军用飞机机载设备振动试验要求和有关问题的讨论（三）：GJB 150.16和GJB 150.16A在飞机研制中的应用情况分析

祝耀昌，石鹏颉，程丛高，张建军，徐 俊

（1. 中国航空综合技术研究所，北京 100028；2. 西安西测电子技术服务有限公司，西安 710119）

军用飞机机载设备振动试验要求和有关问题的讨论（三）：GJB 150.16和GJB 150.16A在飞机研制中的应用情况分析

祝耀昌1，石鹏颉2，程丛高1，张建军1，徐 俊1

（1. 中国航空综合技术研究所，北京 100028；2. 西安西测电子技术服务有限公司，西安 710119）

文章分为3部分：第1部分简单介绍振动类型、振动引起的失效模式和应用，特别是列表详细介绍了GJB 150.16和GJB 150.16A中规定或推荐的军用喷气式飞机和螺旋桨飞机设备及其外挂和外挂上的设备的振动试验要求、特点和两标准中相关内容的对比分析；第2部分则详细介绍了两标准中规定或推荐的军用直升机和各类飞机发动机设备的振动试验要求、特点以及相关内容的对比分析；第3部分介绍和分析了航空装备研制生产中这2个标准的应用情况和遇到的问题，对一些重大问题进行了分析概括并提出了一些看法和建议。

此为第3部分。

振动试验；振动功能试验；振动耐久试验；标准

0 引言

文章的前两部分介绍了 GJB 150.16和 GJB 150.16A中规定或推荐的各类机载设备振动试验的要求、特点和两标准中相关内容的对比分析。目前，两标准在应用中都存在一些问题，也出现了各种相应处理方法，本部分将对此进行介绍和分析。

1 GJB 150.16应用中的常见问题和解决办法

GJB 150.16自1986年颁布以来，在型号研制试验中得到了广泛的应用，对提高军用装备的环境适应性发挥了重大作用，也遇到了一些问题。其中较为突出的问题之一是振动耐久试验时间难以按标准全面实施。

1.1标准在振动耐久试验中执行情况

1）振动耐久试验量值和时间的确定方法

GJB 150.16对各类设备均规定了振动耐久试验量值和时间的确定方法。例如，对于喷气式飞机机载设备来说，规定振动耐久试验量值为振动功能试验量值的1.6倍，振动耐久试验的时间按飞机寿命折算，即每飞行500h，则3个轴向每轴向进行2.5h振动试验。如果每轴向都进行了2.5h的耐久试验而未发生损坏，则认为该设备可装机飞行500h而不产生结构损坏且功能完好；如果每轴向都进行了5h的耐久试验而未发生损坏，则认为该设备可装机飞行 1000h而不产生结构损坏且功能完好；以此类推。显然，GJB 150.16确定耐久试验时间的方法很简单，可操作性强。

2）存在的问题

众所周知，军用飞机的寿命通常用实际飞行时间或日历年限来表示。例如某飞机的寿命为 5000飞行小时或30年。这一寿命指标的含意是：只要飞机飞行小时累计达到5000h，就认为到寿命；如果飞机交付后已达到30年，但飞行时间还没有达到5000h，也认为已经到寿命。GJB 150.16中振动耐久试验的持续时间应按这一指标进行折算，即对应于5000飞行小时，机载设备若按1.6倍振动功能试验的量值，每轴向应进行 25h的振动耐久试验，3个轴向共需进行75h的试验。这一要求似乎过于严酷［3］。

3）解决办法

由于大部分设备都很难通过如此严酷的振动耐久试验，所以实际操作中出现了按飞机首次翻修期时间或规定一个比寿命期时间短得多的时间来折算耐久试验时间的处理方法。这类解决方法至少不影响飞机定型工作的进行，把问题推迟到首翻期或某一规定时间后再去解决。由于在和平时期交付的飞机列装飞行时间很难达到首翻期的飞行小时，所以上述处理方法尚未发现问题，但问题并没有得到真正的解决。

1.2振动耐久试验与耐久性试验的概念相混淆

耐久性试验实际上是一种寿命试验，其寿命的单位是时间（h）或动作（次数）等。寿命试验通常应在模拟使用的环境和载荷条件下进行，或者通过加大环境应力和载荷应力的办法加速进行，其最终结果是确定受试产品的寿命是否满足规定的要求。当寿命指标很高，难以充分验证的情况下，对于机载产品来说，常常按其首翻期的1.5倍进行验证。

