地面车辆及设备环境试验方法

刘小西，胡巨刚，蔡自刚

（1.工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程中心,广州 511370；2.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程中心,广州 511370；3.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室,广州 511370；4.广东智能无人系统可靠性与数字化验证技术省级重点实验室,广州 511370）

引言

地面车辆通常是移动武器装备的重要组成部分，负责在各种极端恶劣环境下将武器装备和人员可靠运输到规定地点并执行其任务使命。地面车辆通常由车辆底盘、方舱和上装的各功能设备组成，这些上装设备根据安装位置又分为舱内设备和露天设备。

地面车辆寿命周期内会经历的温度、振动、湿热、盐雾、霉菌、太阳辐射、淋雨、风、雪、雾、霜、雹、雷电等各种环境因素[1]，车辆及上装设备在各类环境应力下的承受和正常工作的能力直接影响到战备完好性和任务成功率。目前，实验室试验通常对其边界环境条件进行有效验证，但受限于试验区域和试验设备规模、安全性等因素限制，通常只能进行静态测试，无法进行动态试验，如车辆天线阵面等大型机械的展开撤收、雷达开高压工作等，对功能性能考核不够充分。自然环境中可开展动态试验，但受限于试验周期和试验地理环境等因素，难以验证在较长试验周期内的各边界环境应力适应性，本文通过深入探讨车辆相关试验标准和行业工程实践经验，确定了一套实验室试验、自然环境试验、仿真和理论分析等相结合的地面车辆及设备环境适应性试验方法。

1 相关研究和标准

目前国内外对车辆环境试验方法开展了充分的研究，国外美、英、日、德等国均建立了大型气候实验室[2]，其中美国麦金利环境试验中心主舱室尺寸为76 m（长）×61 m（宽）×21 m（高），能够模拟温度、湿度、太阳辐射、雨、雪等各种典型气候环境条件[3]。国内北京、芜湖、苏州、武汉等地均建立了整车气候环境试验室[4]，具备整车高温、低温、湿热、淋雨等环境试验能力；同时国内已建立一套完善的地面车辆及设备环境标准体系，整车相关通用环境、车辆试验及环境条件标准，车辆通用规范等见表1。此外，针对各类车辆的上装设备，也制定了大量专用环境试验标准，本文不再具体介绍。

表1 相关标准

综合分析各类标准规定的环境试验方法，并结合长期工程实践经验，本文探讨了典型地面车辆及设备的环境试验方案和裁剪要求，同时对工程实践中常见的各环境试验方法问题进行了探讨和分析。

2 寿命周期主要环境因素

根据地面车辆寿命剖面，在运输、贮存、战勤值班、训练和战斗等寿命期内，可能经历的主要自然和诱发环境应力包括：

1）运输：经历低气压、高温、低温、温度变化、湿度、霉菌、盐雾、运输振动、冲击、砂尘、淋雨、浸渍、风、太阳辐射、雪雾霜雹、雷电等环境。

2）贮存：经历低气压、高温、低温、湿度、霉菌、盐雾等环境。

3）战勤值班：经历低气压、高温、低温、湿度、霉菌、盐雾、砂尘、淋雨、风、太阳辐射、雪雾霜雹、雷电等环境。

4）训练和战斗：经历低气压、高温、低温、湿度、霉菌、盐雾、冲击、砂尘、淋雨、浸渍、太阳辐射、雪雾霜雹、雷电等环境。

地面车辆及设备根据其经历的环境因素，可分为整车、舱内设备和露天设备三类。其中，舱内设备由于良好的遮蔽环境，不存在太阳辐射（光效应）、砂尘、淋雨、浸渍、风、雪、雾、霜、雹、雷电等环境。综上所述，地面车辆及设备寿命周期内主要环境因素见表2。

表2 地面车辆及设备寿命周期内主要环境因素

3 环境试验项目

试验项目是按照GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》[5]的规定，并结合寿命周期的环境影响因素分析确定，主要考虑以下裁剪因素：

1）温度冲击：地面车辆一般停放在露天或有遮蔽无温控库房，出库房过程温度变化较小，不能形成温度冲击效应（根据GJB 150A，温度急剧变化超过10 ℃/min），不需开展温度冲击试验。小幅度的温度变化过程可结合高低温试验的温变过程考核，不再开展专项试验。

