艦用電磁爐灶抗沖擊環境的設計與工程實踐

施建榮，吳華平，王曉俠，邵華，施詩

（1.海軍裝備研究院，上海 200235；2.澳迪斯丹廚房設備公司，寧波 315194；3.江南造船廠軍事代表室，上海 200011；4.上海工程技術大學，上海 201600）

艦船沖擊環境主要是核武器和常規武器在水下近距離非接觸爆炸作用于船體形成的。水下近距離非接觸爆炸是指炸藥當量一定的核武器和常規武器在距水面艦船或潛艇一定的距離和一定的深度發生的劇烈的但不至于造成艦艇毀滅的爆炸。爆炸產生沖擊波和脈動氣泡效應將使船體殼板永久變形（或破裂）、裝備發生故障（或失效）和人員受傷（或死亡）。它在物理上的傳遞特性是位移、速度、加速度和持續時間。艦用電磁爐灶抗沖擊環境適應性設計、研制和試驗的目的在于保障艦船指戰員和主戰裝備系統效能的充分發揮，艦用電磁爐灶作為重要的保障裝備必須滿足GJB 1060—1991《艦船環境條件要求機械環境》和GJB 4000—2000《艦船通用規范》界定的A級設備的抗沖擊要求。

1 沖擊環境效應

對艦用電磁爐灶進行抗沖擊環境適應性設計、研制和試驗的目的是保證在戰時環境下艦用電磁爐灶承受核武器和常規武器產生的沖擊載荷的能力。基于艦船的船體結構、艦用電磁爐灶的布置、基座、質量和重心以及在沖擊環境下的多種沖擊形式和模態耦合，在沖擊的作用下艦用電磁爐灶中的控制設備、構件、部件、電纜、導線可以向任何方向產生位移，這種位移通過基座、結構支架傳遞到艦用電磁爐灶上，導致速度和加速度最終作用到艦用電磁爐灶上。減輕艦用電磁爐灶所受沖擊的響應是在滿足艦船戰斗力的前提下保持艦用電磁爐灶使用可靠性的重要舉措。

水下近距離非接觸爆炸誘發的沖擊涉及沖擊波水動力學、脈動氣泡水動力學、結構動力學和流體力學[1]。沖擊造成船體或艙面結構突然劇烈運動，導致正在運行的或靜止的艦船裝備加速。這是艦船裝備需要承受的一個特殊環境，沖擊環境對艦用電磁爐灶可能引起以下效應：

1）艦用電磁爐灶零部件、元器件、螺栓的過應力引起永久變形或斷裂；

2）艦用電磁爐灶與船體構件的相對運動引起碰撞、擠壓；

3）艦用電磁爐灶內部電氣構件原有作用力平衡被破壞；

4）電路板、電子芯片故障與損傷導致的功能變化。

2 艦用電磁爐灶抗沖擊要求

環境適應性設計要求奠定了艦用電磁爐灶的固有環境適應性的特性，其抗沖擊環境適應性設計輸入、研制和試驗要求依據GJB 1060—1991《艦船環境條件要求機械環境》和GJB 150.18—1986《軍用設備環境試驗方法沖擊試驗》的規定。詳細要求如下[2]。

2.1 抗沖擊環境輸入

根據艦用電磁爐灶質量（小于180 kg）、安裝位置（乙類安裝）和在沖擊載荷下的撓度（預計值小于38 mm），需要承受的沖擊環境輸入分別為：

1）垂直方向位移為5.7 cm，速度為7.5 m/s，加速度為1 500g；

2）左側方向位移為5.7 cm，速度為4.5 m/s，加速度為750g；

3）右側方向位移為5.7 cm，速度為4.5 m/s，加速度為750g；

4）脈沖寬度為1 ms，并且只能碰撞1次。

2.2 抗沖擊等級

艦用電磁爐灶抗沖擊等級設定為A 級，對艦船連續作戰和安全必不可少。A級要求艦用電磁爐灶的功能特性在沖擊時和沖擊后無顯著變化，且不以其他方式對人員或其他周邊裝備產生危害。

