地面車輛及設備環境試驗方法

劉小西，胡巨剛，蔡自剛

（1.工業和信息化部電子第五研究所可靠性與環境工程中心,廣州 511370；2.電子信息產品可靠性分析與測試技術國家地方聯合工程中心,廣州 511370；3.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室,廣州 511370；4.廣東智能無人系統可靠性與數字化驗證技術省級重點實驗室,廣州 511370）

引言

地面車輛通常是移動武器裝備的重要組成部分，負責在各種極端惡劣環境下將武器裝備和人員可靠運輸到規定地點并執行其任務使命。地面車輛通常由車輛底盤、方艙和上裝的各功能設備組成，這些上裝設備根據安裝位置又分為艙內設備和露天設備。

地面車輛壽命周期內會經歷的溫度、振動、濕熱、鹽霧、霉菌、太陽輻射、淋雨、風、雪、霧、霜、雹、雷電等各種環境因素[1]，車輛及上裝設備在各類環境應力下的承受和正常工作的能力直接影響到戰備完好性和任務成功率。目前，實驗室試驗通常對其邊界環境條件進行有效驗證，但受限于試驗區域和試驗設備規模、安全性等因素限制，通常只能進行靜態測試，無法進行動態試驗，如車輛天線陣面等大型機械的展開撤收、雷達開高壓工作等，對功能性能考核不夠充分。自然環境中可開展動態試驗，但受限于試驗周期和試驗地理環境等因素，難以驗證在較長試驗周期內的各邊界環境應力適應性，本文通過深入探討車輛相關試驗標準和行業工程實踐經驗，確定了一套實驗室試驗、自然環境試驗、仿真和理論分析等相結合的地面車輛及設備環境適應性試驗方法。

1 相關研究和標準

目前國內外對車輛環境試驗方法開展了充分的研究，國外美、英、日、德等國均建立了大型氣候實驗室[2]，其中美國麥金利環境試驗中心主艙室尺寸為76 m（長）×61 m（寬）×21 m（高），能夠模擬溫度、濕度、太陽輻射、雨、雪等各種典型氣候環境條件[3]。國內北京、蕪湖、蘇州、武漢等地均建立了整車氣候環境試驗室[4]，具備整車高溫、低溫、濕熱、淋雨等環境試驗能力；同時國內已建立一套完善的地面車輛及設備環境標準體系，整車相關通用環境、車輛試驗及環境條件標準，車輛通用規范等見表1。此外，針對各類車輛的上裝設備，也制定了大量專用環境試驗標準，本文不再具體介紹。

表1 相關標準

綜合分析各類標準規定的環境試驗方法，并結合長期工程實踐經驗，本文探討了典型地面車輛及設備的環境試驗方案和裁剪要求，同時對工程實踐中常見的各環境試驗方法問題進行了探討和分析。

2 壽命周期主要環境因素

根據地面車輛壽命剖面，在運輸、貯存、戰勤值班、訓練和戰斗等壽命期內，可能經歷的主要自然和誘發環境應力包括：

1）運輸：經歷低氣壓、高溫、低溫、溫度變化、濕度、霉菌、鹽霧、運輸振動、沖擊、砂塵、淋雨、浸漬、風、太陽輻射、雪霧霜雹、雷電等環境。

2）貯存：經歷低氣壓、高溫、低溫、濕度、霉菌、鹽霧等環境。

3）戰勤值班：經歷低氣壓、高溫、低溫、濕度、霉菌、鹽霧、砂塵、淋雨、風、太陽輻射、雪霧霜雹、雷電等環境。

4）訓練和戰斗：經歷低氣壓、高溫、低溫、濕度、霉菌、鹽霧、沖擊、砂塵、淋雨、浸漬、太陽輻射、雪霧霜雹、雷電等環境。

地面車輛及設備根據其經歷的環境因素，可分為整車、艙內設備和露天設備三類。其中，艙內設備由于良好的遮蔽環境，不存在太陽輻射（光效應）、砂塵、淋雨、浸漬、風、雪、霧、霜、雹、雷電等環境。綜上所述，地面車輛及設備壽命周期內主要環境因素見表2。