2）太阳辐射：本试验用于评价寿命期炎热季节直接暴露于太阳辐射环境中的装备耐受太阳辐射产生的热效应或光化学作用的能力。光化学效一般取样件在实验室试验考核极限环境条件，并结合整车在靶场自然环境验证。热效应通过高温试验增加温升来考核，根据工程经验，一般区域的温升在10 ℃左右，南部岛礁区域的温升在15 ℃左右，具体根据产品实测值确定。

3）浸渍：浸渍试验适用于在工作或不工作的情况下可能被部分或完全地浸渍的装备，地面车辆通常只有底盘可能会经历浸渍环境，因此可选取底盘(配重最大承载量)开展浸渍试验考核，整车和设备不再开展。

4）雪雾霜雹、雷电：表1中各汽车通用规范中均未将以上环境因素其列为试验项目，仅GJB 1763-93《军用越野汽车气候适应性要求》中对雪、雾、冰雹的气候条件给出了描述[6]，GB 7450规定了需采取的防雷电干扰和安全保护措施[7]。结合标准要求和工程经验，车辆的研制要求中不提其定量考核指标，仅要求车辆具备在雪雾霜雹、雷电环境下不损坏并正常工作的能力，通常结合自然环境验证雪雾霜雹和雷电环境的适应能力。

综上所述，确定地面车辆及设备的典型环境试验项目如表3所示，根据地面车辆的类型和使命任务要求可具体调整。

表3 地面车辆及设备典型试验项目的确定

4 环境试验要求和方法

4.1 气候类环境试验要求和方法

气候类环境条件主要包括温度、相对湿度、降雨强度、低气压、风等，综合分析相关标准和工程实践中的气候类环境条件，相关要求如表4所示。根据车辆类型，将相关标准可分为通信车、装甲车、保障车和汽车通用环境试验标准。

各标准的应用过程中，应综合考虑产品类型和设备的专用标准要求来确定合适的气候环境条件。例如，通信车整车气候条件可根据GJB 219B-2005《军用通信车通用规范》确定，底盘试验方法根据GJB 150系列或其专项标准确定，上装通用设备则主要根据GJB 367A-2001《军用通信设备通用规范》确定。

确定地面车辆及设备的环境条件，要综合考虑相关标准要求，车辆的使用区域和任务要求进行论证分析。例如，某车辆使用区域覆盖我国高原、岛礁、沙漠等各典型区域，但在漠河极北区域使用频率较低，野外长期停放时会有简易遮蔽棚或库房停放。按照GJB 1172.2-91《军用设备气候极值 地面气温》，取10 %风险率时低温极值为-44.1（漠河），1 %高温极值风险率为45.5（新疆吐鲁番）[9]，取一定设计余量确定其气候环境条件要求如表4所示。

结合工程实践经验，制定各类地面车辆及设备的试验方法时，对标准的应用过程中应重点关注以下问题。

1）温度类

开展温度类试验时，主要关注地面车辆和设备在高低温环境下的启动性能。例如，GJB 3985-2000要求在环境温度-40 ℃的情况下，小、中型车能在30 min内启动，大型车能在50 min内启动[10]。GJB 6280-2008《地地战术导弹电源车通用规范》要求发电机组应有低温启动装置，在-40 ℃时应能在15 min内顺利启动，启动后应具备在3 min内带动额定负载的能力[11]。某电站车要求在环境温度（-15～50）℃时，1 min内启动并输出额定功率。因此，在高低温工作试验中，通常应在温度稳定后，按任务书要求的指标考核被试品启动能力。

部分车辆有更换高低温专用油脂等试验维护保障要求的，应在试验前明确并根据维护保障要求开展相关工作。

此外，温度类试验易暴露漆层工艺缺陷等问题，应在试验前对已存在漆层脱落、磕碰等缺陷的问题做好标记，便于试验后进行故障判定。

2）淋雨

小设备优先按GJB 150.8A程序I进行试验；对于整车、发射箱和大设备，按照GJB 150.8A程序II进行试验。

3）样件试验

受限于试验设备，整车无法进行霉菌、盐雾、太阳辐射（光效应）和砂尘等4项实验室环境试验时，可采用典型工艺样件替代考核。其中霉菌样件覆盖产品的材料、结构和表面处理工艺，侧重于非金属件、电缆和接插件；盐雾样件覆盖产品的材料、结构和表面处理工艺，侧重于金属件，特别是不同金属的连接部位；太阳辐射样件主要选取长期暴露在日晒下的涂层、橡胶等；砂尘样件主要选取活动部件、开口和过滤装置、密封件等。

