舰船设备振动试验方法分析

邓建国，汤俊，宋岩

（1.南京电子技术研究所，南京 210039； 2.南京赛宝工业技术研究院有限公司，南京 210000；3.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

引言

舰船是一个浮动在海上的全自由强性体，部署在舰船上的设备在其寿命期内，会受到多方振动应力的影响。安装在舰船上后，会在航行及作战时会受到来源于动力机械和海洋的振动应力的影响。振动以损伤累积的形式作用于设备上，使设备发生工艺性能破坏、工作性能失灵或疲劳损伤，降低舰船战斗力，尤其对电子、光学设备的影响更为明显。此外，舰船振动会影响舰船的隐身性能，长时间的振动和噪声会引起乘员人体不舒适、降低其工作能力。

GJB 150.16A-2009[1]是我国军用装备进行振动试验的主要参照和引用标准，其中A.2.3.11“第21类—船—舰船”中，罗列了舰船设备的振动试验振动暴露量级和试验时间要求。由于对舰船设备寿命期内遭遇的环境因素考虑不充分、对试验标准解读不深入，导致型号试验中出现了试验项目缺项或试验条件剪裁不合理、试验方法不科学等情况。本文主要针对在舰船上安装使用的设备，分析其在任务期间经受的振动应力，对环境试验中的振动试验和在可靠性试验中施加的振动应力进行探讨。

1 影响振动的因素

1.1 舰船振动分析

舰船设备的振动主要来源于船体的振动，船体的振动是在航行中自然环境，例如风、海浪等激励，以及螺旋桨轴转速、往复机械和其它装备运行带来的强迫激励引起的，而且与舰船结构、设备安装方式和位置、设备本身的响应情况等有关，是一个复杂的函数[1]。振动影响因素包括振源、传递件、响应件[2]。舰船振动的振源较多，且以各自的方式和途径影响振动环境，引起舰船环境振动的主要振源因素见表1。

表1 舰船环境振动主要振源因素

舰船平台的振动谱含有由于航速、海况、机动等变化诱发的随机分量，还有螺旋桨旋转、往复机械及船体共振引起的周期分量。振源与设备之间的距离以及振动传递体也直接影响设备受到的振动应力。舰船主体经受的振动应力随船底距离基本呈二次关系递减，舰船底部的振动响应最为剧烈，主船体上各层甲板的振动响应次之，主甲板的振动响应最小[3]。桅杆上的装备（如天线）会经受比安装在船体和甲板上装备高的振动量级。小型舰艇，如鱼雷快艇，其振动振幅可以因其高性能而相对较大，且受限于其尺寸，从机械传动到所部署设备的传播路径比较短，振动衰减有限。与小型舰艇相比，大型舰船会形成比较缓和的振动环境，但对于性能高且推进系统功率很大的舰船，其振动振幅也会较大。

舰船的振动应力与飞机和坦克等平台比较是相对和缓的，但作用时间长，应尽可能降低振动对舰船设备的影响。首先减小舰船平台的振动，在舰船结构设计中，国家军用标准和产品规范等文件中对螺旋桨、柴油机、推进轴系、旋转机械等主要激振源的质量、零件、工艺、设计容差、底座、安装位置等进行明确规定；一般舰船设备均配装隔振、减振装置，或是稳定平台，一定程度上可以降低振动影响；舰船设备本身会开展耐震设计，加强结构强度，尤其是光学仪器或陀螺等对振动敏感的产品，将固有频率移至船体振动频率范围之外。

1.2 振动试验疲劳等效关系

标准推荐优先选用实测数据确定环境试验条件。对被试设备开展振动实测时，可在设备与船体连接部位布置传感器，测量输入应力；同时在设备的关键部位或者薄弱部位布置传感器，测量其振动响应数据。振动实测时还要充分考虑舰船的各种典型工况、运行姿态、海情等因素。目前没有通用的振动环境实测数据，所以按照GJB 150.16A的要求，推荐根据被试设备的振动环境实测数据确定试验条件进行试验。

舰船振动的随机分量在实验室振动试验中通过随机振动来模拟，其主要参数为频率范围、功率谱密度、施加时长。舰船振动的周期分量在实验室振动试验中通过正弦振动来模拟，其主要参数为频率范围、振动量级（振幅或加速度）、扫频速率，正弦振动试验分为扫频试验和定频试验。随机振动与正弦振动相比，在大多数情况下更代表实际环境，连续宽频域的随机振动可在所有的频率上同时激励被试品，随机振动各频率之间的相互作用可以更真实且更有效地模拟实际的振动环境影响[4]。在分析被试产品共振频率和阻尼特性方面正弦振动具有优势且具有良好的经济性。但在20世纪60至70年代，我国不具备在实验室实施随机振动的条件，大部分是通过正弦振动的方式进行试验。随机振动和正弦振动没有一般的等效关系。只有在按疲劳损伤原理计算振动强度时，随机振动与正弦振动存在某种等效[4]：