表2 地面車輛及設備壽命周期內主要環境因素

3 環境試驗項目

試驗項目是按照GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》[5]的規定，并結合壽命周期的環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溫控庫房，出庫房過程溫度變化較小，不能形成溫度沖擊效應（根據GJB 150A，溫度急劇變化超過10 ℃/min），不需開展溫度沖擊試驗。小幅度的溫度變化過程可結合高低溫試驗的溫變過程考核，不再開展專項試驗。

2）太陽輻射：本試驗用于評價壽命期炎熱季節直接暴露于太陽輻射環境中的裝備耐受太陽輻射產生的熱效應或光化學作用的能力。光化學效一般取樣件在實驗室試驗考核極限環境條件，并結合整車在靶場自然環境驗證。熱效應通過高溫試驗增加溫升來考核，根據工程經驗，一般區域的溫升在10 ℃左右，南部島礁區域的溫升在15 ℃左右，具體根據產品實測值確定。

3）浸漬：浸漬試驗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可能會經歷浸漬環境，因此可選取底盤(配重最大承載量)開展浸漬試驗考核，整車和設備不再開展。

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

綜上所述，確定地面車輛及設備的典型環境試驗項目如表3所示，根據地面車輛的類型和使命任務要求可具體調整。

表3 地面車輛及設備典型試驗項目的確定

4 環境試驗要求和方法

4.1 氣候類環境試驗要求和方法

氣候類環境條件主要包括溫度、相對濕度、降雨強度、低氣壓、風等，綜合分析相關標準和工程實踐中的氣候類環境條件，相關要求如表4所示。根據車輛類型，將相關標準可分為通信車、裝甲車、保障車和汽車通用環境試驗標準。

各標準的應用過程中，應綜合考慮產品類型和設備的專用標準要求來確定合適的氣候環境條件。例如，通信車整車氣候條件可根據GJB 219B-2005《軍用通信車通用規范》確定，底盤試驗方法根據GJB 150系列或其專項標準確定，上裝通用設備則主要根據GJB 367A-2001《軍用通信設備通用規范》確定。

確定地面車輛及設備的環境條件，要綜合考慮相關標準要求，車輛的使用區域和任務要求進行論證分析。例如，某車輛使用區域覆蓋我國高原、島礁、沙漠等各典型區域，但在漠河極北區域使用頻率較低，野外長期停放時會有簡易遮蔽棚或庫房停放。按照GJB 1172.2-91《軍用設備氣候極值 地面氣溫》，取10 %風險率時低溫極值為-44.1（漠河），1 %高溫極值風險率為45.5（新疆吐魯番）[9]，取一定設計余量確定其氣候環境條件要求如表4所示。

結合工程實踐經驗，制定各類地面車輛及設備的試驗方法時，對標準的應用過程中應重點關注以下問題。

1）溫度類

開展溫度類試驗時，主要關注地面車輛和設備在高低溫環境下的啟動性能。例如，GJB 3985-2000要求在環境溫度-40 ℃的情況下，小、中型車能在30 min內啟動，大型車能在50 min內啟動[10]。GJB 6280-2008《地地戰術導彈電源車通用規范》要求發電機組應有低溫啟動裝置，在-40 ℃時應能在15 min內順利啟動，啟動后應具備在3 min內帶動額定負載的能力[11]。某電站車要求在環境溫度（-15～50）℃時，1 min內啟動并輸出額定功率。因此，在高低溫工作試驗中，通常應在溫度穩定后，按任務書要求的指標考核被試品啟動能力。

部分車輛有更換高低溫專用油脂等試驗維護保障要求的，應在試驗前明確并根據維護保障要求開展相關工作。

此外，溫度類試驗易暴露漆層工藝缺陷等問題，應在試驗前對已存在漆層脫落、磕碰等缺陷的問題做好標記，便于試驗后進行故障判定。

2）淋雨

小設備優先按GJB 150.8A程序I進行試驗；對于整車、發射箱和大設備，按照GJB 150.8A程序II進行試驗。

3）樣件試驗

受限于試驗設備，整車無法進行霉菌、鹽霧、太陽輻射（光效應）和砂塵等4項實驗室環境試驗時，可采用典型工藝樣件替代考核。其中霉菌樣件覆蓋產品的材料、結構和表面處理工藝，側重于非金屬件、電纜和接插件；鹽霧樣件覆蓋產品的材料、結構和表面處理工藝，側重于金屬件，特別是不同金屬的連接部位；太陽輻射樣件主要選取長期暴露在日曬下的涂層、橡膠等；砂塵樣件主要選取活動部件、開口和過濾裝置、密封件等。

