关于国军标GJB 150.16A中舰船设备振动试验的实施方法及应用

唐文杰，黄宋均，徐自炜，顾奕翀，蔡琦煜

（中船重工集团公司第七〇四研究所 船舶环境工程与可靠性实验室，上海 200031）

关于国军标GJB 150.16A中舰船设备振动试验的实施方法及应用

唐文杰，黄宋均，徐自炜，顾奕翀，蔡琦煜

（中船重工集团公司第七〇四研究所 船舶环境工程与可靠性实验室，上海 200031）

论述了GJB 150.16A舰船设备振动试验标准的适当剪裁及确定危险频率、耐振频率和耐振时间等的适当选择，详细介绍了标准的准确实施及应用方法，以促进GJB 150.16A中舰船设备振动试验标准的推广与应用。

标准剪裁；危险频率；传递率；耐振

引言

GJB 150.16A-2009《军用装备实验室环境试验 振动试验》作为GJB 150A系列标准之一已颁布实施了六年。但是作为标准的修订单位之一，我们在各单位大量的舰船设备振动试验中发现有的设备设计人员或生产厂家，甚至包括有的试验人员尚未完全理解标准应该如何准确实施，为此有必要作较详细的介绍和论述。

1 标准剪裁的必要性

GJB 150A类似MIL 810，均为可剪裁标准，这在标准中有明确说明。应用时应按设备所处实际环境进行适当剪裁，以避免浪费人力、物力的过试验。

但不少设计人员或生产厂家在制订试验大纲时往往只照搬标准上的试验参数列表，而不注意剪裁说明。如标准参数表中水面舰船和潜艇主体区的正弦振动（功能振动试验和耐振试验）上限频率为60 Hz，这只是保留了原来猎潜艇的上限频率，但若设备装在特定舰船上，应按不同舰船最高螺旋桨转速来确定上限频率。如核潜艇、驱逐舰上限频率在25 Hz左右[5]，护卫舰及常规潜艇上限频率在30～35 Hz左右[5]。实际上限频率应按标准注释中的公式确定：上限频率（最高桨叶频率）=螺旋桨每分钟最高转速×螺旋桨叶片数/60。新版美军标MILSTD-810G中“舰船设备的机械振动”中舰船设备上限频率计算公式中乘上了一个放大系数1.15。如果不进行剪裁，会出现不管任何舰船大小，功能试验扫频上限或无危险频率时的耐振频率均为60 Hz，这样因为超出了舰船实际上限频率，可能会得到不符合实际环境的危险频率而出现实际环境不可能出现的故障，另外由于超出实际的上限频率，对一些较高、较大设备的夹具提出了过高的刚性要求。因为夹具应有足够的刚性，其固有频率应不低于试验上限频率。因此在新版美军标MIL-STD-810G中“舰船设备的机械振动 I类-环境振动”中环境振动频率范围从原来的4～50 Hz改成了4～33 Hz（特定舰船设备按最高螺旋桨转速确定）。另外国军标参数表中水面舰船和潜艇主体区的下限频率虽然为1 Hz，实际只要设备最低固有频率不低于5 Hz即可，即下限频率可取Hz，实际可按不同设备最低固有频率选取，美军标采用的最低频率为4 Hz。图1、图2为某底部直接固定操纵设备的横向、纵向传递函数曲线，虽然艇实际上限频率只有35 Hz，由于大纲直接照搬标准未剪裁，上限频率取60 Hz，原本横向只应在34 Hz存在一个加速度传递率只有1.4的轻微共振，现在多出一个实际本不该存在的、传递率为4.1的较剧烈的60 Hz共振频率。同样纵向出现了本不该存在的、传递率为9.0的52.4 Hz剧烈共振频率。这样经过在共振频率上的耐振试验，设备出现了故障，带来了后续不必要的人力、物力、时间的浪费。

2 危险频率的确定

舰船设备的耐振试验应在危险频率上进行，危险频率不仅包括共振频率，还包括设备功能或结构完整性受影响的非响应极值频率（如任何出现结构、功能、机械或电气异常的频率）。如意外的开关闭合、意外的压力或流量的改变、电压、电流的变化、异常声响等等。危险频率由功能试验扫频获得，并在耐振期间对其应持续监测。需要强调的是应分别在各轴向耐振试验前后各进行5次扫频循环功能试验。功能试验分两次进行是为了确定耐振试验是否对设备结构或功能产生影响，共振频率及其加速度传递率是否在耐振前后发生明显变化。

图1 某底部固定设备横向传递函数曲线

图2 某底部固定设备纵向传递函数曲线

另外关于共振和共振频率的确定，有的实验室试验人员认识上还存在误解，如根据仅反映共振锐度及阻尼大小的品质因子Q的大小来判断有无共振，按此方法甚至能得出2 m高带减振器和安装架的机柜三个轴向均无共振的错误结论。实际上共振及其大小判定许多标准上均有很明确的定义，如GB/T 2298-1991《机械振动与冲击术语》中共振定义为：“系统作受迫振动时，激励频率有任何微小改变均会使系统响应下降的现象”。在ASTM D999-01中为：“共振-对于一个遭受强迫振动的系统，当激励频率附近发生不管正或负的任何变化，就会引起系统响应的下降，该频率即共振频率”。而共振大小由传递率表征，在MIL-STD-810G 方法528 “舰船设备的机械振动” 中定义为：“传递率-在稳态受迫振动中响应幅值对激励幅值的无量纲比。它可能是力、位移、速度或加速度之一”。在GB/T 2298-1991中也有相同的定义，通常使用的是加速度传递率。显然在传递函数曲线上的尖峰就是共振点，其对应的频率即共振频率，其峰值大小即传递率。

