側向（見圖2），美軍標中分別記為“top”、“back”、“edge”，分別代表艦船設備實船安裝方向的垂向、艏艉方向和舷側方向。垂向、背向沖擊時砧板安裝位置如圖1 所示。側向沖擊時，砧板繞垂直方向旋轉90°，通過側向緩沖彈簧組與側向限位基礎安裝連接。試驗時，三向沖擊一般不作順序要求。

圖2 輕型沖擊機沖擊方向規定Fig.2 Regulation of shock direction of LWSM

2.4 試驗工況

GJB 150.18—1986 規定的輕量級試驗的考核工況（見表1）與MIL-S-901D 一致，試驗考核時受試設備一般至少進行9 次沖擊。某些標準規范，如GJB 4.9—1983 等，對不同等級、類型設備在輕型沖擊機上的沖擊次數和錘高有著不同的要求，但是工況參數的變化均在表1 規定的范圍內。

表1 艦船設備沖擊考核輕量級試驗工況表Tab.1 Lightweight test working condition table for shock assessment of warship equipment

3 國產美標輕型沖擊機及其沖擊特性

3.1 國產美標輕型沖擊機

本團隊基于在理論及試驗研究[11-14]、試驗設備及測控裝置研發[15-22]的技術積累，于2021 年建成了一臺符合美軍標要求的輕型沖擊機（見圖3），其主體結構均按MIL-D-901E 的要求進行設計制造，在國內尚屬首次。結構設計和指標驗證是研制工作的重點。

圖3 國產美標輕型沖擊機Fig.3 Domestic LWSM in line with the US standard

該型沖擊機的結構按照美軍標要求開展設計工作，設備機架在美軍標圖示基本框架的基礎上進行了充分的加強，同時確保滿足各向沖擊作動時的使用要求。主承力部件按照美軍標的要求進行設計，不是簡單地將英制尺寸轉化為公制，而是注重使用效能的一致，對于美軍標要求的一些特種型材，采用高強度鋼材進行了特制，以確保動力學特性上的等效。沖擊機的連接件采用國標公制標準件，規格、等級盡量貼近美軍標的要求。

該型沖擊機的標準安裝架按照美軍標的規定配備。美軍標規定輕型沖擊機標準安裝架共有6 個型號：4A、4C、6D-1、6D-2、6E、11-C，其中4A、4C 安裝架（見圖4）是最為常用的輕型沖擊機標準安裝架。GJB 150.18—1986 規定有4 型輕型沖擊機標準安裝架（記為1 號、2 號、3 號、4 號），根據適用范圍，1 號安裝架相當于4A 安裝架，2 號安裝架相當于4C 安裝架。

圖4 輕型沖擊機4A、4C 安裝架結構Fig.4 4A &4C mounting frame for LWSM

驗證性能指標是美標輕型沖擊機國產化的關鍵環節和難點，主要困難在于技術資料的匱乏。國內外關于輕型沖擊機的資料大多圍繞其基本的結構組成或是試驗應用上，不僅沒有完整的實測數據，定量、定性的指標特性也很少。中國船舶科學研究中心通過大量的文獻收集和梳理工作，選定了一些較為完整可信的文獻資料[23-25]作為參考，對國產美標輕型沖擊機進行了沖擊特性測試。

3.2 測試方法

輕型沖擊機沖擊特性測試是結合沖擊動響應測量手段開展試驗，通過對不同工況的測量數據進行統計分析，獲取其沖擊特性及指標。國產美標輕型沖擊機沖擊特性測試試驗主要工況參數設置如下：

1）標準安裝架。選用適用范圍最廣的4A、4C等2 種型號的標準安裝架進行試驗測試，并增加1 種不使用安裝架（即砧板單獨受試）的工況，以此表征沖擊機的極限沖擊能力。

2）安裝架負載。設置0 kg（空載）和120 kg 剛性負載2 種情況，以此探查最大負載質量下沖擊機的沖擊特性。

3）沖擊方向和錘高。分別開展垂向、背向、側向沖擊試驗，各向均以150 cm 錘高的試驗為主，以關注不同狀態下沖擊機的最大沖擊條件。選取使用4A標準安裝架的部分工況，開展不同錘高的試驗測試。

國產美標輕型沖擊機試驗主要采用加速度測量手段獲取砧板、標準安裝架及負載上的沖擊動響應，測量上限頻率按1 kHz 設置。試驗過程中，選取典型工況拍攝高速攝像，一方面為了直觀了解沖擊機的作動過程，另一方面對輔助加速度測量獲取的位移數據進行校驗，確保數據分析結果準確。國產美標輕型沖擊機試驗測試現場如圖5 所示。