振动耐久试验的目标不是验证产品的寿命指标，只是要通过加速试验来确保受试产品装载在平台（如飞机）上后，在平台的寿命期内产品不会产生结构损坏且能正常工作。一个产品通过了振动耐久试验，只是表明该产品在其装载的平台的某一段寿命期内不会产生结构损坏且功能完好，不代表产品的寿命就是平台的寿命，该试验也不关注产品本身的寿命，因为要确定其寿命或许需要更长的时间。

此外，产品的寿命也不仅仅取决于振动引起的累积疲劳，还取决于产品热疲劳、材料老化、腐蚀等现象的气候环境因素。因此，寿命指标中还有一个日历期限，这意味着即使产品很少使用，由振动造成的累积疲劳很小，也会因其他因素的作用产生损坏。因此，直接把振动耐久试验对应的平台寿命时间看作产品的寿命是不够准确的。

1.3振动功能试验和振动耐久试验的实施次序不规范

1）GJB 150.16中的规定

GJB 150.16中明确规定，先进行0.5h的振动功能试验，而后进行振动耐久试验，振动耐久试验完成后再进行余下0.5h的振动功能试验，做完一个轴向再依次做第二个轴向、第三个轴向。这一试验顺序的设计目的和优势是：①在进行高量值振动试验时造成的产品内部损伤，更容易在低量值振动作用下被发现，这类似于高加速寿命试验中的挠痒痒（ticle）振动；②只需每轴向装拆试件1次，可减少装拆的次数。

2）实施情况

目前型号实践中有相当部分的试验单位是先进行完3个轴向的振动功能试验后，再进行3个轴向的振动耐久试验。这是不符合GJB 150.16规定的。

3）原因分析

振动耐久试验具有破坏性，因此许多单位将其放在最后进行，希望用一个试验样本多做一些试验项目，有的单位甚至将其放到可靠性试验完成后才进行。然而，这样做就不可能发挥按标准中规定的次序进行试验的优势，但在试验样本短缺的情况下也不失为一种处理办法。需要指出的是，如果最后产品未能通过振动耐久试验，必然要改进产品结构设计，导致其技术状态改变，那么已进行试验的结果是否仍然有效就需要重新评价，可能面临重新进行试验的风险。

1.4振动功能试验的中间检测不充分或被忽略

1）中间检测的目的

环境试验中的中间检测是指在环境应力作用下同时进行功能检查和性能测量。这种检测的结果真正代表了实际使用应力状态下产品对环境的适应性。若不进行中间检测或检测项目不完整，一些在施加应力的情况下才能显现的故障就会被漏掉。

此外，进行中间检测时一旦发现有故障就可立刻停止试验，进行故障归零工作，从而免除继续进行试验的资源浪费。

2）实施情况

实际进行振动试验时，一些受试产品安装在振动台上并处于振动状态，难以施加非电载荷和输入必要的信息，从而使功能检查和性能测量受到限制，特别是在一些机电、液压设备的振动试验中这种情况比较多见。因此，许多单位往往以不便检测为由大大减少功能检查和性能测量的项目，甚至完全排除性能测量的项目，仅检查一下产品是否有功能。然而，这些做法极有可能漏掉一些在应力作用状态下才能被发现的故障，影响试验效果。

3）建议

在振动状态下，对某些产品的功能、性能进行全面检测确实难以实现，但不能因此就不检测。产品送试单位应提高对中间检测重要性的认识，尽量创造条件，包括设计必要的辅助装置和检测方法、画面显示，实现必要的载荷施加和信息传递，以最大限度地实现功能、性能的检测。

2 GJB 150.16A应用中遇到的问题

2.1GJB 150.16A的有关规定

1）振动功能试验量值

GJB 150.16A中明确提出优先采用实测数据来确定振动功能试验量值，在没有实测数据的情况下，推荐使用其附录C的有关表和图中给出的计算方法进行计算，或由给出的数据和振动谱中直接选取。