式中：

Ae—等效正弦振幅；

f —频率；

r —正态化系数；

W—频率f上的谱密度值；

Q—放大系数（响应/输入）。

这种等效只局限于疲劳强度的等效，对于考核产品性能的试验不适用[4]。在振动疲劳损伤测试中，由于量级的不同，具有加速作用，但为了保证试验件原有的特性（如应力分布等）不致发生显著变化，对正弦振动来说，振动量值的提高一般不应超过2.5倍，时间压缩不应超过1/100[4]。在GJB 150.16A中给出了随机振动及正弦振动不同量级之间的疲劳等价关系，在工程实践中可用于确定振动耐久试验的加速试验条件和时间[1]：

（W0/W1）=（T1/T0）1/4（随机振动）

（g0/g1）=（T1/T0）1/6（正弦振动）

式中：

W0—规定的加速度谱密度，g2/Hz；

W1—施加的加速度谱密度，g2/Hz；

g0—规定的峰值加速度，g；

g1—施加的峰值加速度，g；

T0—规定的时间，h；

T1—施加的时间，h。

标准中提出上述表达式适用于航空电子产品。产品上不同部件用材料的S/N曲线可得到不同的等价关系，舰船设备种类较多，电子产品可参考上述公式，但其它设备应根据主要材料确定具体疲劳等价关系。

2 振动试验条件剪裁

当无法获得实测数据时，可参照国家军用标准给出的试验条件开展舰船设备的振动试验。目前国内常用的舰船设备标准除GJB 150.16A外，还有GJB 150.16-86《军用设备环境试验方法 振动试验》[5]、GJB 4.7-83《舰船电子设备环境试验 振动试验》[6]。

2.1 常用标准试验条件对比分析

GJB 150A是对GJB 150系列标准的更新，是美国国防部MIL-STD-810F《环境工程考虑和实验室试验》[7]（2000年1月1日）的等效标准。在GJB 150.16的“2.3.11第9类——舰船振动”中，列出了舰船振动以周期振动和随机振动的形式存在，但并未考虑随机振动，只根据设备所安装的舰船类型和部位给出了推荐的正弦振动试验条件，见表2。

表2 GJB 150.16-86规定的舰船设备振动试验量值

GJB 150.16-86将舰船振动试验分为两个过程，即功能试验和耐振试验。功能试验是以1 oct/min的速率进行10次扫频循环；耐振试验是在被试产品每个轴向的危险频率上至少振动2 h。危险频率是指在扫频过程中，由于振动被试产品出现工作失灵、性能超差或损伤，机械共振或颤振等不正常响应现象。试验方向为三个相互垂直的轴向。在正弦振动试验的扫频过程中，需要在被试产品布置传感器，进行响应调查，获得振动响应数据。MIL-STD-810G[8]中规定，响应极值点处的传递函数值大于1.5时可基本认为该频率点为共振频率点，该频率作为产品耐久振动时的危险频率。

要说明的是，当被试产品在扫频过程中出现多个危险频率时，会存在是否每个都要进行2h的耐振试验的争论。笔者认为，不建议对被试产品过多进行长时间的耐振试验，当被试产品需要交付时，会影响其使用期间的寿命。此处可参考MIL-STD-810G方法528.1中的规定，见表3。

表3 多个危险频率的耐振试验持续时间

GJB 150.16A规定舰船振动试验由正弦振动和随机振动组成，其中正弦振动试验条件和持续时间与GJB 150.16完全相同。随机振动试验方向为三个相互垂直的轴向，每轴向持续时间为2 h，试验谱图见图1。