圖5 國產美標輕型沖擊機試驗測試現場Fig.5 Test site of domestic LWSM in line with the US standard

3.3 典型測試結果

國產美標輕型沖擊機各向沖擊測得的典型時程曲線如圖6 所示。輕型沖擊機對于受試樣品的有效沖擊作用過程是從砧板受到沖擊錘的激勵作用開始，到砧板在緩沖彈簧組的作用下回復至初始位置結束，然后砧板連同安裝架和受試樣品一起在慣性作用下圍繞初始位置進行1 個或若干個周期的緩沖運動，直至動能被緩沖彈簧組和摩擦作用消耗盡。

圖6 國產美標輕型沖擊機三向沖擊試驗典型時程曲線Fig.6 Typical curve of three-dimensional shock tests by domestic LWSM in line with the US standard:a) vertical;b) backward;c) lateral

3.4 沖擊特性分析及比對

3.4.1 最大沖擊加速度

國產美標輕型沖擊機不同工況試驗測得的最大沖擊加速度均值見表2—4。根據測量結果，150 cm錘高工況下，側向沖擊時，砧板的最大沖擊加速度均超過1 000g；垂向沖擊時，基本都在800g以上；背向沖擊時介于600g～900g。按照最大沖擊加速度，4A標準安裝架的沖擊環境比4C 標準安裝架更為嚴酷，120 kg 剛性負載在4A 標準安裝架上的最大響應加速度分別是在4C 標準安裝架上的1.51 倍（垂向沖擊）、2.16倍（背向沖擊）、1.41 倍（側向沖擊）。相關文獻[23-25]給出了美國輕型沖擊機在部分工況下負載上的最大沖擊加速度，與國產美標輕型沖擊機測試結果的比較見表5。

表2 國產美標輕型沖擊機垂向沖擊試驗最大沖擊加速度（均值）Tab.2 Maximum shock acceleration (average value) of vertical shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表3 國產美標輕型沖擊機背向沖擊試驗最大沖擊加速度（均值）Tab.3 Maximum shock acceleration (average value)of backward shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表4 國產美標輕型沖擊機側向沖擊試驗最大沖擊加速度（均值）Tab.4 Maximum shock acceleration (average value) of lateral shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表5 中美輕型沖擊機負載最大沖擊加速度比較Tab.5 Comparison of maximum shock acceleration of LWSM between China and the US

3.4.2 最大沖擊速度

國產美標輕型沖擊機不同工況試驗測得的最大沖擊速度均值見表6—8。根據測量結果，150 cm 錘高工況下，側向沖擊時，砧板的最大沖擊速度均超過4 m/s，最大可達4.7 m/s；背向沖擊時，介于3～4.4 m/s；垂向沖擊時，大致在3.2 m/s。綜合安裝架和負載上的測量結果，4A 標準安裝架的沖擊環境比4C 標準安裝架更為嚴酷，120 kg 剛性負載在2 型標準安裝架上的最大沖擊速度均在背向沖擊時最大，垂向沖擊時最小。沖擊機的沖擊錘在運動和沖擊過程中，摩擦和碰撞均要損失能量，直接影響沖擊機的輸出載荷。砧板的最大沖擊速度與錘擊速度的比值可以反映沖擊機負載承受的沖擊力度。國產美標輕型沖擊機垂向、背向、側向沖擊時，砧板的最大沖擊速度與錘擊速度的比值分別為0.59、0.67、0.73，側向沖擊個別工況下可超過0.85。國產美標輕型沖擊機測試結果與相關文獻[23-25]給出的美國輕型沖擊機負載最大沖擊速度指標的比較見表9。

表6 國產美標輕型沖擊機垂向沖擊試驗最大沖擊速度（均值）Tab.6 Maximum shock velocity (average value) of vertical shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表7 國產美標輕型沖擊機背向沖擊試驗最大沖擊速度（均值）Tab.7 Maximum shock velocity (average value) of backward shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表8 國產美標輕型沖擊機側向沖擊試驗最大沖擊速度（均值）Tab.8 Maximum shock velocity (average value) of lateral shock test by domestic LWSM in line with the US standard

表9 中美輕型沖擊機負載最大沖擊速度比較Tab.9 Comparison of maximum shock velocity of LWSM between China and the US

3.4.3 最大沖擊位移

國產美標輕型沖擊機不同工況試驗測得的砧板最大沖擊位移統計見表10。美國輕型沖擊機試驗積分得到的位移峰值一般均超過1.5 ft（38 mm），極限情況下可達2.1 ft（53.3 mm），約為38 mm 限位指標的1.4 倍。根據試驗測試結果，國產美標輕型沖擊機在常規使用狀態下（使用標準安裝架時），垂向、背向、側向沖擊時，砧板最大位移分別可達到38 mm限位指標的1.15、1.14、1.28 倍。砧板單獨受試時，最大位移可達到38 mm 限位的1.44 倍（側向沖擊時）。