2）振动耐久试验

GJB 150.16A中推荐，用简化的疲劳关系将不同任务阶段的各振动量值和时间折算成最大使用量级（功能试验量级）的时间，这一时间与振动疲劳寿命时间等效，将其作为振动功能试验和振动耐久试验组合在一起进行振动试验的时间。如果折算出的试验时间太长，工程上不可行，可另确定一个尽可能长的试验持续时间，并利用疲劳关系式确定一个更严酷的试验量级。这种方法尽管不能完全消除非线性的影响，但至少能将试验量级限制在更为现实的最大量级上。

2.2GJB 150.16A与GJB 150.16的区别

1）振动功能试验量值

有关振动功能试验谱型和量值，GJB 150.16在正文中用表格和图给出频率、量值计算方法或确定的值和谱型；GJB 150.16A作为一个剪裁标准，强调优先使用实测数据，将这方面内容移入其附录C中，且仅为推荐使用。两标准有关这方面的内容大体相似，只在个别地方有一些变化。

2）振动耐久试验量值

GJB 150.16明确振动耐久试验相对于振动功能试验的振动量值放大倍数，以及振动耐久试验的时间相对于飞行时间的折算方法。而GJB 150.16A是要按照疲劳关系式将使用寿命中各振动量值和相应持续时间折算到最高或某一使用量级对应的时间。之所以不再使用GJB 150.16的方法是因为，GJB 150.16中提高振动功能试验量级的方法忽略了装备特性、连接处摩擦和热效应等非线性影响，而 GJB 150.16A希望尽量不要让振动功能试验量级超过实际最大使用量级。可见，GJB 150.16A并不排除GJB 150.16的方法，但只在万不得已的情况下使用。

2.3GJB 150.16A应用情况

目前航空装备研制生产过程中，本着老产品用老标准，新产品用新标准的标准实施基本原则，正在新研型号中积极贯彻实施GJB 150.16A，但实施情况还不够理想，存在两大问题：

1）既缺少振动环境实测数据，同时又不能按GJB 150.16A的要求使用实测数据。我国飞机振动环境实测工作开展得较晚，积累的数据不足或不够完整，难于完全使用实测数据来归纳确定振动功能试验量值。因此，实际工程中基本上都是直接利用GJB 150.16A附录 C中的表和图所提供的计算方法、量值和谱型来确定振动功能试验条件。

2）振动耐久试验难以按GJB 150.16A规定执行。GJB 150.16A要求将寿命期各阶段的振动量值和相应的时间，利用其附录B中的2个疲劳关系公式折算到其使用最大振动量值下的持续时间：

式中：W1为环境暴露1的加速度谱密度，g2/Hz；W2为环境暴露2的加速度谱密度，g2/Hz；T1为环境暴露1的持续时间，h；T2为环境暴露2的持续时间，h；g1为环境暴露1的正弦加速度峰值，g；g2为环境暴露2的正弦加速度峰值，g。

然而，这一工作需要通过分析产品寿命期环境剖面，特别是飞机任务剖面，根据各任务剖面中的飞机飞行速度和高度等参数计算出振动量值，再将各振动量值和历经时间折算成该任务剖面的最高振动量值所对应的时间，并根据飞机寿命（飞行小时）和各任务剖面时间比例确定每一任务剖面的最高振动量值及其持续时间，最后将各任务剖面的最高振动量值和相应的持续时间折算到这些任务剖面中最高振动量值和相应持续时间。可见这一过程是十分复杂的，应由总师单位来进行。

中国航空综合技术研究所曾经对某飞机的振动按此方法进行了计算归纳，得到的结果是：对于5000飞行小时寿命，振动试验量值为0.048g2/Hz时，每轴向振动持续时间应为59.2h，3个方向共需进行约178 h的振动试验［3］。这么长的试验持续时间在工程上显然是不切实际的。

因此，目前航空装备型号研制总要求和成品技术协议书中还未见到真正使用 GJB 150.16A规定的方法确定振动试验要求。有些型号总师单位仍然执行GJB 150.16，按飞机首翻期或规定一个时间折算耐久试验时间；有些单位采用GJB 150.16A推荐的量值和谱型作为功能试验量值，而耐久试验量值按GJB 150.16的规定执行，并按飞机首翻期或规定一个时间折算耐久试验时间；还有些单位用提高对振动功能试验量值放大倍数（例如放大倍数达到2倍）的方法来缩短振动耐久试验的持续时间等。