2.3 抗沖擊類別

艦用電磁爐灶抗沖擊類別設定為Ⅱ類，在沖擊作用下要使用有關標準規定的減震器才能完成指定的功能。

2.4 抗沖擊試驗類型

艦用電磁爐灶抗沖擊試驗類型設定為整機試驗，用于模擬最嚴酷的工作條件和艦船上可能使用的安裝方法。整機試驗時，組成艦用電磁爐灶的各設備不能用模擬件替代。

2.5 安裝

艦用電磁爐灶的安裝設定為乙類安裝，安裝位置為廚房內的平面安裝。

2.6 試驗順序

艦用電磁爐灶抗沖擊與振動試驗順序為：沖擊試驗—振動試驗的組合順序。

3 艦用電磁爐灶抗沖擊設計

艦用電磁爐灶抗沖擊環境適應性設計按照GJB 1060—1991《艦船環境條件要求 機械環境》的規定作以下設計要求：

1）使用的材料應具有10%以上的延伸率，工程塑料、不銹鋼材應具備高抗沖擊能力和高抗切口沖擊能力，并應避免使用鑄鐵、鑄鋁、易冷態變形的脆性材料；

2）結構設計方面應避開切口、尖角、橫截面突變或應力集中，并應估算出在沖擊作用下的最大偏移，防止其內部間的碰撞或與其他周邊裝備相碰撞；

3）艦用電磁爐灶和內部構件的固定應采取可靠的緊固措施；

4）艦用電磁爐灶的螺栓和螺栓孔之間的間隙按GJB 1060—1991《艦船環境條件要求 機械環境》的規定，公稱直徑小于等于19 mm 時螺栓公稱直徑加0.8 mm，公稱直徑大于19 mm 時螺栓公稱直徑加1.6 mm；

5）框架結構和主控制箱應合理放置，避免懸臂式、碰撞，相應的焊接點應遠離高應力區，電氣接線和布線應保證具有足夠的松弛度。

4 艦用電磁爐灶減震器的選型

減震器是加固設計的一部分，其作用是提高艦用電磁爐灶整體的抗沖擊能力。線性低頻減震器剛度小、固有頻率低，能滿足隔振要求，但由于吸收能力低，易引起剛性碰撞。線性高頻減震器由于剛度大、固有頻率高，不易滿足隔振要求，但由于吸收能力強，易滿足緩沖要求。為了解決這個矛盾，在艦用電磁爐灶減震器的選用上采取了平衡配置，對一級減震，經估算選用了頻率為25 Hz、承重為100 kg（4只）的金屬橡膠減震器。對二級減震（控制箱用），經估算選用了頻率為20 Hz、承重為20 kg（4只）的鋼絲減震器。

5 艦用電磁爐灶抗沖擊試驗

艦用電磁爐灶由于質量小于180 kg，因此采用輕量級沖擊機進行試驗。試件安裝在2號標準安裝架（如圖1 所示）和過渡架（如圖2 所示）上。試驗前按企業標準規定對試件進行外觀檢查和電性能、機械性能等的檢測，檢測結果正常，并拍攝照片存證。

圖1 2號標準安裝架Fig.1 No.2 standard mounting fixture

圖2 過渡架Fig.2 Transition mounting fixture

按GJB 150.18—1986《軍用設備環境試驗方法沖擊試驗》中的“試驗十艦船設備的沖擊試驗”的規定對試件進行考核。每種試驗狀態沿試件3個互相垂直的主軸方向各施加3 次沖擊，總共施加9 次沖擊。3次沖擊的落錘高度依次為0.3，0.9，1.5 m，擺錘角度依次為37°，66°，90°（試件在沖擊載荷下任何方向的撓度均小于38 mm）。試驗時試件處于通電運行狀態，并在鍋內盛水（如圖3 所示，盛水量約為鍋體容積的20%），模擬實際炊事狀況。

試驗后按標準規定對試件進行外觀檢查和電性能、機械性能等的檢測，檢測結果正常，并拍攝照片存證（如圖4，5所示）。

6 結語

電磁爐灶無明火、效率高、安全節能、綠色環保，但是作為民用產品轉換為軍用產品需要對環境適應性進行重新設計。由于艦用電磁爐灶嚴格按照國家軍用標準進行設計和研制，材料選用得當、結構布局合理，減震器頻率預測科學，因此得到了沖擊與振動組合試驗考核一次性通過的最佳結果。

圖3 鍋內盛水Fig.3 Water in the boiler

圖4 試驗后完好無損的關鍵部件Fig.4 Critical components in good condition after test

圖5 試驗后完好無損的重要部件Fig.5 Important components in good condition after test

[1]施建榮.模擬水下近距非接觸爆炸環境的中量級沖擊試驗[J].裝備環境工程，2010，7（3）：6—9.

[2]GJB 1060—1991，艦船環境條件要求機械環境[S].