表10 國產美標輕型沖擊機三向沖擊試驗最大沖擊位移（均值）Tab.10 Maximum shock displacement (average value) of three-dimensional shock test by domestic LWSM in line with the US standard

3.4.4 試驗沖擊譜

國產美標輕型沖擊機砧板單獨受試工況中砧板的試驗沖擊譜見圖7，以此表征沖擊機輸出的最大沖擊環境。國產美標輕型沖擊機在使用4A 安裝架、負載質量120 kg 時的試驗沖擊譜如圖8 所示。關于美國輕型沖擊機沖擊譜的文獻資料較少，從相關文獻[24]中獲取的美國輕型沖擊機在使用4A 安裝架、負載質量261 磅（約118 kg）時的沖擊譜如圖9 所示。

圖7 國產美標輕型沖擊機三向沖擊試驗砧板沖擊譜Fig.7 Anvil board spectrum of three-dimensional shock tests by domestic LWSM in line with the US standard:a) vertical;b) backward;c) lateral

圖8 美國輕型沖擊機各向負載沖擊譜（4A 安裝架、負載261 磅）Fig.8 Load shock spectrum of three-dimensional shock tests by the US LWSM (4A mounting frame,load 261 lb)

圖9 國產美標輕型沖擊機三向沖擊試驗負載沖擊譜（4A 安裝架、負載120 kg）Fig.9 Load shock spectrum of three-dimensional shock tests by domestic LWSM in line with the US standard(4A mounting frame,load 120 kg) :a) vertical;b) backward;c) lateral

圖8 和圖9 所列譜線對應的工況參數雖然一致，但是兩者存在一定的差異。圖8 為根據試驗時程測試結果轉換得到的試驗沖擊譜，圖9 為根據4 臺輕型沖擊機離散的譜值點擬合、平滑得到的沖擊譜線。從總體上來看，圖8 的試驗沖擊譜中，低頻譜線趨勢與圖9 基本相符。

通過試驗測試，獲取了國產美標輕型沖擊機典型工況下的沖擊動響應數據，明確了主承力件的沖擊加速度、速度、位移的量級和指標范圍，可為試驗設計、艦船設備抗沖擊研究提供了數據支撐。基于測試結果，反映出了輕型沖擊機的一些基本特性。相同負載、相同工況條件下，沖擊機側向沖擊環境最為嚴酷，垂向沖擊環境嚴酷度相對最低；4A 標準安裝架輸出的沖擊環境的嚴酷度高于4C 標準安裝架。

通過與文獻中美國輕型沖擊機的部分特性指標進行比較，國產美標輕型沖擊機與美國同類設備基本一致，部分指標一致性較好。其中，個別負載上的測試結果低于美國輕型沖擊機，主要考慮是兩者試驗測試用剛性負載在結構形式、安裝方式上的差異所導致的，負載重心和安裝連接剛度均會對沖擊動響應測試結果產生影響。如美國輕型沖擊機側向沖擊時261 磅（約118 kg）負載在4A、4C 安裝架上測得的主頻分別為194 Hz 和78 Hz，而國產美標輕型沖擊機120 kg負載在相同工況下測得的主頻為132 Hz 和54 Hz。

4 結語

適用于輕型沖擊機試驗考核的艦船設備多為整機設備或系統中的分機設備、部件和元器件，如小型電控箱、開關、接觸器、繼電器等，設備體量雖小，但是通用程度高，使用范圍廣，其抗沖擊性能的優劣對于艦船關鍵設備和系統有著顯著的影響。

中國船舶科學中心建成的國產美標輕型沖擊機及其通過試驗測試獲取的沖擊特性數據，能夠為我國輕型沖擊機的標準化和改進優化提供了支撐，有助于我國艦船設備沖擊考核體系的不斷完善，推進艦船設備抗沖擊能力的提升。

對于今后國內新建的輕型沖擊機，幾點建議如下：

1）確保沖擊機設備機架具備足夠的剛度，標準安裝架結構按美軍標要求。

2）建成后的沖擊機結合試驗測試開展驗收評定，沖擊動響應測量工作按CB 20075—2012[26]的要求執行。

3）標準安裝架/負載主要關注相同工況下多次試驗測試結果的一致性，偏差一般應不超過±10%。

4）空載狀態下的砧板進行錘高1.5 m 的試驗結果表明，垂向沖擊時，砧板的最大沖擊加速度不小于800g（上限頻率為1 kHz），最大沖擊速度不小于3 m/s；背向沖擊時，砧板的最大沖擊加速度不小于800g（上限頻率為1 kHz），最大沖擊速度不小于4 m/s；側向沖擊時，砧板的最大沖擊加速度不小于1 000g（上限頻率為1 kHz），最大沖擊速度不小于4 m/s。

5）砧板三向最大沖擊位移不小于理論限位指標（38 mm），最大不超過限位指標的1.5 倍。