必须强调的是共振频率不仅仅是设备的整体共振频率，还应包括设备内部关键模块或部位的局部共振频率。试验人员往往只注重设备整体共振，而忽视局部共振的检测。而关键模块或部位的局部共振也是导致设备故障的重要因素。传递率多大时作为有意义的共振来考核设备，这应该由设备（整机及内部关键模块或部位）的振动环境适应性要求确定。当技术文件或大纲无明确规定，而且无传递率较大的明显共振时，可参考美军标MIL-STD-810G方法528“舰船设备的机械振动”中规定，将传递率大于1.5的响应极值作为共振频率包括进耐久试验频率中。

3 耐振频率和时间的适当选择

有的实验室试验人员误以为每个轴向只要选一个危险频率耐振2 h，有的以为每个危险频率都要耐振2 h。由于GJB 150A系列标准参照MIL810F，当标准确定时，新版美军标MIL-STD-810G也刚颁布，其中一些内容未及详细补充和说明，但是可以同样参考使用。标准上规定是舰船设备各轴向应在危险频率上“至少耐振2 h”。若有多个危险频率且无法区分它们危害大小，则按表1所示耐振时间进行试验，若无危险频率则在上限频率试验2 h，耐振试验量级为功能试验时相应频率对应量级。

表1 耐振试验时间

图3 某配电箱纵向传递函数曲线

图4 某配电箱横向传递函数曲线

从图3可见，某配电箱纵向有3个共振频率，分别是5.9 Hz、10.4 Hz、13.5 Hz，对应的加速度传递率分别为3.04、3.89、4.62。因共振频率均处于等位移段，且传递率相差不大，因此无法区别它们的危害大小，并且纵向功能试验期间无设备功能或结构完整性受影响的非响应极值危险频率，因此纵向每个共振频率应分别耐振40 min。图4为该配电箱横向传递函数曲线，除了在7.1 Hz有一个加速度传递率为13.9的共振点外，后面还有若干个传递率为2～3的且较平缓的共振峰，但明显没有7.1 Hz的危害大。因此在功能试验期间无设备功能或结构完整性受影响的非响应极值危险频率情况下，横向只需在7.1 Hz耐振2 h。

4 随机振动

随机振动试验用于验证设备在除螺旋桨轴旋转、往复机械和设备运行等与船体相互作用引起的正弦振动（功能试验和耐振试验）外，对因航速、海况、机动等变化时产生的随机振动环境的适应性。三个轴向按标准要求的谱图分别试验2 h。

5 控制方法

标准中介绍了五种振动控制方法，最普遍使用的是加速度输入控制方法，对于一些大型设备的夹具，在试验频率范围内没有共振是很难的，在夹具/设备的共振耦合无法避免时，可采取加速度限或力限控制方法。限于篇幅，这里不作详细介绍。

6 正弦振动（功能试验与耐振试验）的振幅容差设置

标准中正弦振动控制点的振幅容差规定为±10 %，即-0.83 dB～+0.92 dB。但一般的正弦振动试验控制软件打开默认的报警容差为±3 dB，中止容差为±6 dB，也就是报警容差为-29.2 %～+41.3 %，中止容差为-50 %～+100 %，均远远大于标准规定的容差。有些试验人员往往就在软件默认的容差范围内设置正弦振动扫频或耐振参数，那么当出现试验失控或超差现象时就很可能损坏设备。因此设置参数时应按标准规定容差设置，按标准要求，若规定的容差无法满足，则应提出可达到的容差并在试验前得到客户确认。

7 结束语

对军标的正确理解和应用是保证军品环境适应性试验考核的重要保障，不当的试验方法会造成设备的过试验或欠试验，甚至影响到试验的有效性。本文介绍了舰船设备振动试验的实施方法及一些注意要点供相关试验人员参考，有利于了解GJB 150.16A中舰船设备振动试验标准的实施。

［1］GJB 150.16A-2009，军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验［S］.

［2］MIL-STD-810G，METHOD 528 MECHANICAL VIBRATIONS OF SHIPBOARD EQUIPMENT ［S］.

［3］GB/T 2298-1991，机械振动与冲击术语［S］.

［4］D999-01，Standard Test Methods for Vibration Testing of Shipping Containers ［S］.

［5］GJB 440.2-88 ，舰船设备环境参数分类及其严酷等级 机械［S］.

唐文杰，高工，从事环境试验技术应用与研究。

Test Method and Application of Shipboard Equipment Vibration Test in GJB 150.16A

TANG Wen-jie，HUANG Song-jun，XU Zi-wei，GU Yi-chong，CAI Qi-yu
（Marine Environment Engineering and Reliability Laboratory of No.704 Research Institute of CSIC，Shanghai 200031）

This paper discusses how to tailor the standard appropriately，how to determine critical frequencies and how to choose appropriately endurance vibration test frequencies and duration of shipboard equipment vibration test in GJB 150.16A.Exact application means are detailed to facilitate popularization and use of shipboard equipment vibration test standard in GJB 150.16A.

standard tailoring；critical frequencies；transmissibility；endurance vibration

TB123

A

1004-7204（2015）06-0062-04