4）风

地面车辆及设备开展实验室风试验的费效比不高，开展自然环境试验验证时，根据多年经验，受限于试验区域和季节，能恰好满足20 m/s及以上的风速环境的概率较低，可同时结合风设计分析或仿真报告进行评估。风仿真的基本原理是建立流体力学模型，计算风正吹、测吹等模式下，整车在展开、撤收各种工况下能否不滑移、不倾覆，能正常工作。

4.2 力学类试验要求和方法

1）整车运输方式

依据GJB 150.16的规定：陆上运输环境比海上或空中更为严重，而且所有的海上或空中运输的前后都将包括有陆上运输，因此将陆上运输作为基本运输环境。陆上运输包括公路运输和铁路运输，而公路运输比铁路运输更为严重，因此以公路运输作为运输环境。

依据GJB 150.16A，高速公路振动为（1～500）Hz、1.04 grms，组合轮式车垂向振动为（5～500）Hz、2.2 grms，铁路振动为（1～350）Hz、0.83 grms；按照GJB 3493《军用物资运输环境试验条件》，公路运输的冲击相应谱为峰值1 000 g，交跃频率为100 Hz，铁路运输冲击相应谱为峰值300 g，交跃频率为50 Hz；铁路运输振动量值和频谱均能被公路运输覆盖。

因此，耐运输振动和冲击能力可通过开展公路运输覆盖铁路、水路运输要求，但同时应考虑铁路、水路运输的外形尺寸要求，条件允许时开展实装验证。

2）整车公路运输条件

根据环境试验考核装备极限环境应力适应性的原则，公路跑车时应覆盖典型运输路面，各标准中未对环境试验的公路运输条件给出明确规定，但可参考车辆行驶可靠性试验对路面类型的描述和路面比例要求，各类型车辆标准的相关要求见表5。

表5 公路跑车路面和比例要求

相关标准中规定的车辆可靠性试验行驶里程是允许维护保障和出现一定数量的故障，但环境试验通常考核车辆无故障行驶的极限能力。运输里程若按车辆平均故障间隔行驶里程（MMBF）确定，仅考核了平均水平，不满足对极限环境的考核需求；若根据运输寿命（一般为20～30万公里）确定，又明显缺乏可操作性且不符合车辆使用中可维修保障的工程实际；因此，应结合地面车辆的实际使用要求分析确定。例如，常规运输用车辆可参考GJB 150.16A的规定，高速公路运输里程按从制造厂到仓库或用户使用场地的里程，一般为（3 200～6 400）km；未修整路面和野外地段里程为（500～800）km。

3）设备运输条件

参考GJB 150.16A，公路运输环境的实现形式有2种：振动台模拟和实际跑车。优先采用振动台/冲击机模拟运输振动/冲击进行实验室试验；对于大型组件，当振动台难以满足要求时，可用跑车试验模拟其经受的振动和冲击环境，跑车试验可结合车辆性能试验在专用汽车场进行。

力学试验（运输振动、运输冲击）条件的优先顺序为：评审通过的实测数据，沿用相似型号试验条件，相关GJB推荐的试验条件。例如，GJB 150.16A中表C.1给出了各典型车辆的运输谱型，其中高速公路上的卡车运输：普通货车/卡车的振动暴露持续时间每1 600 km的公路运输为60 min（每个轴向），两轮拖车振动暴露持续时间每51 km的公路运输为32 min（每个轴向），多轮拖车暴露持续时间每805 km的公路运输为40 min（每个轴向）。

5 结论

本文结合地面车辆和设备的环境试验标准要求和任务使命，提供了环境试验项目、试验条件和试验方法的确定思路和依据。同时，针对地面车辆及设备的气候类和力学类环境试验中面临的工程实践问题进行了深入探讨并提出解决方案。本文对科学制定各类地面车辆和设备的环境试验方案，提升其环境适应性，保障装备顺利完成各项使命任务具有重要意义。