图1 随机振动量级

GJB 4.7已经发布了近40年，是参考美国海军1974年版MIL-STD-167-1《舰船设备机械振动 （Ⅰ类环境振动）》[9]中I类-环境振动制订的。在工程实践中，已逐步被GJB 150.16A9取代，目前使用较少。GJB 4.7在共振检查和稳定性试验的扫频速率规定上存在疏漏，只规定了采用线性扫频方式进行试验，但未规定扫频速率，如速率过快会导致响应幅值达不到稳态振动的理论值，无法准确获得共振响应；在耐振试验频率交越点或加速度的确定上也存在缺陷，可以有不同选择，导致不同操作人员选择的试验条件不同[10]。GJB 4.7中明确提出在振动试验期间，如无特殊要求，被试产品应处于工作状态。GJB 150.16A中未对被试品在试验期间的状态进行要求，但为了时刻监控被试产品的工作情况，且根据舰船设备一般需要在振动环境中长时间工作，因此笔者认为，应与GJB 4.7要求一致。耐振试验期间被试产品加电工作，与飞机、外挂产品等耐久振动试验不同，此处要加以区分。

另外，GJB 4.7中根据螺旋桨不同转速，将环境类别分为2类，1类是指螺旋桨轴转速在1 000 r/min以下的舰船，2类是指螺旋桨轴转速在1 000 r/min以上。环境分区分为主体区、桅区和首尾区。GJB 150.16A中规定，正弦振动试验的上限频率即为舰船最高桨叶频率（螺旋桨每分钟最高转速×螺旋桨叶片数÷60），可据此进行调整。

2.2 环境与可靠性试验振动条件对比

GJB 899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》[11]的B.3.4.2.2.3规定了水面舰船（不含快艇）设备开展可靠性试验时施加的振动应力，包括具体条件和施加时间。振动应力分为战斗损坏频谱和运输随机频谱，前者为正弦振动，后者为随机振动。可靠性试验期间，每24 h施加6 h的振动应力，并以3 h为一个振动循环。正弦振动时间短，随机振动时间长，二者比例为1:12，是考虑到舰船设备在使用期间更多会承受到随机振动。

战斗损坏频谱按以下条件进行对数正弦扫描，如图2所示。

图2 战斗损坏频谱

1）频率范围：4～60 Hz；

2）振幅：0.76±0.15 mm（4～15 Hz），7.5 m/s2（15～60 Hz）；

3）持续时间：10±2 min（上5 min，下5 min）。

运输随机频谱时应按以下条件进行随机振动，如图3所示。

图3 运输随机频谱

1）频率范围：10～200 Hz；

2）以GJB150.16A中规定的图C.15 图谱作为背景振动条件，在随机图谱上叠加扫频确定的危险频率处规定量值的正弦分量，当危险频率在一个频带内变化时也可叠加窄带随机[13]。

3）最后在选定试验频率范围内以1oct/min的速率进行剩下的5次扫频循环。

采用上述方法具有如下优点：更加真实地模拟实际情况；缩短试验时间；当存在多个危险频率时，可同时

2）量级（总均方根r.m.s）：10 m/s2；

3）持续时间：20 min。

选取在舰船主体区安装的设备的环境试验振动条件和可靠性试验振动条件进行对比，具体见表4。

表4 GJB 150.16A和GJB 899A中振动试验条件对比

通过表4可知，环境试验的正弦振动频率范围大致与可靠性试验一致，振动量级略高；随机振动频率范围可靠性试验比环境试验的上限频率高一倍，且振动量级大很多。此外，环境试验比可靠性试验相比，多了耐振试验过程。

3 推荐的试验条件

按照GJB 150.16A开展振动试验需要经过3个步骤，即正弦扫频振动、耐振试验和随机振动，顺序进行每个轴向振动时间约为6 h，三个轴向为18 h。当一个系统所属分机较多时，振动试验所需时间较长。从实际条件出发，平台上往往同时存在随机振动和正弦振动，单独进行其中一种试验并不能真实模拟实际的工作环境[12]。

针对以上问题建议采用如下方法解决[12]：

1）对每个轴向，首先在选定试验频率范围内以1oct/min的速率进行5次扫频循环。叠加在随机背景振动图谱上；可利用最后的正弦扫频过程验证被试品在历经耐振和随机振动试验后，在规定的频率范围各个频率点内是否会出现故障。

4 结束语

本文探讨了舰船设备的振动激励来源，分析了正弦激励及随机激励对舰船设备的影响，比对了国内舰船设备常用国家军用标准中的振动试验条件，并结合目前振动试验台的能力和国内专家学者对舰船设备振动试验实施建议，给出了推荐的舰船设备振动试验程序。在制定舰船设备的振动试验条件时，建议根据实测应力提出；缺乏实测数据时，要对标准中的要求慎重剪裁，不能缺乏依据的情况下只施加正弦振动或随机振动应力。目前缺乏国内舰船设备在振动试验方面的创新经验和研究，欢迎各位同行对相关问题进一步探讨、研究。