4）風

地面車輛及設備開展實驗室風試驗的費效比不高，開展自然環境試驗驗證時，根據多年經驗，受限于試驗區域和季節，能恰好滿足20 m/s及以上的風速環境的概率較低，可同時結合風設計分析或仿真報告進行評估。風仿真的基本原理是建立流體力學模型，計算風正吹、測吹等模式下，整車在展開、撤收各種工況下能否不滑移、不傾覆，能正常工作。

4.2 力學類試驗要求和方法

1）整車運輸方式

依據GJB 150.16的規定：陸上運輸環境比海上或空中更為嚴重，而且所有的海上或空中運輸的前后都將包括有陸上運輸，因此將陸上運輸作為基本運輸環境。陸上運輸包括公路運輸和鐵路運輸，而公路運輸比鐵路運輸更為嚴重，因此以公路運輸作為運輸環境。

依據GJB 150.16A，高速公路振動為（1～500）Hz、1.04 grms，組合輪式車垂向振動為（5～500）Hz、2.2 grms，鐵路振動為（1～350）Hz、0.83 grms；按照GJB 3493《軍用物資運輸環境試驗條件》，公路運輸的沖擊相應譜為峰值1 000 g，交躍頻率為100 Hz，鐵路運輸沖擊相應譜為峰值300 g，交躍頻率為50 Hz；鐵路運輸振動量值和頻譜均能被公路運輸覆蓋。

因此，耐運輸振動和沖擊能力可通過開展公路運輸覆蓋鐵路、水路運輸要求，但同時應考慮鐵路、水路運輸的外形尺寸要求，條件允許時開展實裝驗證。

2）整車公路運輸條件

根據環境試驗考核裝備極限環境應力適應性的原則，公路跑車時應覆蓋典型運輸路面，各標準中未對環境試驗的公路運輸條件給出明確規定，但可參考車輛行駛可靠性試驗對路面類型的描述和路面比例要求，各類型車輛標準的相關要求見表5。

表5 公路跑車路面和比例要求

相關標準中規定的車輛可靠性試驗行駛里程是允許維護保障和出現一定數量的故障，但環境試驗通?？己塑囕v無故障行駛的極限能力。運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，不滿足對極限環境的考核需求；若根據運輸壽命（一般為20～30萬公里）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際；因此，應結合地面車輛的實際使用要求分析確定。例如，常規運輸用車輛可參考GJB 150.16A的規定，高速公路運輸里程按從制造廠到倉庫或用戶使用場地的里程，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）設備運輸條件

參考GJB 150.16A，公路運輸環境的實現形式有2種：振動臺模擬和實際跑車。優先采用振動臺/沖擊機模擬運輸振動/沖擊進行實驗室試驗；對于大型組件，當振動臺難以滿足要求時，可用跑車試驗模擬其經受的振動和沖擊環境，跑車試驗可結合車輛性能試驗在專用汽車場進行。

力學試驗（運輸振動、運輸沖擊）條件的優先順序為：評審通過的實測數據，沿用相似型號試驗條件，相關GJB推薦的試驗條件。例如，GJB 150.16A中表C.1給出了各典型車輛的運輸譜型，其中高速公路上的卡車運輸：普通貨車/卡車的振動暴露持續時間每1 600 km的公路運輸為60 min（每個軸向），兩輪拖車振動暴露持續時間每51 km的公路運輸為32 min（每個軸向），多輪拖車暴露持續時間每805 km的公路運輸為40 min（每個軸向）。

5 結論

本文結合地面車輛和設備的環境試驗標準要求和任務使命，提供了環境試驗項目、試驗條件和試驗方法的確定思路和依據。同時，針對地面車輛及設備的氣候類和力學類環境試驗中面臨的工程實踐問題進行了深入探討并提出解決方案。本文對科學制定各類地面車輛和設備的環境試驗方案，提升其環境適應性，保障裝備順利完成各項使命任務具有重要意義。