3 问题及处理方式归纳

1）我国飞机振动环境实测开展得较晚，积累的数据不多，因此绝大部分新型号的研制尚不能按GJB 150.16A的要求使用实测数据确定振动量值和谱型，只能使用其附录C的表格c.2中所提供的振动量值计算方法进行计算，以及由表、图中给出的值确定振动功能试验量值。

2）GJB 150.16A要求将装备寿命中各种任务剖面的各个任务段振动量值计算出来，并进一步将所有振动经历的时间按疲劳关系公式折算到最高振动量值对应的时间，最终将此振动量值和折算得到的总时间作为耐久试验的时间。这一做法原理是准确的，但操作比较复杂，目前尚未被型号总师单位采用，因此实际工程中振动耐久试验量值和时间的确定多半是先按 GJB 150.16A推荐的方法确定振动功能试验量值，再按GJB 150.16所规定的方法确定振动耐久试验时间。

3）按照GJB 150.16A的要求确定出的振动耐久试验时间超长，使得在工程实施上不切实际。要想缩短试验时间仍要用疲劳关系式折算到更高的量值，无法消除非线性影响。GJB 150.16中根据飞机寿命时间确定耐久试验时间的方法是比较简单可行的，鉴于目前情况仍不得不继续沿用这一方法。本文的前2部分以表格的形式详细列出了各类飞机、战术导弹、外挂和外挂上设备的耐久试验量值和耐久试验时间确定方法，以利于对比和方便地利用。

4）GJB 150.16给出了振动耐久试验量值相对于振动功能试验量值的倍数和等效于某装机飞行小时疲劳损坏所需的耐久试验时间。不同装备的确定方法是有差别的，具体如表1所示。

表1　GJB 150.16规定的耐久试验量值和时间确定方法Table 1 Method for determining the magnitude and the time of endurance testing specified in GJB 150.16

5）GJB 150.16A中明确规定若直升机设备的振动功能试验量值是按其附录 C的表 c.4和表c.4.1，图c.10和图c.11推荐的方法确定，则按此量值每轴向振动4h，总试验时间12h，就相当于 2500h的使用寿命。有了这一规定，不必再去确定振动耐久试验的量值和时间。

（References）

［1］ 军用设备环境试验方法 振动试验:GJB 150.16—1986［S］

［2］ 军用装备实验室环境方法 第16部分:振动试验:GJB 150.16A— 2009［S］

［3］ 徐明. 确定振动耐久试验量值和持续时间方法的讨论［C］//2001年中国航空学会环境工程学会学术年会文集. 北京， 2001-08-01:122-136

（编辑：张艳艳）

The vibration testing requirements and related problems for military aircraft equipment （III）:Application analysis of GJB 150.16 and GJB 150.16A in airplane development

ZHU Yaochang1， SHI Pengjie2， CHENG Conggao1， ZHANG Jianjun1， XU Jun1
（1. China Aero-polytechnology Establishment， Beijing 100028， China；2. Xi’an XiCe Electronic Technology Service Co. Ltd.， Xi’an 710119， China）

The paper is divided into three parts. The first part introduces the vibration types， the failure modes caused by the vibration and applications， with emphasis on the vibration testing requirements and the characteristics of equipment and stores in military jet and propeller aircraft in detail， recommended in GJB 150.16 and GJB 150.16A， and the related contents in GJB 150.16/16A are compared and analyzed. The second part introduces the vibration testing requirements and characteristics of military helicopter and kinds of engine equipment in detail， recommended in GJB 150.16 and GJB 150.16A， and the related contents in GJB 150.16/16A are compared and analyzed. At last， the applications of the two standards in the aviation equipment development and production are introduced and analyzed in the third part， and some suggestions are made.

This is the third part.

vibration testing； vibration function testing； vibration durable testing； standard

V216.2+1

A

1673-1379（2016）04-0359-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.004

2016-01-06；

2016-05-10

祝耀昌（1941—），男，研究员，博士生导师，主要从事产品环境工程，实验室环境试验和可靠性试验技术研究及其相关标准的制定工作。E-mail:13659826730@163.com。